Sistema di assistenza tramite realtà aumentata per l'addestramento all'intarsio dentale nell'educazione odontoiatrica

Sommario

Il Sistema di Intaglio dei Denti Assistito dalla Realtà Aumentata (AR-ATCS) riconosce marcatori oggetto 3D e sovrappone un modello dentale virtuale su un blocco di cera reale, fornendo un riferimento visivo tridimensionale per assistere gli studenti principianti in odontoiatria durante l’intaglio del dente.

Abstract

L'obiettivo di questo protocollo è migliorare l'insegnamento dell'anatomia dentale sviluppando e applicando un sistema di intaglio guidato da realtà aumentata (AR-ATCS). La morfologia dentale rappresenta un elemento fondamentale della formazione odontoiatrica, richiedendo agli studenti di padroneggiare strutture anatomiche tridimensionali (3D) complesse e punti di riferimento funzionali essenziali per procedure cliniche come la chirurgia restaurativa e i trattamenti endodontici. Tradizionalmente, queste competenze vengono acquisite attraverso esercitazioni di intaglio su blocchi di cera; tuttavia, questo approccio è spesso limitato da una bassa efficienza didattica e da un notevole divario cognitivo quando gli studenti cercano di trasporre illustrazioni bidimensionali (2D) presenti sui libri di testo in strutture fisiche tridimensionali. Per affrontare queste difficoltà, il presente protocollo descrive l'integrazione della tecnologia di realtà aumentata (AR) nell'addestramento manuale all'intaglio dentale. Il sistema utilizza algoritmi di rilevamento tridimensionale degli oggetti e di visione artificiale per sovrapporre un modello dentale 3D virtuale ad alta fedeltà sullo spazio di lavoro fisico. Riconoscendo appositi marcatori di tracciamento attraverso la fotocamera di un dispositivo mobile, il sistema proietta una guida digitale nella scala e nell'orientamento corretti direttamente sul blocco di cera. Questo allineamento tra virtuale e reale consente agli studenti di visualizzare in tempo reale la morfologia dentale desiderata e di identificare eventuali scostamenti rispetto al modello durante l'intaglio. Il protocollo fornisce un flusso di lavoro dettagliato per configurare l'ambiente AR, allineare i modelli virtuali con i materiali fisici e utilizzare il sistema come strumento di apprendimento autonomo. Fornendo un feedback visivo interattivo e multidirezionale, il sistema riduce la dipendenza da continue dimostrazioni da parte dell'insegnante e minimizza l'impatto di errori irreversibili nell'intaglio. Nel complesso, questo approccio assistito da realtà aumentata offre uno strumento di guida visiva complementare alla formazione tradizionale in anatomia dentale, supportando gli studenti principianti durante l'intaglio e fornendo un quadro più efficiente per l'esercitazione sulla morfologia dentale.

Introduzione

La morfologia dentale è un componente fondamentale dell'educazione odontoiatrica, finalizzata ad aiutare gli studenti a comprendere in modo sistematico la morfologia anatomica dei denti e le loro caratteristiche strutturali tridimensionali^1,2. L'esercitazione nella modellazione dei denti, come parte importante dell'insegnamento della morfologia dentale, non solo riflette il grado di padronanza degli studenti dell'anatomia dentale, ma sviluppa anche la loro destrezza manuale e le capacità operatorie^3,4. Essa fornisce una base essenziale per la pratica clinica, in particolare nel trattamento protesico^2,5.

La formazione tradizionale nella modellazione dentale viene solitamente svolta sotto la supervisione di istruttori, nei quali gli studenti modellano la morfologia anatomica dei denti anteriori e posteriori utilizzando blocchi di cera o di sapone^3,5. Tuttavia, lo squilibrio tra il numero di istruttori e quello di studenti rende difficile per i docenti fornire un'adeguata guida individualizzata entro un periodo didattico limitato^4,5. Inoltre, gli studenti spesso incontrano notevoli difficoltà cognitive nel trasformare immagini bidimensionali in forme tridimensionali, il che può ridurre sia l'efficienza dell'apprendimento che l'efficacia dell'insegnamento^2,5,6.

Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo delle tecnologie digitali, la stampa tridimensionale, la realtà aumentata, la realtà virtuale e altri approcci digitali sono stati gradualmente applicati nell'insegnamento dell'anatomia medica e nei laboratori odontotecnici^6,7,8,9. Queste tecnologie superano i limiti degli atlanti bidimensionali tradizionali, dell'osservazione di modelli fisici e delle dimostrazioni da parte dell'insegnante nella rappresentazione spaziale, offrendo agli studenti un'esperienza di apprendimento più intuitiva, dinamica e tridimensionale^5,6,9.

La realtà aumentata è una tecnologia di visualizzazione che sovrappone informazioni virtuali generate dal computer all'ambiente reale in tempo reale, realizzando così una fusione tra virtuale e reale e un'interazione uomo-computer. Integrando dati tridimensionali e informazioni spaziali in scenari del mondo reale, la realtà aumentata può ampliare la percezione dell'osservatore riguardo a strutture spaziali complesse^10,11. Questa caratteristica rende la realtà aumentata particolarmente adatta a scenari didattici pratici che richiedono comprensione spaziale e coordinamento occhio-mano. Attualmente, la tecnologia AR è stata applicata in via preliminare nell'insegnamento dell'anatomia e ha ricevuto feedback positivi^11,12,13. Oltre agli ambiti educativi, la realtà aumentata è stata tradotta anche nella pratica clinica odontoiatrica. Ad esempio, Macrì et al. hanno riportato l'uso della realtà aumentata per l'esposizione chirurgica di un dente incluso, dimostrando che la registrazione spaziale basata su AR e la sovrapposizione virtuale-reale in tempo reale possono essere applicate nella navigazione chirurgica orale¹⁴. Questa applicazione clinica fornisce un supporto aggiuntivo all'introduzione della visualizzazione spaziale guidata da AR nella formazione sulla morfologia dentale.

In questo protocollo, la tecnologia di realtà aumentata (AR) è stata utilizzata per assistere la formazione nel modellaggio dei denti, fornendo agli studenti un riferimento visivo tridimensionale continuo e intuitivo durante l'esercitazione, che può integrare la guida convenzionale dell'istruttore. A tale scopo, è stato sviluppato congiuntamente un sistema di modellaggio dentale assistito da AR, composto principalmente da software AR, una telecamera ad alta definizione, una base portablocco in cera e quattro marcatori tridimensionali per il tracciamento degli oggetti, realizzati separatamente. I marcatori sono stati assemblati sulla base portante, che mantiene il blocco di cera in una posizione predeterminata. Durante il funzionamento, il sistema acquisisce immagini dell'area di lavoro fisica attraverso la telecamera. Una volta riconosciuto un marcatore oggetto tridimensionale sulla base, il modello dentale virtuale viene sovrapposto in tempo reale alla posizione corrispondente sul blocco di cera nell'interfaccia di visualizzazione, fornendo così agli studenti un riferimento visivo per il modellaggio.

Sulla base di questo sistema, è stata eseguita una validazione su singolo campione. Uno studente che aveva completato il corso di anatomia dentale ha svolto la procedura di modellazione del dente seguendo le indicazioni del protocollo assistito da realtà aumentata proposto. Il dente modellato è stato quindi scansionato e processato come modello tridimensionale, e un'analisi oggettiva delle deviazioni morfologiche è stata condotta confrontandolo con il modello dentale standard. I risultati preliminari ottenuti dal singolo campione hanno indicato la fattibilità dell'utilizzo del sistema AR-ATCS come strumento ausiliario per la formazione in morfologia dentale.

Protocollo

1. Creazione del modello digitale standard del dente

NOTA: In questo protocollo, il primo molare mandibolare sinistro è stato utilizzato come dente bersaglio per dimostrare la fattibilità del flusso di lavoro di intaglio del dente assistito da realtà aumentata. Per altre posizioni dentali, il flusso di lavoro può essere applicato dopo aver importato il modello digitale standard del dente corrispondente e aver ridefinito la sua relazione spaziale con il marcatore oggetto tridimensionale. Questo passaggio richiede circa 10 min.

1. Scansione della camera del modello standard di dente
   1. Preparare il modello standard di dente.
      NOTA: In questo protocollo, utilizzare un modello dentale standard compatibile con un blocco di cera di 25 mm × 25 mm × 50 mm.
   2. Applicare uno strato sottile e uniforme di polvere per scansione o spray antiriflesso sulla superficie del modello standard del dente per ridurre gli errori di scansione legati ai riflessi.
   3. Posizionare e fissare il modello di dente standard preparato sul supporto dello scanner tridimensionale a camera (dotato di due telecamere da 24 MP e precisione di scansione <10 µm). Assicurarsi che il modello sia stabile e che l'area target da scansionare sia completamente esposta (Figura 1A).
   4. Aprire il software di scansione 3D, creare un nuovo ordine e assegnargli un nome in base alla posizione del dente bersaglio. Confermare le impostazioni di scansione e fare clic su su Avvia scansione.
   5. Dopo la scansione, verificare l'integrità del modello digitale. Se non si osservano difetti evidenti, esportare il modello scansionato in formato STL e impostare l'unità su millimetri (Figura 1B).
2. Segmentazione ed elaborazione del modello dentale scansionatoFigura 1C)
   1. Software per l'elaborazione di dati di scansione 3D aperti.
   2. Fare clic su File > Aperto, selezionare il file STL del modello standard del dente e fare clic su Aperto.
   3. Nella finestra di selezione dell'unità, selezionare Millimetri e fare clic su OK.
   4. Fare clic su Poligoni > Taglio > Tagliare con il piano. Regolare manualmente la posizione del piano di taglio al livello di sezione radicolare pianificato.
   5. Confermare la regione di taglio, fare clic su Piano di intersezione > Elimina selezione > Chiusura dell'Intersezione > OK per rimuovere la porzione eccessiva della radice e chiudere il margine aperto, ottenendo un modello digitale standard del dente impermeabile.
   6. Fare clic su File > Salva e scegliere File STL (binario) (*.STL) nell'elenco Tipo di file.
3. Costruzione della base del modello dentale standard (Figura 1D)
   ​NOTA: Questo passaggio viene utilizzato per costruire una base regolare per il modello digitale standard del dente, stabilendo così una relazione spaziale stabile tra il modello standard, il blocco di cera e la base di tracciamento AR. I nomi esatti delle opzioni di menu possono variare leggermente a seconda delle versioni del software.
   1. Aprire il software di modellazione 3D.
   2. Fare clic su File > Aperto e selezionare il file STL del modello digitale standard del dente.
   3. Fare clic su Opzioni, importa come Corpo solido o Corpo superficialee selezionare Creare corpi mesh delimitati da singole facce > Raggruppare le faccette in faccee fare clic su OK e Aperto, in modo che le facce triangolari nella parte inferiore del modello del dente possano essere riconosciute come una superficie di riferimento relativamente completa.
   4. Creare il punto centrale della base del modello. Selezionare la superficie inferiore del modello del dente, fare clic su Caratteristiche > Punto > Centro del volto > OK per generare il punto centrale (denominato Punto 1).
   5. Scegliere la superficie inferiore del modello del dente come piano di schizzo e fare clic su Schizzo > Rettangolo centrale, disegnare un rettangolo centrato in Punto 1e fare clic su Smart Dimension impostare il rettangolo su 25 mm × 25 mm. Fare clic su Esci da Schizzo (denominato Schizzo 1).
   6. Selezionare Schizzo 1. Nella scheda Funzionalità, fare clic su Sbavatura estrusa. Sotto Direzione 1, selezionare Cieco, impostare la Profondità a 20 mm e fare clic su OK per generare la base del modello standard del dente.

2. Progettazione del supporto per il blocco di paraffina e della base per il tracciamento AR

NOTA: I marcatori per il tracciamento tridimensionale degli oggetti e la base in cera per il tracciamento della realtà aumentata sono componenti personalizzati. La loro progettazione può variare in base allo scopo e alla strategia di modellazione. Pertanto, la base descritta in questo protocollo non è l'unico design possibile e può essere modificata, a condizione che vengano mantenuti il fissaggio della cera, il riconoscimento dei marcatori e il comfort durante la manipolazione. Questo passaggio richiede circa 30 min.

1. Progettazione della cavità nel blocco di ceraFigura 2A,B)
   1. Utilizzando il software di modellazione 3D, fare clic su Nuovo > Parte > OK sulla pagina principale.
   2. Scegliere il Piano superiore e fare clic su Schizzo. Fare clic su Rettangolo centrale e disegnare il bozzino iniziale centrato nel Origine.
   3. Fare clic su Smart Dimension per impostare il rettangolo su 40 mm × 40 mm, fare clic su Dimensione di uscita (denominato Schizzo 1).
   4. Scegliere Schizzo 1, fare clic su Caratteristiche > Sbavatura estrusa, al di sotto di Direzione 1, scegliere Cieco, e impostare la Profondità a 32,5 mm per creare un cuboide di 40 mm × 40 mm × 32,5 mm (denominato Boss – Estrusione 1).
   5. Scegliere la superficie superiore del parallelepipedo, fare clic su Schizzo > Rettangolo centrale, e creare il disegno iniziale centrato nel punto Origine. Quindi fare clic su Smart Dimension e impostare le dimensioni del rettangolo a 25,2 mm × 25,2 mm (denominato Schizzo 2). Queste dimensioni consentono di alloggiare un blocco di cera di 25 mm × 25 mm con una tolleranza di assemblaggio di circa 0,2 mm.
   6. Scegliere Schizzo 2, fare clic su Caratteristiche > Taglio estrusoe impostare la profondità di taglio a 20 mm per creare la cavità nel blocco di cera.
2. Progettazione di connettori negativi per i marcatori di tracciamento tridimensionale
   1. Scegliere una superficie verticale del parallelepipedo e fare clic su Schizzo > Rettangolo centrale, disegnare un rettangolo sulla faccia scelta, fare clic su Smart Dimensione impostarlo a 5,2 mm × 5,2 mm (denominato Schizzo 3).
   2. Fare clic su Caratteristiche > Taglio estruso, scegliere Schizzo 3e impostare la profondità di taglio a 5 mm.
   3. Ripetere i passaggi precedenti per creare alloggiamenti sulle quattro superfici verticali. Per l'alloggiamento sulla superficie inferiore, impostare le dimensioni dello schizzo a 10,2 mm × 10,2 mm e la profondità di taglio a 10 mm.
   4. Fare clic su Salva e salvare il portablocco di paraffina come un SLDPRT file
3. Progettazione per stabilità della base e comfort durante l'intaglio
   1. Utilizzando il software di modellazione 3D, fare clic su Nuovo > Parte > OK sulla pagina principale.
   2. Scegliere il Piano superiore e fare clic su Schizzo > Cerchio, tracciare un cerchio di 80 mm di diametro centrato nel punto Origine (denominato Sschema 1).
   3. Scegliere Schizzo 1, fare clic su Caratteristiche > Corpo/base estrusoe impostare la profondità a 5 mm per creare una piastra circolare di stabilizzazione.
   4. Fare clic su Piano destro e disegnare un triangolo rettangolo isoscele con il Origine come punto medio dell'ipotenusa, una lunghezza del lato di 40 mm e un angolo di 45° per creare uno schizzo (denominato Schizzo 2).
   5. Scegliere Schizzo 2, fare clic su Caratteristiche > Sbavatura del bossato/base, scegliere Piano Medio sotto Direzione e impostare la profondità a 40 mm per generare una struttura inclinata di 45° (denominata Boss-Extrude 2).
   6. Scegliere la superficie inclinata, fare clic su Schizzo> Rettangolo centrale, disegnare un rettangolo centrale di 10 mm × 10 mm, fare clic su Sbavatura del pezzo/base e impostare la profondità a 10 mm per creare il connettore di supporto alla base.
   7. Fare clic su Salva e salvare la struttura di supporto stabilizzante come file SLDPRT.
4. Progettazione dei marcatori per il tracciamento di oggetti tridimensionali
   ​NOTA: Il marcatore deve avere una struttura rigida, caratteristiche superficiali stabili e una complessità geometrica sufficiente per migliorare la stabilità del riconoscimento e del tracciamento tridimensionale degli oggetti.
   1. Utilizzando il software di modellazione 3D, fare clic su Nuovo > Parte > OK sulla pagina principale.
   2. Scegliere il Piano superiore e fare clic su Schizzo > Poligono, disegnare un esagono centrato nell'Origine, fare clic su Smart Dimension, impostare la lunghezza del lato a 7,5 mm (denominata Schizzo 1).
   3. Scegliere Schizzo 1, fare clic su Caratteristiche > Boss/Base estrusoe impostare la profondità a 10 mm.
   4. Scegliere la faccia inferiore, fare clic su Schizzo> Centra rettangolo, disegnare un rettangolo centrale di 5 mm × 5 mm (denominato Schizzo 2).
   5. Scegliere Schizzo 2, fare clic su Caratteristiche > Cilindro estrusoe impostare la profondità a 5 mm per formare un perno che si inserisca nella presa femmina della base.
   6. Utilizzare il Bozza funzione con la faccia superiore come piano neutro. Selezionare ciascuna superficie laterale come piano di sformo e applicare angoli di sformo diversi a ogni superficie per aumentare l'asimmetria delle caratteristiche geometriche. Regolare gli angoli di sformo in base alle prestazioni di riconoscimento, evitando una simmetria completa tra tutte le superfici laterali.
   7. Scegliere la superficie superiore del marcatore, fare clic su Schizzo > Testoe inserire un'etichetta di testo per aggiungere caratteristiche visive locali e facilitare il riconoscimento (denominata Schizzo 3).
   8. Scegliere Schizzo 3, fare clic su Caratteristiche > Sbavatura estrusae impostare la profondità di estrusione a 2 mm.
   9. Ripetere i passaggi precedenti per creare i quattro indicatori laterali corrispondenti alle superfici mesiale, distale, vestibolare e linguale.
   10. Fare clic su Salva e salvare ogni marcatore come file SLDPRT.
5. Assemblaggio dei marcatori di base e dei marcatori AR e conferma delle relazioni spaziali
   1. Utilizzando il software di modellazione 3D, fare clic su Nuovo > Assemblaggio > OK sulla pagina principale.
   2. Fare clic su Inserire i componenti, importare la base in cera per il tracciamento AR, la struttura di supporto stabilizzante e tutti i marcatori per il tracciamento degli oggetti tridimensionali.
   3. Fare clic su Accoppiamento funzione e applicazione Coincidenti, Parallele, Perpendicolario altre relazioni di accoppiamento per definire le posizioni spaziali tra i marcatori e la base.
   4. Fare clic su Salva con nome, selezionare STL formato e fare clic su Opzioni nella finestra.
   5. Conferma Salvare tutti i componenti di un assieme in un singolo file non è selezionato, fare clic su OK > Salva, esportare i singoli file STL dei componenti separatamente per l'importazione del modello e la configurazione delle relazioni spaziali nel software di realtà aumentata.

3. Stampa 3D e post-elaborazione dei modelli

NOTA: utilizzando la stampante e i parametri di stampa descritti in questo protocollo, la stampa di un set completo di modelli richiede circa 70 min.

1. Selezione dei materiali e configurazione della stampante (Figura 2C,D)
   1. Utilizzare un filamento in acido polilattico (PLA) di colore grigio opaco per ridurre i riflessi e facilitare il riconoscimento da parte della fotocamera di realtà aumentata.
   2. Utilizzare una stampante 3D FDM chiusa per controllare l'ambiente di stampa e migliorare la stabilità del processo. Regolare i parametri in base alle caratteristiche della stampante e del filamento.
   3. Importare il modello STL nel software di slicing. Determinare l'orientamento ottimale spostando, ruotando e selezionando la superficie di stampa per ridurre gli errori di stampa.
   4. Configurare i parametri di slicing utilizzando il software di slicing. I parametri possono essere adattati in base alla stampante e al materiale specifici.
2. Parametri di slicing consigliati
   1. Impostare il diametro della punta a 0,4 mm, la temperatura della punta a 220 °C e la temperatura del piano di stampa a 55 °C. Utilizzare un piano di stampa PEI texturizzato.
   2. Impostare l'altezza del layer a 0,2 mm, la densità di riempimento al 15% e la velocità di stampa a 50 mm/s per il primo strato, 200 mm/s per la parete esterna e 300 mm/s per la parete interna.
   3. Abilitare i supporti automatici ad albero in presenza di strutture sporgenti. Omettere le strutture di supporto se non sono presenti sbalzi. Abilitare il raffreddamento.
   4. Calibrare la stampante prima della stampa ed esaminare il colore e lo stato superficiale del filamento.
3. Post-elaborazione dei modelli stampati
   1. Dopo la stampa e il raffreddamento, rimuovere il piano di stampa e piegarlo delicatamente per staccare naturalmente il modello, proteggendo così la texture superficiale del piano.
   2. Rimuovere con cura le strutture di supporto utilizzando pinze a punta fine. Dopo aver rimosso i supporti, ispezionare il modello per verificare eventuali problemi di integrità o deformazioni. Se le aree di contatto con i supporti sono ruvide, levigarle delicatamente con carta vetrata o una lima per migliorare la stabilità della base.

4. Configurazione del software AR e registrazione virtuale-reale

NOTA: in questo protocollo, un software di realtà aumentata (AR) è stato utilizzato per importare il modello digitale standard del dente e generare la sovrapposizione virtuale-reale. Una telecamera RGB ad alta definizione è stata utilizzata per acquisire immagini RGB a 1080p a 30 fps. La funzione di rilevamento della profondità della telecamera non è stata utilizzata per il tracciamento o la registrazione (Figura 3A,B). L'importazione dei modelli virtuali nel software e l'impostazione del colore e della trasparenza del modello hanno richiesto meno di 1 minuto. Il processo di registrazione ha richiesto meno di 5 secondi, e la navigazione in tempo reale è stata ottenuta immediatamente dopo una registrazione riuscita.

1. Preparazione dell'hardware
   1. Accendere il computer e collegare la telecamera ad alta definizione tramite una porta USB 3.0. Verificare che il sistema riconosca la telecamera.
      ​NOTA: I parametri di calibrazione della telecamera sono stati predefiniti durante lo sviluppo del software e utilizzati per la registrazione di realtà aumentata (AR). Nessuna calibrazione aggiuntiva è richiesta durante l'uso successivo. Per altri sistemi di realtà aumentata, la calibrazione della telecamera deve essere eseguita ripetutamente in base ai requisiti del sistema.
2. Importazione del modello e impostazioni di visualizzazione
   1. Aprire il software di realtà aumentata (AR).
   2. Fare clic su Importa STL, selezionare la cartella contenente i file STL del modello digitale standard del dente e dei modelli dei marker AR, quindi importare i modelli necessari.
   3. Impostare il colore del modello dentale virtuale su bianco per ottenere un alto contrasto con il blocco di cera rossa e impostare la trasparenza a 0,4 per facilitare l'osservazione del rapporto tra lo strumento di intaglio e il contorno del modello dentale.
3. Avvio della navigazione e registrazione in realtà aumentata (AR)
   NOTA: Durante la registrazione, evitare di ostruire il marker con la mano o con gli strumenti di intaglio. Se il sistema non riesce a riconoscere il marker, rimuovere l'ostruzione e riposizionare la base in modo che il marker rientri chiaramente nel campo visivo della telecamera.
   1. Selezionare il marker AR e fare clic su Navigazione Virtuale > Navigazione Telecamera. Nella finestra popup, selezionare la telecamera da utilizzare e avviare la navigazione in realtà aumentata (AR).
   2. Posizionare il marker fisico per il tracciamento dell'oggetto tridimensionale al centro del campo visivo della telecamera, mantenendo una distanza operativa di circa 25 cm. Utilizzare uno sfondo non riflettente ed evitare illuminazione diretta intensa nell'area operativa per garantire un riconoscimento stabile del marker.
   3. Regolare l'angolo della telecamera in modo che l'asse ottico sia approssimativamente perpendicolare alla superficie del marker o formi un angolo obliquo di circa 30°–45°, in modo che il contorno del marker virtuale nel software si sovrapponga il più possibile al marker fisico per dimensione, orientamento e posizione.
      ​NOTA: Quando il marker virtuale si sovrappone strettamente al marker fisico, il sistema lo riconosce automaticamente e completa la registrazione, abilitando il tracciamento in tempo reale. Il contorno del marker virtuale passa dal rosso al verde e il modello dentale virtuale viene visualizzato secondo la sua relazione spaziale predefinita con il marker, sovrapponendosi stabilmente alla posizione corrispondente sul blocco di cera.
   4. Fare clic su Impostazioni Parametri per regolare la soglia di qualità del tracciamento.
      NOTA: Questa soglia viene utilizzata per determinare la qualità della corrispondenza tra il modello virtuale e la scena reale; la registrazione è considerata riuscita solo quando la corrispondenza delle caratteristiche e il livello di confidenza della localizzazione raggiungono la soglia preimpostata. In questo sistema, la soglia di qualità del tracciamento è stata impostata a 0,7 sulla base di ripetuti test preliminari. Questo valore è stato scelto perché consente un riconoscimento rapido mantenendo un tracciamento in tempo reale stabile e una registrazione coerente tra virtuale e reale. Soglie inferiori facilitano la registrazione del marker ma riducono la sua accuratezza, mentre soglie superiori aumentano la difficoltà e il tempo necessari per la registrazione del marker.

5. Procedura di intaglio dei denti assistita da realtà aumentata

1. Inserire il blocco di cera di dimensioni 25 mm × 25 mm × 50 mm nella cavità della base per blocco di cera con tracciamento AR. Assicurarsi che la base del blocco di cera sia completamente appoggiata sul fondo della cavità e che il blocco di cera sia stabile.
2. Avviare la navigazione AR. Determinare l'area e la direzione iniziali di taglio in base alla sovrapposizione tra il modello virtuale del dente e il blocco di cera. Ruotare lentamente la base per osservare il modello virtuale del dente da diverse angolazioni.
3. Osservare il modello virtuale del dente dalla direzione di visione corrispondente al marcatore tridimensionale riconosciuto per il tracciamento degli oggetti e dalle sue superfici adiacenti. Evitare di fare affidamento sulla superficie opposta, poiché potrebbe non essere visualizzata in modo stabile quando viene riconosciuto un solo marcatore.
4. Ruotare il supporto del blocco di cera per esporre il marcatore tridimensionale per il tracciamento degli oggetti mesiale, distale, vestibolare o linguale, secondo necessità. Nelle Impostazioni del modello, selezionare il marcatore corrispondente per cambiare la superficie di visualizzazione.
5. Regolare il colore e la trasparenza del modello virtuale del dente nelle Impostazioni del modello in base alla fase di osservazione.
6. Rimuovere qualsiasi mano o strumento che ostruisca il marcatore. Se il sistema non riesce a riconoscere il marcatore a causa di un'occlusione o di una rotazione rapida della base, regolare lentamente la posizione della base finché il marcatore non viene riconosciuto nuovamente, quindi proseguire con l'intaglio (Figura 3C,D).

Risultati

L'AR-ATCS ha riconosciuto con successo il marcatore tridimensionale per il tracciamento degli oggetti presente sulla base e ha sovrapposto in modo stabile il modello virtuale del dente alla posizione corrispondente sul blocco di cera in tempo reale. Il modello virtuale rappresentava accuratamente le principali strutture anatomiche, i confini morfologici e i contorni superficiali, inclusi i cuspidi, le fosse e i solchi, le creste marginali, i contorni delle superfici assiali e il profilo della corona. Quando la base veniva ruotata lentamente e il marcatore di tracciamento rimaneva privo di ostruzioni, la registrazione stabile tra il modello dentale virtuale e il blocco di cera veniva mantenuta. Ciò ha permesso la visualizzazione della morfologia dentale target da diverse prospettive, incluse le viste vestibolare, linguale, mesiale, distale e occlusale. Questi risultati dimostrano che il sistema fornisce un riferimento visivo tridimensionale continuo che facilita l'individuazione delle deviazioni morfologiche locali durante l'intaglio del dente.

Quando il marcatore di tracciamento era parzialmente ostruito dalla mano dell'operatore o dagli strumenti di intaglio, oppure quando la base veniva ruotata troppo rapidamente, il riconoscimento del marcatore veniva interrotto, causando la perdita della sovrapposizione del modello virtuale. Riposizionando la base e rimuovendo l'ostruzione, il riconoscimento del marcatore veniva ripristinato e la registrazione stabile tra virtuale e reale era ristabilita, consentendo la ripresa dell'intaglio.

È stata eseguita un'analisi della deviazione mediante sovrapposizione nel piano dell'immagine bidimensionale per valutare l'errore di sovrapposizione virtuale-reale. Per ogni prova di registrazione, la telecamera è stata fissata e la base per la modellazione del dente, dotata del marcatore per il tracciamento dell'oggetto, è stata spostata al centro del campo visivo della telecamera. Quando il contorno del marcatore virtuale si sovrapponeva approssimativamente al contorno del marcatore fisico, il sistema completava automaticamente la registrazione. Successivamente veniva acquisita un'immagine bidimensionale sovrapposta. Da ciascuna immagine acquisita venivano selezionati quattro punti fiduciali agli angoli della base per la modellazione del dente, e le corrispondenti coordinate fisiche e virtuali dei punti fiduciali venivano registrate (Figura 4). La distanza euclidea tra ciascuna coppia di punti fisico-virtuale è stata calcolata come deviazione della sovrapposizione bidimensionale. Per ogni superficie sono state effettuate 10 prove di registrazione ripetute, e in ogni prova sono state misurate quattro coppie corrispondenti di punti fiduciali fisico-virtuali. Pertanto, per ogni superficie sono state analizzate 40 coppie di punti, per un totale di 200 coppie di punti su cinque superfici. Per le superfici vestibolare, distale, mesiale e linguale, la registrazione è stata eseguita utilizzando il marcatore di tracciamento dell'oggetto corrispondente a ciascuna superficie. Per la superficie occlusale, la registrazione è stata inizialmente completata utilizzando i marcatori sulle altre superfici, quindi la base è stata ruotata per ottenere l'immagine sovrapposta nella vista occlusale. Questa rotazione aggiuntiva potrebbe aver contribuito alla maggiore deviazione osservata in questa vista. La deviazione media complessiva della sovrapposizione bidimensionale è stata di 0,679 ± 0,381 mm, con una deviazione RMS di 0,778 mm. La superficie occlusale ha mostrato la deviazione e la variabilità maggiori, mentre le superfici vestibolare, distale, mesiale e linguale hanno mostrato deviazioni di sovrapposizione minori (Tabella 1).

Il risultato della modellatura presentato qui è stato ottenuto da un singolo studente che aveva recentemente completato un corso di anatomia dentale e aveva eseguito la procedura di modellatura del dente entro 2 ore, sotto la guida continua del sistema AR-ATCS; pertanto, l'analisi della deviazione quantitativa rappresenta dati provenienti da un singolo campione. L'analisi tridimensionale della deviazione è stata eseguita confrontando il modello del dente modellato scansionato con il modello dentale standard. Utilizzando una tolleranza predefinita di ±0,5 mm, il 52,26% dei punti della superficie è risultato compreso in questo intervallo. La deviazione media con segno era di 0,1025 mm, mentre la deviazione quadratica media (RMS) era di 0,7434 mm. Le deviazioni massime positive e negative erano rispettivamente +1,9275 mm e −1,9272 mm. La mappa cromatica della deviazione ha indicato che le maggiori discrepanze morfologiche erano localizzate principalmente sulla superficie occlusale e in alcune regioni del contorno assiale (Figura 5). Questi valori di deviazione rappresentano la discrepanza cumulativa tra il modello finale del dente modellato e il modello dentale standard, dopo la scansione tridimensionale e l'allineamento dei modelli, piuttosto che misurazioni isolate degli errori di modellatura, di registrazione AR o di scansione.

Questi risultati preliminari, ottenuti da un singolo campione, confermano la fattibilità tecnica del flusso di lavoro AR-ATCS. Durante la procedura di scolpitura del dente osservata, il sistema ha mantenuto un sovrapposizione in tempo reale del modello dentale virtuale sul blocco di cera fisico, fornendo un riferimento tridimensionale per la morfologia del dente e le caratteristiche anatomiche correlate.

Figura 1: Preparazione del modello digitale standard del dente in cera. (A) Scansione tridimensionale del dente in cera standard. (B) Dati iniziali della scansione del dente in cera standard e delle strutture circostanti. (C) Modello digitale del dente standard elaborato dopo il ritaglio e l'ottimizzazione della superficie. (D) Il modello del dente standard è stato allineato con la base virtuale del blocco di cera per definirne la posizione spaziale nel sistema di realtà aumentata. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2: Progettazione e fabbricazione della base portante per il blocco di cera. (A) Modello progettuale tridimensionale della base portante per il blocco di cera e del marcatore di tracciamento dell'oggetto progettato separatamente. (B) Configurazione della relazione spaziale tra il modello digitale standard del dente e la base portante per il blocco di cera. (C) Base portante per il blocco di cera stampata in 3D con il marcatore di tracciamento dell'oggetto stampato separatamente. (D) Il blocco di cera è montato sulla base portante stampata in 3D per la successiva modellazione del dente assistita da realtà aumentata.

Figura 3: Flusso di lavoro della modellazione dentale assistita da realtà aumentata. (A) Interfaccia del software di navigazione a realtà aumentata che mostra il modello digitale standard del dente importato e un marcatore tridimensionale per il rilevamento dell'oggetto. (B) Dopo aver riconosciuto il marcatore tridimensionale sulla base, il sistema sovrappone in tempo reale il modello virtuale del dente standard alla posizione corrispondente del blocco di cera fisico. (C) La modellazione iniziale del dente viene eseguita sotto guida AR utilizzando il modello dentale virtuale come riferimento morfologico tridimensionale. (D) Vengono effettuati aggiustamenti fini delle strutture anatomiche locali, compresi cuspidi, fosse e solchi, creste marginali e contorni delle superfici assiali, sempre sotto guida AR. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4: Misurazione della deviazione del sovraimpressione nel piano bidimensionale dopo la registrazione AR. Dopo la registrazione AR automatica, è stata acquisita un'immagine bidimensionale sovrapposta. P1–P4 indicano i quattro punti di riferimento agli angoli selezionati sulla base fisica per la modellatura del dente, mentre P1′–P4′ indicano i corrispondenti punti di riferimento selezionati sul sovraimpressione virtuale. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 5Analisi tridimensionale della deviazione del modello dentale intagliato rispetto al modello dentale standard. Vengono mostrate mappe tridimensionali delle deviazioni dalla vista vestibolare (A), vista linguale (B), vista occlusale (C), vista mediale (D) e vista distale (E). Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Superficie	Coppie di punti, n	Media ± DS (mm)	Deviazione quadratica media (mm)	Min (mm)	Max (mm)
Superficie vestibolare	40	0.711 ± 0.226	0.745	0.235	1.174
Superficie distale	40	0.489 ± 0.156	0.513	0.146	0.913
Superficie mesiale	40	0.510 ± 0.207	0.549	0.194	0.856
Superficie linguale	40	0.540 ± 0.262	0.599	0.181	1.098
Superficie occlusale	40	1.145 ± 0.494	1.245	0.27	2.401
Totale	200	0.679 ± 0.381	0.778	0.146	2.401

Tabella 1: Deviazione del sovrapposizione nel piano immagine bidimensionale della registrazione virtuale-reale in realtà aumentata.

Discussione

L'insegnamento dell'anatomia dentale si è evoluto nel tempo, adottando un modello didattico classico che combina istruzione teorica e formazione pratica. Una comprensione accurata della morfologia anatomica del dente rappresenta un fondamento importante per la pratica clinica odontoiatrica, in particolare nelle procedure relative al trattamento protesico, al trattamento endodontico, alla ricostruzione occlusale e al ripristino implantare. Pertanto, i ricercatori hanno continuamente esplorato nuovi metodi e tecnologie didattiche per sostenere l'acquisizione di sistemi di conoscenze anatomiche. Studi precedenti hanno principalmente migliorato l'insegnamento dell'anatomia dentale ottimizzando i metodi didattici ed esplorando l'applicabilità di diversi materiali per la modellatura. Con lo sviluppo delle tecnologie digitali, la scansione tridimensionale, la ricostruzione tridimensionale, la stampa 3D, la realtà virtuale e la realtà aumentata si sono gradualmente estese dalle applicazioni cliniche all'educazione medica, fornendo nuovi strumenti agli studenti per comprendere strutture tridimensionali complesse¹⁵. In futuro, con l'evoluzione dell'intelligenza artificiale e del calcolo mobile, ci si aspetta che queste tecnologie vengano integrate nell'insegnamento quotidiano in modo più economico e conveniente.

In questo sistema, il modello dentale standard può essere riutilizzato. I marcatori per il tracciamento tridimensionale degli oggetti possono essere progettati mediante software di modellazione 3D e le loro relazioni spaziali possono essere determinate prima di essere direttamente importati nel software di realtà aumentata (AR). L'intero flusso di lavoro può quindi essere completato stampando in 3D la base per l'intaglio del dente. Vale la pena notare che l'uso di modelli dentali stampati in 3D come riferimenti fisici per la formazione all'intaglio dei denti ha dimostrato un valore educativo, con vantaggi quali costi ridotti, morfologia intuitiva e possibilità di osservazione ripetuta. Tuttavia, la tecnologia AR offre una navigazione visiva in tempo reale, fornendo un riferimento visivo tridimensionale rotabile e con trasparenza regolabile in tempo reale nell'ambiente effettivo di intaglio del blocco di cera¹³. Con il proseguimento dello sviluppo tecnologico, ci si aspetta che la AR venga applicata all'istruzione in una forma più economica, semplice e conveniente. Pertanto, l'insegnamento assistito dalla AR ha un notevole potenziale di ulteriore sviluppo.

Per i sistemi di realtà aumentata (AR), la qualità della visualizzazione, la stabilità del tracciamento e l'accuratezza della registrazione sono fattori tecnici chiave che determinano l'affidabilità della sovrapposizione tra virtuale e reale e l'esperienza dell'utente¹⁶. Studi precedenti hanno esplorato l'uso dei sistemi AR per l'insegnamento dell'intaglio dentale, ma la maggior parte ha adottato il tracciamento basato su immagini^5,13. Al contrario, il sistema attuale utilizza il tracciamento tridimensionale di oggetti. Il tracciamento mediante marcatori immagine offre una preparazione semplice, costi ridotti e un'implementazione agevole, garantendo un riconoscimento stabile quando il marcatore è chiaramente visibile e all'interno di un angolo di visione appropriato. Durante l'intaglio del dente, il blocco di cera deve spesso essere ruotato in modo che l'operatore possa osservare la morfologia dentale desiderata da diversi angoli. In tali condizioni, un marcatore immagine potrebbe non rimanere completamente visibile all'interno del campo visivo della telecamera, interrompendo il riconoscimento del marcatore e limitando la continuità della guida AR in tempo reale. Rispetto al tracciamento basato su immagini, che si basa principalmente su marcatori piani, il tracciamento tridimensionale di oggetti stima la posa spaziale dell'oggetto in base al suo contorno geometrico e alle sue caratteristiche visive naturali. Ciò consente al sistema di registrare il modello dentale virtuale rispetto al blocco fisico di cera da diversi angoli di osservazione, avvicinandosi maggiormente allo scenario reale di intaglio dentale, in cui l'operatore deve ruotare e osservare il blocco di cera durante l'esercitazione. Tuttavia, questo approccio richiede solitamente un modello CAD o un modello tridimensionale ottenuto mediante scansione, seguito da stampa 3D e assemblaggio, aumentando così la complessità della preparazione del modello rispetto al tracciamento mediante marcatori piani. Pertanto, una strategia pratica consiste nel fissare il blocco di cera su una base dotata di strutture geometriche e caratteristiche visive ben definite. Basandosi su questo metodo di tracciamento, il sistema ottimizza la strategia di tracciamento sfruttando marcatori assemblati nella base per visualizzare il modello dentale virtuale all'interno di un campo visivo rettangolare. Durante l'iterazione del sistema, è stata aggiunta una funzione di regolazione della soglia di registrazione per bilanciare sensibilità del riconoscimento e accuratezza della sovrapposizione. Una soglia più bassa migliora il successo del riconoscimento ma può ridurre la stabilità della sovrapposizione, mentre una soglia più alta migliora l'accuratezza della registrazione ma può aumentare la difficoltà di riconoscimento. Inoltre, l'interfaccia di tracciamento consente agli utenti di cambiare in tempo reale i modelli di tracciamento e regolarne la trasparenza, semplificando così l'operazione.

Tuttavia, questo sistema presenta ancora diverse limitazioni. In primo luogo, l'attuale sistema si basa su un computer e su una telecamera esterna ad alta definizione. La connessione dei dispositivi e la disposizione spaziale sono relativamente complesse, il che ne limita l'applicazione nell'insegnamento a classi numerose. Per ridurre i costi e migliorare l'accessibilità, sono in corso lavori per adattare il sistema a dispositivi mobili come tablet e smartphone. In secondo luogo, le prestazioni di riconoscimento sono influenzate dall'illuminazione, dall'angolo della telecamera, dall'occlusione del marker e dalla velocità di rotazione della base. Quando il marker è parzialmente oscurato o la base ruota troppo velocemente, il sistema potrebbe non riuscire a riconoscerlo, ed è necessario ri-esporre il marker affinché il riconoscimento venga ripristinato. Un'altra limitazione di questo protocollo è che sono stati utilizzati diversi pacchetti software commerciali o personalizzati per la progettazione del modello, l'elaborazione della mesh e la registrazione della realtà aumentata (AR). Alcune funzioni potrebbero essere parzialmente sostituite da alternative open source o a basso costo. Ad esempio, FreeCAD o Blender potrebbero essere utilizzati per la progettazione e la modifica di modelli tridimensionali, mentre MeshLab o CloudCompare potrebbero essere impiegati per l'elaborazione della mesh. Inoltre, Unity abbinato a Vuforia Engine potrebbe fornire un framework di sviluppo potenziale per la realtà aumentata basata sul riconoscimento di oggetti tridimensionali, come il tracciamento basato su modelli-target. Tuttavia, la riproduzione del flusso di lavoro AR utilizzato in questo protocollo richiederebbe comunque ulteriore sviluppo software, ottimizzazione dei parametri e validazione. Pertanto, sebbene i passaggi di modellazione e di elaborazione della mesh possano essere parzialmente riprodotti utilizzando software alternativi, il modulo di tracciamento e registrazione AR implementato in questo protocollo non può essere direttamente sostituito da un pacchetto open source esistente senza ulteriore sviluppo e validazione.

Infine, l'analisi della deviazione nel sovrapposizione del piano immagine bidimensionale può riflettere solo parzialmente la precisione del sistema in termini di sovrapposizione. Poiché l'intaglio dei denti è una procedura tridimensionale, i dati attuali non possono dimostrare pienamente la precisione di registrazione tridimensionale necessaria per una formazione accurata nell'intaglio dentale. Gli effetti dell'occlusione dei marker, dell'angolazione della telecamera, dell'illuminazione e della velocità di rotazione sulle prestazioni di registrazione non sono stati valutati separatamente. Pertanto, non è ancora chiaro se il sistema offra una precisione sufficiente per guidare efficacemente l'intaglio fine dei denti. Infine, questo studio ha completato soltanto una validazione del flusso di lavoro su un singolo campione, e la sua capacità di migliorare la qualità dell'intaglio e i risultati di apprendimento degli studenti deve ancora essere confermata attraverso studi controllati su larga scala.

In sintesi, questo studio propone un protocollo di intaglio dentale assistito da realtà aumentata basato sul tracciamento di oggetti tridimensionali. I risultati di validazione su un singolo campione suggeriscono che questo flusso di lavoro può realizzare una sovrapposizione in realtà aumentata tra il modello dentale standard e la scena operativa fisica del blocco di cera, fornendo un riferimento visivo tridimensionale intuitivo per la formazione nell'intaglio dentale. Sebbene i risultati attuali non possano dimostrare direttamente che il suo effetto educativo sia superiore a quello dei metodi tradizionali, questo protocollo dimostra la fattibilità e il valore di ulteriori ricerche sull'applicazione della tecnologia AR alla formazione nell'intaglio dentale. Con i progressi dei dispositivi mobili, degli algoritmi di riconoscimento tridimensionale e dell'intelligenza artificiale, l'insegnamento dell'intaglio dentale assistito da realtà aumentata potrebbe essere integrato nell'insegnamento dei laboratori odontotecnici in modo più economico, conveniente e scalabile.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Scanner 3D	SHINING 3D	AutoScanEPCG-BD032G26	Utilizzato per la scansione tridimensionale del dente in cera standard.
Telecamera	Intal RealSense	D415	Utilizzata per acquisire il campo visivo in tempo reale per il riconoscimento del marcatore oggetto tridimensionale.
Strumento per intaglio della cera dentale			Intagliare il blocco di cera.
E3D CMF	Hunan Liuwei Jinghang Digital Technology Co., Ltd., Hunan, Cina.	https://www.e3d-med.com/	Software di navigazione AR.
Stampante 3D FDM	Bambu Lab	31B8BP631300564	Utilizzata per fabbricare la base del portablocco di cera e il marcatore per il tracciamento dell'oggetto tridimensionale.
Geomagic Wrap	3D Systems Corporation	versione 2021	Utilizzato per elaborare i dati della scansione tridimensionale del dente in cera standard.
Filamento PLA	Bambu Lab	10105	Utilizzato per la stampa 3D FDM.
SOLIDWORKS	Dassault Systèmes	versione 2025	Utilizzato per la modellazione tridimensionale della base del portablocco di cera e del marcatore per il tracciamento dell'oggetto.
Blocco di cera			Pratica di intaglio del dente.