方法論記事

歯科教育における歯牙形態製作訓練のための拡張現実支援システム

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DOI：

10.3791/73392

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2026年8月18日

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1Department of Oral and Maxillofacial Surgery, The Affiliated Stomatology Hospital, Kunming Medical University, 2Yunnan Key Laboratory of Stomatology, School of Stomatology, Kunming Medical University, 3Digital Center of Stomatology, The Affiliated Stomatology Hospital, Kunming Medical University

この記事について

サマリー

拡張現実支援型歯牙形態形成システム（AR-ATCS）は、3Dオブジェクトマーカーを認識して仮想的な歯のモデルを実際のワックスブロックに重ね合わせることで、歯牙形態形成を学ぶ歯科学生の初心者に3次元的な視覚的リファレンスを提供します。

要約

本プロトコルの目的は、拡張現実（AR）支援型歯牙彫刻システム（AR-ATCS）の開発と適用により、歯科解剖学教育を強化することである。歯の形態学は歯科教育の基盤であり、学生は、修復歯科や根管治療などの臨床処置に不可欠な複雑な三次元（3D）解剖学的構造および機能的な指標を習得する必要がある。従来、これらのスキルはワックスブロックを用いた彫刻演習を通じて習得されてきたが、この手法は指導効率が低く、また学生が教科書の二次元（2D）図解を三次元の物理的構造に変換しようとする際に、大きな認知的ギャップが生じることが多い。これらの課題を解決するため、本プロトコルでは、手作業による歯牙彫刻トレーニングへのAR技術の統合について述べる。本システムは、3Dオブジェクトトラッキングとコンピュータビジョンアルゴリズムを用いて、高精度な仮想3D歯牙モデルを物理的な作業スペースに重ね合わせて表示する。モバイルデバイスのカメラで専用のトラッキングマーカーを認識することで、システムはデジタルガイドを適切なスケールと方向でワックスブロック上に直接投影する。この仮想と物理の整合により、学生は目標とする歯牙形態をリアルタイムで可視化し、彫刻の進行に伴う偏差を即座に特定することが可能となる。本プロトコルでは、AR環境の構築、仮想モデルと物理材料の整合、およびセルフガイド型トレーニングツールとしてのシステム利用に関する詳細なワークフローを提供する。インタラクティブで多角的な視覚的フィードバックを提供することで、本システムは指導者による継続的なデモンストレーションへの依存度を下げ、不可逆的な彫刻ミスの影響を最小限に抑える。総じて、このAR支援アプローチは、初心者の歯牙彫刻をサポートし、歯牙形態の練習に向けたより効率的な枠組みを提供することで、従来の歯科解剖学トレーニングを補完する視覚的ガイダンスツールとなる。

概要

歯の形態学は歯科教育の中核となる構成要素であり、学生が歯の解剖学的形態とその三次元的な構造的特徴を体系的に理解することを目的としています1,2。歯の形態彫刻実習は、歯の形態学教育の重要な一部であり、学生の歯の解剖学に対する習熟度を反映させるだけでなく、手先の器用さと操作技術を訓練するものでもあります3,4。これは、臨床実習、特に補綴治療における不可欠な基礎となります2,5。

従来の歯牙形態彫刻トレーニングは通常、指導者の指導の下で行われ、学生はワックスや石鹸ブロックを用いて前歯および臼歯の解剖学的形態を彫刻します3,5。しかし、指導者数と学生数の不均衡により、限られた教育期間内に十分な個別指導を提供することが困難となっています4,5。さらに、学生は2次元の画像を3次元の形態に変換する際に相当な認知的困難を感じることが多く、これが学習効率と教育効果の両方を低下させる可能性があります2,5,6。

近年、デジタル技術の急速な発展に伴い、3Dプリンティング、拡張現実（AR）、仮想現実（VR）などのデジタルアプローチが、医学解剖学教育や歯科技工教育に徐々に導入されています6,7,8,9。これらの技術は、従来の2次元アトラス、物理モデルの観察、教員による実演における空間提示の限界を克服し、学生に、より直感的かつ動的で立体的な学習体験を提供します5,6,9。

拡張現実（AR）は、コンピュータで生成された仮想情報を現実の環境にリアルタイムで重ね合わせることで、仮想と現実の融合およびヒューマンコンピュータインタラクションを実現する可視化技術である。現実世界のシナリオに3次元データと空間情報を補完することで、ARは複雑な空間構造に対する観察者の知覚を拡張させることができる10,11。この特性により、ARは空間的理解と手と目の協調性が求められる実践的な教育シナリオに特に適している。現在、AR技術は解剖学教育に試験的に導入されており、肯定的なフィードバックが得られている11,12,13。教育現場だけでなく、ARは臨床歯科にも応用されている。例えば、MacrìらはAR支援による埋伏歯の外科的露出について報告し、ARベースの空間レジストレーションとリアルタイムの仮想・現実オーバーレイが口腔外科ナビゲーションに適用可能であることを示した14。この臨床応用は、歯科形態学トレーニングへのARガイドによる空間可視化の導入を後押しするさらなる根拠となる。

本プロトコルでは、練習中に継続的かつ直感的な3次元の視覚的リファレンスを学生に提供することで、歯牙形態修得のためのカービングトレーニングを支援するAR技術を使用しました。これは、従来の指導者による指導を補完するものとなり得ます。この目的のために、AR支援型歯牙カービングシステムが共同開発されました。このシステムは主に、ARソフトウェア、高精細カメラ、ワックスブロック固定用ベース、および個別に作製された4つの3次元オブジェクトトラッキングマーカーで構成されています。マーカーは固定用ベースに取り付けられ、ベースはワックスブロックをあらかじめ定義された位置に保持します。動作時、システムはカメラを通じて実際の作業領域の画像をキャプチャします。ベース上の3次元オブジェクトマーカーが認識されると、仮想的な歯牙モデルがディスプレイインターフェース上のワックスブロックの対応する位置にリアルタイムで重畳され、これにより学生にカービングのための視覚的リファレンスが提供されます。

本システムに基づき、単一サンプルの検証を実施した。歯科解剖学コースを修了した学生が、提案されたAR支援プロトコルの指導の下で歯の彫刻手順を行った。その後、彫刻された歯をスキャンして3次元モデルとして処理し、標準歯モデルと比較することで客観的な形態偏差解析を行った。この予備的な単一サンプルの結果から、歯科形態学習の補助ツールとしてAR-ATCSを利用することの実現可能性が示唆された。

プロトコル

1. 標準デジタル歯モデルの構築

注：本プロトコルでは、AR支援による歯冠形成ワークフローの実現可能性を示すため、左下顎第一大臼歯を標的歯として使用しました。他の部位の歯については、対応する標準歯のデジタルモデルをインポートし、3次元オブジェクトマーカーとの空間的関係を再定義することで、本ワークフローを適用できます。この手順には約10分かかります。

  1. 標準歯模型の口腔内スキャン
    1. 標準歯モデルを準備する。
      注：本プロトコルでは、25 mm × 25 mm × 50 mmのワックスブロックに対応した標準的な歯牙モデルを使用してください。
    2. 反射によるスキャン誤差を低減するため、標準歯模型の表面にスキャンパウダーまたは反射防止スプレーを薄く均一に塗布してください。
    3. 準備した標準歯牙モデルを、チャンバー型3次元スキャナー（24MPのデュアルカメラを搭載し、走査精度を備えたもの）のホルダーに設置し、固定します。 <10 µm）。モデルが安定し、目的のスキャン領域が完全に露出していることを確認してください（図1A).
    4. 3Dスキャンソフトウェアを開き、新規オーダーを作成して、対象となる歯の位置に従って名前を付けてください。スキャン設定を確認し、クリックします。 オン スキャン開始.
    5. スキャン後、デジタルモデルの完全性を検査します。明らかな欠陥が認められない場合は、スキャンしたモデルをSTL形式でエクスポートし、単位をミリメートル（mm）に設定します。図 1B).
  2. スキャンされた歯牙モデルのセグメンテーションおよび処理（図1C)
    1. 3Dスキャンデータ処理ソフトウェアを開きます。
    2. クリックして ファイル > 開く標準歯模型のSTLファイルを選択し、[クリック]してください。 開く.
    3. ユニット選択ウィンドウで、以下を選択します。 ミリメートル をクリックします 承知いたしました。翻訳対象のテキストをご提示ください。.
    4. クリックしてください 多角形 > トリミング > カンナによるトリミング切断面の位置を手動で調整し、計画した歯根切断レベルに合わせます。
    5. 切断領域を確認し、クリックします。 交差平面 > 選択範囲を削除 > 近接交差 > 承知いたしました。翻訳対象となる原文をご提示ください。 余分な根の部分を除去して開いた境界線を閉じ、水密性の標準デジタル歯モデルを得ます。
    6. クリックして ファイル > 保存 そして選択し STL (バイナリ) ファイル (*.STL）を「ファイル形式」リストから選択します。
  3. 標準歯型モデルベースの作製（図1D)
    ​注：このステップは、標準デジタル歯牙モデルに規則的なベースを構築し、それによって標準モデル、ワックスブロック、およびARトラッキングベースの間の安定した空間的関係を確立するために行います。メニューオプションの正確な名称は、ソフトウェアのバージョンによって若干異なる場合があります。
    1. 3Dモデリングソフトウェアを起動します。
    2. クリックしてください ファイル > オープン そして、標準的なデジタル歯型モデルのSTLファイルを選択します。
    3. クリックしてください オプション, import as 固体組織 または 表面体、そして選択します 単一の面で境界付けられたメッシュボディの作成 > ファセットを面にグループ化する、そして～をクリックします 承知いたしました。翻訳対象となる原文をご提示ください。 および 開くこれにより、歯モデル底部にある三角形のファセットを、比較的完全な参照面として認識できるようになります。
    4. モデルベースの中心点を設定します。歯列モデルの底面を選択し、［ ］をクリックして 特徴 > ポイント > 顔面中央部 > 翻訳を開始します。原文を入力してください。 中心点（名称： ポイント1).
    5. 歯モデルの底面をスケッチ平面として選択し、クリックします。 スケッチ > 中央長方形、〜を中心とした長方形を描画します。 ポイント1、そしてをクリックします スマートディメンション 長方形を25 mm × 25 mmに設定します。[ ]をクリックしてください。 スケッチの終了 （命名された スケッチ 1).
    6. 選択 スケッチ 1「機能」タブで、以下をクリックします。 押し出しボス／ベース～の下で 方向1選択 盲検化、深度を20 mmに設定し、をクリックします。 翻訳を開始します。翻訳対象となる原文をご提示ください。 標準的な歯型モデルのベースを生成するために。

2. ワックスブロックホルダーおよびARトラッキングベースの設計

注：3次元オブジェクト追跡マーカーおよびAR追跡用ワックスブロックベースはカスタムコンポーネントです。これらの設計は、設計目的やモデリング戦略によって異なる場合があります。したがって、本プロトコルで説明しているベースは唯一の設計案ではなく、ワックスブロックの固定、マーカーの認識、および操作上の快適性が維持されるのであれば、変更が可能です。このステップには約30分かかります。

  1. ワックスブロック凹部の設計（図2A,B)
    1. 3Dモデリングソフトウェアを使用して、以下をクリックします。 新規 > パート > 承知いたしました。翻訳対象となる原文をご提示ください。 ホームページ上で。
    2. 選択してください 上面 をクリックし、 スケッチをクリックします。 中央の長方形 そして、～を中心にして最初のスケッチを描きます。 起源.
    3. クリックして スマートディメンション 正方形を 40 mm × 40 mm に設定するには、次をクリックします。 出口次元 （命名された スケッチ 1).
    4. 選択 スケッチ 1、をクリックして 特徴 > 押し出しボス／ベース、～の下で 方向1、選択してください 盲検化, そして、深さ（Depth）を32.5 mmに設定し、40 mm × 40 mm × 32.5 mmの直方体（名称は ボス – エクストルード 1).
    5. 直方体の上面を選択し、クリックします。 スケッチ > 中央の長方形、そして中心に初期スケッチを作成します。 起源次に、〜をクリックします。 スマートディメンション 長方形のサイズを25.2 mm × 25.2 mmに設定します（名称はSketch 2とします）。このサイズは、約0.2 mmの組み立て公差を持たせて、25 mm × 25 mmのワックスブロックを収容するためのものです。
    6. 選択 スケッチ 2、をクリックして 特長 > 押し出しカット、切削深さを20 mmに設定し、ワックスブロック用の凹部を作成します。
  2. 3次元物体トラッキングマーカー用ネガティブソケットの設計
    1. 直方体の垂直面のいずれか1面を選択してクリックします。 スケッチ > 中央長方形、選択した面に長方形を描き、クリックします。 スマートディメンション、これを5.2 mm × 5.2 mmに設定します（名称は スケッチ 3).
    2. クリックしてください 特徴 > 押し出しカット、選択してください スケッチ 3、切削深さを5 mmに設定する。
    3. 上記の手順を繰り返し、4つの垂直面にソケットを作成します。底面のソケットについては、スケッチサイズを10.2 mm × 10.2 mm、カット深さを10 mmに設定してください。
    4. クリックして 保存 そして、ワックスブロックホルダーを～として保存します。 SLDPRT ファイル
  3. ベースの安定性とカービングの快適性を考慮した設計
    1. 3Dモデリングソフトウェアを使用して、～をクリックします。 新規 > パート > 翻訳を開始してください。ソーステキストをご提示いただければ、指示に従い、研究者や学生向けの適切で自然な学術的日本語に翻訳いたします。 ホームページ上に。
    2. 選択してください 上面 をクリックし、 概説 > 円、中心に直径80 mmの円を描きます。 起点 （Sと命名された）スケッチ 1).
    3. スケッチ1を選択し、クリックします。 特徴 > 押し出しボス／ベース、深さを5 mmに設定して、円形の安定化プレートを作成します。
    4. クリックしてください 右平面 そして、～を用いて直角二等辺三角形を描きます。 起源 斜辺の中点、辺の長さ40 mm、および45°の角度を指定してスケッチ（名称： スケッチ 2).
    5. 選択 スケッチ 2、をクリックしてください 特徴 > 押し出しボス／ベース、選択してください 中間面 「方向（Direction）」に従い、深さを40 mmに設定して、45°の傾斜構造（名称： ボス押し出し 2).
    6. 傾斜面を選択し、クリックします。 概説> 中央長方形、10 mm × 10 mmの中央長方形を描き、～をクリックします 押出成形ボス/ベース そして、深さを10 mmに設定し、ベースへの支持コネクタを作成します。
    7. クリックして 保存 そして、安定化支持構造をSLDPRTファイルとして保存します。
  4. 三次元物体追跡マーカーの設計
    ​注：マーカーは、3次元物体の認識および追跡の安定性を向上させるため、剛性のある構造、安定した表面特徴、および十分な幾何学的複雑さを備えている必要があります。
    1. 3Dモデリングソフトウェアを使用して、以下をクリックします。 新規 > パート > 翻訳を開始してください。ソーステキストをご提示いただければ、指示に従って専門的な日本語に翻訳いたします。 ホームページにて。
    2. 選択してください 上面 をクリックし、 スケッチ > 多角形、原点を中心とする正六角形を描き、～をクリックしてください。 スマートディメンション、辺の長さを7.5 mmに設定し（名称を スケッチ 1).
    3. 選択 スケッチ 1、をクリックして 特徴 > 押し出しボス／ベース、深さを10 mmに設定します。
    4. 底面を選択し、クリックします。 スケッチ> 中央長方形、5 mm × 5 mm の中心矩形（名称： スケッチ 2).
    5. 選択 スケッチ 2、をクリックして 特徴 > 押し出しボス／ベース、深さを5 mmに設定し、ベースのネガティブソケットに適合するピンを形成します。
    6. 使用して 草案 上面を中立面（Neutral Plane）として機能させます。各側面を抜き勾配面（Draft Plane）として選択し、幾何学的特徴の非対称性を高めるために、各面に異なる抜き勾配角度を適用します。すべての側面で完全な対称になることを避けながら、認識性能に基づいて抜き勾配角度を調整してください。
    7. マーカーの上端を選択し、クリックしてください。 スケッチ > テキスト、テキストラベルを入力して局所的な視覚的特徴を追加し、認識を補助します（名称： スケッチ 3).
    8. 選択してください スケッチ 3をクリックして 特徴 > 押し出しボス／ベース、押し出し深さを2 mmに設定します。
    9. 上記の手順を繰り返し、近心面、遠心面、頬側面、および舌側面に対応する4つのサイドマーカーを作成します。
    10. クリックして 保存 そして、各マーカーをSLDPRTファイルとして保存します。
  5. ベースとARマーカーの組み立ておよび空間的関係の確認
    1. 3Dモデリングソフトを使用して、〜をクリックします。 新規 > 組み立て > 翻訳対象のテキストをご提示ください。 ホームページにて。
    2. クリックしてください コンポーネントの挿入ARトラッキング用ワックスブロックベース、安定化支持構造、およびすべての3次元オブジェクトトラッキングマーカーをインポートします。
    3. クリックしてください 交配 機能と適用 一致、平行、垂直、またはその他の嵌合関係を用いて、マーカーとベースの間の空間的な位置を定義します。
    4. クリックして 名前を付けて保存、選択 STL 形式を選択し、クリックします。 オプション ウィンドウ内。
    5. 確認 アセンブリのすべての構成要素を単一のファイルに保存する 選択されていない場合は、〜をクリックしてください 承知いたしました。翻訳対象のテキストをご提示ください。 > 保存、モデルのインポートおよびARソフトウェアでの空間関係の設定を行うため、個々の構成部品のSTLファイルを個別にエクスポートしてください。

3. モデルの3Dプリンティングおよび後処理

注：本プロトコルに記載されたプリンターおよび印刷パラメータを使用した場合、全モデルセットの印刷には約70 minかかります。

  1. 材料の選択とプリンターの設定 (図 2C,D)
    1. 反射を抑え、ARカメラでの認識を容易にするため、印刷にはマットグレーのポリ乳酸 (PLA) フィラメントを使用する。
    2. 印刷環境を制御し、印刷の安定性を向上させるために、エンクロージャー付きのFDM 3Dプリンターを使用する。プリンターおよびフィラメントの特性に合わせてパラメータを調整する。
    3. スライシングソフトウェアにSTLモデルをインポートする。移動、回転、および印刷面の選択を行い、印刷エラーを減らすための最適な方向を決定する。
    4. スライシングソフトウェアを使用してスライスパラメータを設定する。パラメータは、使用するプリンターや材料に応じて調整してよい。
  2. 推奨スライスパラメータ
    1. ノズル径を0.4 mm、ノズル温度を220 °C、ビルドプレート温度を55 °Cに設定する。テクスチャ付きPEIビルドプレートを使用する。
    2. 積層ピッチを0.2 mm、インフィル密度を15%に設定し、印刷速度を第1層は50 mm/s、外壁は200 mm/s、内壁は300 mm/sに設定する。
    3. オーバーハング構造がある場合は、自動ツリーサポートを有効にする。オーバーハングがない場合は、サポート構造を省略する。冷却機能を有効にする。
    4. 印刷前にプリンターのキャリブレーションを行い、フィラメントの色と表面状態を確認する。
  3. 印刷済みモデルの後処理
    1. 印刷および冷却後、ビルドプレートを取り出し、プレートを軽く曲げてモデルを自然に剥がすことで、ビルドプレートの表面テクスチャを保護する。
    2. ラジオペンチを使用して、サポート構造を慎重に取り除く。サポート除去後、モデルに完全性の問題や変形がないか検査する。サポート接触面が粗い場合は、サンドペーパーややすりで軽く研磨し、底面の安定性を向上させる。

4. ARソフトウェアのセットアップと仮想・現実のレジストレーション

注記：本プロトコルでは、標準的なデジタル歯モデルをインポートし、仮想・現実のオーバーレイを生成するために拡張現実（AR）ソフトウェアを使用した。1080pのRGB画像を30 fpsでキャプチャするために、高精細RGBカメラを使用した。トラッキングやレジストレーションには、カメラの深度センシング機能は使用しなかった（図3A、B）。ソフトウェアへの仮想モデルのインポート、およびモデルの色と透明度の設定には1分未満を要した。レジストレーションプロセスには5秒未満を要し、レジストレーション成功後すぐにリアルタイムナビゲーションが実現した。

  1. ハードウェアの準備
    1. コンピュータの電源を入れ、USB 3.0ポートを介して高精細カメラを接続します。システムでカメラが認識されていることを確認してください。
      ​注：カメラのキャリブレーションパラメータはソフトウェア開発時に事前定義されており、ARレジストレーションに使用されました。その後の使用において追加のキャリブレーションは不要でした。他のARシステムでは、システム要件に従って繰り返しカメラキャリブレーションを行う必要があります。
  2. モデルのインポートと表示設定
    1. ARソフトウェアを起動します。
    2. Import STLをクリックし、標準的なデジタル歯牙モデルおよびARマーカーモデルのSTLファイルが含まれているフォルダを選択して、必要なモデルをインポートします。
    3. 赤いワックスブロックとのコントラストを高めるため、仮想歯牙モデルを白色に設定し、また、彫刻器具と歯牙モデルの境界との関係を観察しやすくするため、透明度を0.4に設定します。
  3. ARナビゲーションの開始とレジストレーション
    注：レジストレーション中は、手や彫刻器具でマーカーを遮らないようにしてください。システムがマーカーを認識できない場合は、障害物を取り除き、マーカーが再びカメラの視野に明確に入るようベースを再調整してください。
    1. ARマーカーを選択し、Virtual Navigation > Camera Navigationをクリックします。ポップアップウィンドウで、使用するカメラを選択し、ARナビゲーションを開始します。
    2. 物理的な3次元物体追跡マーカーをカメラ視野の中心に配置し、作動距離を約25 cmに維持します。安定したマーカー認識を維持するため、非反射的な背景を使用し、操作エリアへの強い直接照明を避けてください。
    3. 光軸がマーカー表面におよそ垂直になるか、または約30°–45°の斜視角となるようにカメラ角度を調整し、ソフトウェア上の仮想マーカーの外形が、物理マーカーのサイズ、向き、位置に可能な限り密接に重なるようにします。
      ​注：仮想マーカーが物理マーカーに密接に重なると、システムが自動的にこれを認識してレジストレーションを完了し、リアルタイム追跡が可能になります。仮想マーカーの外形が赤から緑に変わり、その後、マーカーとの事前定義された空間的関係に従って仮想歯牙モデルが表示され、ワックスブロック上の対応する位置に安定して重畳されます。
    4. Parameter Settingsをクリックして、追跡品質のしきい値を調整します。
      注：このしきい値は、仮想モデルと実シーンの一致品質を決定するために使用されます。特徴点マッチングと位置特定信頼度が設定されたしきい値に達した場合にのみ、レジストレーションが成功したとみなされます。本システムでは、繰り返しの予備試験に基づき、追跡品質のしきい値を0.7に設定しました。この値は、安定したリアルタイム追跡と仮想・現実レジストレーションを維持しつつ、迅速な認識を可能にするため選択されました。しきい値を下げるとマーカーのレジストレーションは容易になりますが、レジストレーション精度が低下し、逆にしきい値を上げるとマーカーのレジストレーションに必要な難易度と時間が増加しました。

5. AR支援による歯の彫刻手順

  1. 25 mm × 25 mm × 50 mmのワックスブロックを、ARトラッキング用ワックスブロックベースのリセスに挿入します。ワックスブロックの底面がリセスの底に完全に密着し、安定していることを確認してください。
  2. ARナビゲーションを開始します。仮想歯牙モデルとワックスブロックのオーバーレイに基づいて、初期の切削領域と方向を決定します。ベースをゆっくりと回転させ、さまざまな視点から仮想歯牙モデルを観察します。
  3. 認識された3次元物体トラッキングマーカーおよびその隣接面に対応する視点から、仮想歯牙モデルを観察します。単一のマーカーのみが認識されている場合、反対面は安定して表示されない可能性があるため、反対面に依存しないようにしてください。
  4. 必要に応じてワックスブロックホルダーを回転させ、近心、遠心、頬側、または舌側の3次元物体トラッキングマーカーを露出させます。「Model Settings」で対応するマーカーを選択し、表示面を切り替えます。
  5. 観察段階に応じて、「Model Settings」で仮想歯牙モデルの色と透明度を調整します。
  6. マーカーを遮っている手や器具を取り除きます。遮蔽やベースの急速な回転によりシステムがマーカーを認識できなくなった場合は、マーカーが再び認識されるまでゆっくりとベースの位置を再調整し、その後切削を続行します（図 3C,D）。

結果

AR-ATCSは、ベース上の三次元物体追跡マーカーを正常に認識し、仮想歯冠モデルをワックスブロック上の対応する位置にリアルタイムで安定して重ね合わせることができました。仮想モデルは、咬頭、窩、溝、縁稜、軸面輪郭、および歯冠外形を含む主要な解剖学的構造、形態学的境界、および表面輪郭を正確に表現していました。ベースをゆっくりと回転させ、追跡マーカーが遮られない状態では、仮想歯冠モデルとワックスブロックの間の安定したレジストレーションが維持されました。これにより、頬側、舌側、近心側、遠心側、および咬合面を含む複数の視点から、標的となる歯の形態を可視化することが可能となりました。これらの結果は、本システムが継続的な三次元的視覚リファレンスを提供し、歯の形態形成（カービング）における局所的な形態学的偏差の特定を容易にすることを示しています。

オペレーターの手や彫刻器具によってトラッキングマーカーが部分的に遮られた場合、またはベースが急速に回転した場合、マーカーの認識が中断され、仮想モデルのオーバーレイが消失しました。ベースを再配置し、障害物を取り除くことでマーカーの認識が回復し、仮想空間と実空間の安定したレジストレーションが再確立され、彫刻を再開することができました。

バーチャルとリアルのオーバーレイ誤差を評価するために、二次元画像平面上のオーバーレイ偏差分析を行った。各レジストレーション試行において、カメラを固定し、物体追跡マーカーを付けた歯牙彫刻用ベースをカメラの視野の中心に移動させた。バーチャルマーカーの外形が物理マーカーの外形とおおよそ重なった時点で、システムが自動的にレジストレーションを完了した。その後、二次元オーバーレイ画像をキャプチャした。キャプチャした各画像から歯牙彫刻用ベースの4隅のランドマークを選択し、対応する物理的およびバーチャルのランドマーク座標を記録した（Figure 4）。各物理・バーチャルの点ペア間のユークリッド距離を、二次元オーバーレイ偏差として算出した。 各面についてレジストレーション試行を10回繰り返し、各試行で4組の対応する物理・バーチャルランドマークペアを測定した。したがって、1面あたり40組の点ペアを分析し、5面合計で200組の点ペアを得た。頬側、遠心側、近心側、および舌側については、それぞれの面に対応する物体追跡マーカーを用いてレジストレーションを行った。咬合面については、まず他の面のマーカーを用いてレジストレーションを完了させ、その後ベースを回転させて咬合視のオーバーレイ画像を取得した。この追加の回転が、この視点で見られた大きな偏差の一因となった可能性がある。二次元オーバーレイ偏差の全体平均は0.679 ± 0.381 mmであり、RMS偏差は0.778 mmであった。咬合面で最大の偏差と変動性が認められた一方、頬側、遠心側、近心側、および舌側ではオーバーレイ偏差がより小さかった（Table 1）。

ここに提示したカービング結果は、歯科解剖学コースを修了したばかりの学生1名が、AR-ATCSによる継続的なガイダンスの下で2時間以内に歯のカービング手順を完了したことで得られたものであり、したがって、定量的偏差分析は単一サンプルのデータを示しています。3次元偏差分析は、スキャンしたカービング済み歯モデルと標準歯モデルを比較することで行われました。あらかじめ設定した許容誤差±0.5 mmを用いると、表面点のうち52.26%がこの範囲内に収まりました。符号付き平均偏差は0.1025 mmであり、二乗平均平方根（RMS）偏差は0.7434 mmでした。最大正偏差および最大負偏差は、それぞれ+1.9275 mmおよび−1.9272 mmでした。色分けされた偏差マップは、形態上の最大の不一致が主に咬合面および特定の軸方向の輪郭領域に局在していることを示しました（図5）。これらの偏差値は、カービング誤差、ARレジストレーション誤差、またはスキャン誤差の個別の測定値ではなく、3次元スキャンおよびモデルアライメント後の最終的なカービング済み歯モデルと標準歯モデルとの間の累積的な不一致を表しています。

これらの予備的な単一サンプルによる結果は、AR-ATCSワークフローの技術的な実現可能性を裏付けるものです。観察された歯のカービング処置において、本システムは仮想歯模型を物理的なワックスブロック上にリアルタイムでオーバーレイし、歯の形態および関連する解剖学的特徴に関する3次元的なリファレンスを提供しました。

figure-results-1
図 1: 標準ワックス歯デジタルモデルの作製。 (A) 標準ワックス歯の3次元スキャン。 (B) 標準ワックス歯および周囲構造の初期スキャンデータ。 (C) トリミングおよび表面最適化後の標準歯デジタルモデルの処理。 (D) 標準歯モデルを仮想ワックスブロックベースに合わせ、ARシステム内での空間的位置を定義した。 こちらをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

図 2: ワックスブロックキャリアベースの設計および作製。(A) ワックスブロックキャリアベースの3次元設計モデルおよび、個別に設計された3次元オブジェクトトラッキングマーカー。(B) 標準歯のデジタルモデルとワックスブロックキャリアベースとの空間的関係の設定。(C) 個別にプリントされたオブジェクトトラッキングマーカーを備えた、3Dプリントによるワックスブロックキャリアベース。(D) その後のAR支援下での歯牙形態修整のため、3Dプリントされたキャリアベースにワックスブロックを装着した状態。

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図3: 拡張現実（AR）支援下での歯牙形態彫刻のワークフロー。(A) インポートされた標準歯のデジタルモデルと3次元物体追跡マーカーを表示するARナビゲーションソフトウェアのインターフェース。 (B) ベース上の3次元物体マーカーを認識した後、システムは仮想の標準歯モデルを物理的なワックスブロックの対応する位置にリアルタイムで重ね合わせます。 (C) 仮想歯モデルを3次元的な形態の参照として使用し、ARガイダンスの下で初期の形態彫刻を行います。 (D) 咬頭、窩、溝、縁稜、および軸面輪郭を含む局所的な解剖学的構造の微調整を、ARガイダンスの下で行います。 こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

figure-results-3
図 4: ARレジストレーション後の2次元画像平面オーバーレイ偏差の測定。自動ARレジストレーション後、2次元のオーバーレイ画像をキャプチャした。P1–P4は物理的な歯牙彫刻ベース上で選択された4つのコーナーランドマークを示し、P1′–P4′は仮想オーバーレイ上で選択された対応するランドマークを示す。ここをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

figure-results-4
図5標準歯模型と比較した、彫刻歯模型の三次元偏差解析。 3次元偏差マップを頬側から示した図（A）、舌側面図 (B）、咬合面観（C）、近心面図（D）、および遠位視（E). この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

面点ペア数, n平均 ± SD (mm)RMS (mm)最小値 (mm)最大値 (mm)
頬側面400.711 ± 0.2260.7450.2351.174
遠心面400.489 ± 0.1560.5130.1460.913
近心面400.510 ± 0.2070.5490.1940.856
舌側面400.540 ± 0.2620.5990.1811.098
咬合面401.145 ± 0.4941.2450.272.401
全体2000.679 ± 0.3810.7780.1462.401

表1：AR仮想・現実レジストレーションの2次元画像平面オーバーレイ偏差

ディスカッション

歯科解剖学教育は時代とともに進化し、理論的な指導と実技訓練を組み合わせた古典的な教育モデルを採用してきました。歯の解剖学的形態を正確に理解することは、口腔臨床実務、特に補綴治療、根管治療、咬合再構成、およびインプラント修復に関連する処置において重要な基礎となります。そのため、研究者は解剖学的知識体系の構築を支援するための新しい教育方法や技術を継続的に模索してきました。これまでの研究では、主に教授法の最適化や異なる彫刻材料の適用性の検討によって、歯科解剖学教育の改善が図られてきました。デジタル技術の発展に伴い、3次元スキャン、3次元再構成、3Dプリンティング、仮想現実（VR）、および拡張現実（AR）が臨床応用から医学教育へと徐々に拡大し、学生が複雑な3次元構造を理解するための新しいツールを提供しています15。将来的には、人工知能やモバイルコンピューティングの発展により、これらの技術がより低コストで便利な方法で日常的な教育に統合されることが期待されています。

本システムでは、標準的な歯型モデルを再利用することが可能です。三次元物体追跡マーカーは3Dモデリングソフトウェアで設計でき、ARソフトウェアに直接インポートする前にその空間的関係を決定できます。その後、歯冠形成用のベースを3Dプリントすることで、ワークフロー全体を完結させることができます。なお、3Dプリントされた歯型モデルを歯冠形成トレーニングの物理的な参照として使用することも、低コストであること、形態が直感的であること、繰り返し観察できることなどの利点があり、教育的価値があることが示されています。しかし、AR技術はリアルタイムの視覚的ナビゲーションを提供します。これにより、実際のワックスブロック彫刻環境において、リアルタイムで回転可能かつ透過度を調整できる三次元的な視覚的リファレンスを提供することが可能です13。技術の発展に伴い、ARはより低コストでシンプル、かつ便利な形態で教育に応用されることが期待されます。したがって、AR支援教育はさらなる発展に向けた大きな可能性を秘めています。

ARシステムにおいて、可視化の品質、トラッキングの安定性、およびレジストレーションの精度は、仮想的な重ね合わせの信頼性とユーザーエクスペリエンスを決定する重要な技術的要因である16。これまでの研究で、歯の形態作成教育へのARシステムの活用が検討されてきたが、その多くはイメージトラッキングを採用していた5,13。対照的に、本システムでは三次元オブジェクトトラッキングを使用している。イメージマーカーによるトラッキングは、準備が簡便で低コストであり、導入が容易である。また、マーカーが明確に視認でき、適切な視野角内にある場合には安定した認識が可能である。しかし、歯の形態作成においては、術者が目的の歯の形態を多角的に観察するために、ワックスブロックを回転させる必要があることが多い。このような条件下では、イメージマーカーがカメラの視野内で完全に見えなくなる可能性があり、それがマーカー認識の中断を招き、リアルタイムARガイダンスの連続性を制限することになる。主に平面的なイメージマーカーに依存するイメージトラッキングと比較して、三次元オブジェクトトラッキングは、オブジェクトの幾何学的輪郭と自然な視覚的特徴に基づいてオブジェクトの空間的なポーズを推定する。これにより、システムは複数の視点から仮想歯模型を物理的なワックスブロックベースにレジストレーションすることが可能となり、練習中にワックスブロックを回転させて観察する必要がある実際の形態作成シナリオにより密接に適合させることができる。ただし、このアプローチでは通常、トラッキングオブジェクトのCADモデルまたは三次元スキャンモデルが必要であり、その後の3Dプリントおよび組み立てを伴うため、平面イメージマーカーによるトラッキングに比べてモデル準備の複雑さが増す。したがって、現実的な戦略として、明確な幾何学的構造と視覚的特徴を持つベースにワックスブロックを固定する方法を採る。このトラッキング手法に基づき、本システムは、ベースに組み込まれたマーカーを利用して矩形の視野内で仮想歯模型を観察することで、トラッキング戦略を最適化している。システムの反復開発において、認識感度と重ね合わせ精度のバランスを調整するために、レジストレーション閾値の調整機能が追加された。閾値を低く設定すると認識の成功率は向上するが、重ね合わせの安定性が低下する可能性がある。一方、閾値を高く設定するとレジストレーション精度は向上するが、認識の難易度が上がる可能性がある。さらに、トラッキングインターフェースによって、ユーザーはトラッキングモデルの切り替えや透過度の調整をリアルタイムで行うことができ、操作が簡略化されている。

しかしながら、本システムには依然としていくつかの制限があります。第一に、現在のシステムはコンピュータと外部の高精細カメラに依存しています。デバイスの接続と空間的な配置が比較的複雑であるため、大人数での授業への適用が制限されます。コストを削減しアクセシビリティを向上させるため、タブレットやスマートフォンなどのモバイルデバイスに本システムを適応させる取り組みが進められています。第二に、認識性能は、照明、カメラの角度、マーカーの遮蔽、およびベースの回転速度の影響を受けます。マーカーが遮蔽されたり、ベースが速すぎる速度で回転したりすると、システムが認識できなくなる場合があり、認識を回復させるにはマーカーを再度露出させる必要があります。本プロトコルのもう一つの制限は、モデル設計、メッシュ処理、およびARレジストレーションに、いくつかの商用またはカスタムソフトウェアパッケージが使用されている点です。一部の機能は、オープンソースまたは低コストの代替手段で部分的に置き換えられる可能性があります。例えば、3次元モデルの設計および編集にはFreeCADやBlenderが、メッシュ処理にはMeshLabやCloudCompareが利用可能です。さらに、UnityとVuforia Engineを組み合わせることで、モデルターゲットベースのトラッキングなど、3次元物体認識に基づいたARの潜在的な開発フレームワークを提供できる可能性があります。しかし、本プロトコルで使用されたARワークフローを再現するには、依然として追加のソフトウェア開発、パラメータの最適化、および検証が必要となります。したがって、モデリングおよびメッシュ処理の手順は代替ソフトウェアを用いて部分的に再現できる可能性がありますが、本プロトコルで実装されたARトラッキングおよびレジストレーションモジュールは、さらなる開発と検証なしに、既存のオープンソースパッケージで直接置き換えることはできません。

最後に、2次元の画像平面におけるオーバーレイ偏差解析では、システムのオーバーレイ精度を部分的にしか反映できません。歯牙彫刻は3次元的な処置であるため、現在のデータでは、精緻な歯牙彫刻トレーニングに求められる3次元的なレジストレーション精度を十分に実証できていません。また、マーカーの遮蔽、カメラ角度、照明、および回転速度がレジストレーション性能に及ぼす影響についても、個別に評価していません。したがって、本システムが精緻な歯牙彫刻ガイドに十分な精度を提供しているかどうかは依然として不明です。さらに、本研究では単一サンプルのワークフロー検証のみを完了しており、学生の彫刻の質や学習成果を向上させる能力については、今後大規模なサンプルによる対照研究を通じて確認する必要があります。

要約すると、本研究では3次元オブジェクトトラッキングに基づく拡張現実（AR）支援による歯冠形態作製プロトコルを提案します。単一サンプルの検証結果から、このワークフローによって標準的な歯のモデルと物理的なワックスブロックの操作シーンとの間でARオーバーレイを実現でき、歯冠形態作製のトレーニングに直感的な3次元視覚リファレンスを提供できることが示唆されました。現在の結果では、その教育効果が従来の方法よりも優れていることを直接的に証明することはできませんが、本プロトコルは、歯冠形態作製トレーニングへのAR技術応用のさらなる研究における実現可能性と価値を示すものです。モバイルデバイス、3次元認識アルゴリズム、および人工知能の進歩に伴い、AR支援による歯冠形態作製教育は、より低コストで便利かつ拡張可能な方法で歯科歯科技工教育に統合される可能性があります。

開示事項

著者は、申告すべき利益相反はないことを表明します。

謝辞

本研究は、昆明医科大学複雑頭蓋顔面奇形診断治療チーム（2024XKTDTS08）、雲南省臨床医学センター研究プロジェクト（2024YNLCYXZX0227, 2024YNLCYXZX0229）、雲南省口腔疾患臨床研究センター（202505AJ310001）、および雲南省ハイレベル人材育成支援計画（YNWR-MY-2020-086）の支援を受けて行われました。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
3DスキャナーSHINING 3DAutoScanEPCG-BD032G26標準ワックス歯の3次元スキャニングに使用。
カメラIntal RealSenseD4153次元オブジェクトマーカーを認識するためのリアルタイム視野の取得に使用。
歯科用ワックスカービング器具ワックスブロックのカービングに使用。
E3D CMFHunan Liuwei Jinghang Digital Technology Co., Ltd., Hunan, China.https://www.e3d-med.com/ARナビゲーションソフトウェア。
FDM 3DプリンターBambu Lab31B8BP631300564ワックスブロックキャリアベースおよび3次元オブジェクトトラッキングマーカーの作製に使用。
Geomagic Wrap3D Systems Corporationversion 2021標準ワックス歯の3次元スキャンデータの処理に使用。
PLAフィラメントBambu Lab10105FDM 3Dプリンティングに使用。
SOLIDWORKS Dassault Systèmesversion 2025ワックスブロックキャリアベースおよびオブジェクトトラッキングマーカーの3次元モデリングに使用。
ワックスブロック歯のカービング練習に使用。

参考文献

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