치과 교육 내 치아 조각 훈련을 위한 증강 현실 보조 시스템

요약

증강 현실 보조 치아 조각 시스템(AR-ATCS)은 3D 객체 마커를 인식하여 가상 치아 모델을 실제 왁스 블록 위에 중첩함으로써, 초보 치과 학생들이 치아 조각을 수행하는 동안 도움을 줄 수 있는 3차원 시각적 기준을 제공합니다.

초록

본 프로토콜의 목적은 증강현실 보조 치아 조각 시스템(AR-ATCS)을 개발 및 적용하여 치과 해부학 교육을 강화하는 것입니다. 치아 형태학은 치과 교육의 핵심 요소로, 학생들은 수복 치의학 및 근관 치료와 같은 임상 절차에 필수적인 복잡한 3차원(3D) 해부학적 구조와 기능적 지표를 숙달해야 합니다. 전통적으로 이러한 기술은 왁스 블록 조각 연습을 통해 습득되지만, 이 방식은 교육 효율성이 낮고 학생들이 2차원(2D) 교과서 삽화를 3차원 물리적 구조로 변환하려 할 때 상당한 인지적 격차가 발생한다는 한계가 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 프로토콜에서는 수동 치아 조각 훈련에 증강현실(AR) 기술을 통합하는 방법을 설명합니다. 이 시스템은 3차원 객체 추적 및 컴퓨터 비전 알고리즘을 사용하여 고정밀 가상 3D 치아 모델을 물리적 작업 공간 위에 중첩시킵니다. 모바일 기기 카메라로 전용 추적 마커를 인식함으로써, 시스템은 디지털 가이드를 정확한 크기와 방향으로 왁스 블록 위에 직접 투영합니다. 이러한 가상-물리 정렬을 통해 학생들은 목표 치아 형태를 실시간으로 시각화하고, 조각 과정에서 발생하는 오차를 즉각적으로 식별할 수 있습니다. 본 프로토콜은 AR 환경 구축, 가상 모델과 물리적 재료의 정렬, 그리고 시스템을 자기 주도형 훈련 도구로 활용하기 위한 상세한 워크플로우를 제공합니다. 상호작용 가능한 다각도 시각적 피드백을 제공함으로써, 이 시스템은 강사의 지속적인 시연에 대한 의존도를 낮추고 되돌릴 수 없는 조각 오류의 영향을 최소화합니다. 전반적으로, 이러한 AR 보조 접근 방식은 초보 학생들의 치아 조각을 지원하고 치아 형태학 연습을 위한 보다 효율적인 프레임워크를 제공함으로써, 전통적인 치과 해부학 교육을 위한 보조 시각 가이드 도구 역할을 합니다.

서론

치아 형태학은 학생들이 치아의 해부학적 형태와 3차원적 구조적 특성을 체계적으로 이해하도록 돕는 것을 목표로 하는 치과 교육의 핵심 구성 요소입니다^1,2. 치아 형태학 교육의 중요한 부분인 치아 조각 실습은 학생들의 치아 해부학 숙달도를 반영할 뿐만 아니라, 수기 능력과 술기 능력을 훈련시킵니다^3,4. 이는 임상 실습, 특히 보철 치료에 있어 필수적인 기초를 제공합니다^2,5.

전통적인 치아 조각 훈련은 일반적으로 지도교수의 안내 하에 진행되며, 학생들은 왁스나 비누 블록을 사용하여 전치와 구치의 해부학적 형태를 조각합니다^3,5. 그러나 지도교수와 학생 수의 불균형으로 인해 교사가 제한된 교육 기간 내에 충분한 개별 지도를 제공하는 데 어려움이 있습니다^4,5. 또한, 학생들은 2차원 이미지를 3차원 형태로 변환할 때 상당한 인지적 어려움을 겪는 경우가 많으며, 이는 학습 효율과 교육 효과를 모두 저하시킬 수 있습니다^2,5,6.

최근 디지털 기술의 급격한 발전과 함께 3D 프린팅, 증강 현실, 가상 현실 및 기타 디지털 접근 방식이 의학 해부학 교육과 치기공 교육에 점진적으로 적용되고 있습니다^6,7,8,9. 이러한 기술들은 공간적 표현에 있어 기존의 2차원 도감, 물리적 모델 관찰 및 교수자 시연의 한계를 극복하여, 학생들에게 더욱 직관적이고 동적인 3차원 학습 경험을 제공합니다^5,6,9.

증강 현실은 컴퓨터로 생성된 가상 정보를 실제 환경 위에 실시간으로 겹쳐 놓음으로써 가상과 실제의 융합 및 인간-컴퓨터 상호작용을 구현하는 시각화 기술입니다. 실제 시나리오에 3차원 데이터와 공간 정보를 보완함으로써, AR은 복잡한 공간 구조에 대한 관찰자의 인지 능력을 확장할 수 있습니다^10,11. 이러한 특징 덕분에 AR은 공간적 이해와 수조작 협응 능력이 요구되는 실습 교육 시나리오에 특히 적합합니다. 현재 AR 기술은 해부학 교육에 예비적으로 적용되어 긍정적인 피드백을 얻었습니다^11,12,13. 교육 환경을 넘어 AR은 임상 치의학 분야로도 확장되었습니다. 예를 들어, Macrì 등은 매복치 발치를 위한 AR 보조 외과적 노출 사례를 보고하며, AR 기반의 공간 등록과 실시간 가상-실제 중첩이 구강 외과 내비게이션에 적용될 수 있음을 입증했습니다¹⁴. 이러한 임상적 적용은 치아 형태학 훈련에 AR 유도 공간 시각화를 도입하는 것에 대한 추가적인 근거를 제공합니다.

본 프로토콜에서는 학생들이 실습하는 동안 지속적이고 직관적인 3차원 시각적 참조물을 제공하여 치아 조각 훈련을 돕기 위해 AR 기술을 사용하였으며, 이는 기존의 지도 교수 안내를 보완하는 역할을 할 수 있습니다. 이를 위해 AR 보조 치아 조각 시스템이 공동 개발되었으며, 이는 주로 AR 소프트웨어, 고해상도 카메라, 왁스 블록 고정 베이스 및 별도로 제작된 4개의 3차원 객체 추적 마커로 구성됩니다. 마커는 왁스 블록을 미리 정의된 위치에 고정하는 고정 베이스에 조립되었습니다. 작동 중에 시스템은 카메라를 통해 실제 작업 영역의 이미지를 캡처합니다. 베이스의 3차원 객체 마커가 인식되면, 가상 치아 모델이 디스플레이 인터페이스 상의 왁스 블록 해당 위치에 실시간으로 중첩되어 학생들에게 조각을 위한 시각적 참조물을 제공합니다.

이 시스템을 기반으로 단일 샘플 검증을 수행하였습니다. 치과 해부학 과정을 이수한 학생이 제안된 AR 지원 프로토콜의 안내에 따라 치아 조각 절차를 완료하였습니다. 이후 조각된 치아를 스캔하여 3차원 모델로 처리하였으며, 표준 치아 모델과 비교하여 객관적인 형태학적 편차 분석을 실시하였습니다. 예비 단일 샘플 결과는 치아 형태학 교육을 위한 보조 도구로서 AR-ATCS 사용의 가능성을 시사하였습니다.

프로토콜

1. 표준 디지털 치아 모델의 구축

참고: 본 프로토콜에서는 AR 보조 치아 조각 워크플로우의 타당성을 입증하기 위해 왼쪽 하악 제1대구치를 대상 치아로 사용하였습니다. 다른 치아 위치의 경우, 해당 표준 치아 디지털 모델을 가져오고 3차원 객체 마커와의 공간적 관계를 재정의한 후 워크플로우를 적용할 수 있습니다. 이 단계는 약 10분 정도 소요됩니다.

1. 표준 치아 모델의 챔버 스캐닝
   1. 표준 치아 모델을 준비하십시오.
      참고: 본 프로토콜에서는 25 mm × 25 mm × 50 mm 왁스 블록과 호환되는 표준 치아 모델을 사용하십시오.
   2. 반사로 인한 스캐닝 오류를 줄이기 위해 표준 치아 모델 표면에 스캐닝 파우더 또는 반사 방지 스프레이를 얇고 균일하게 도포하십시오.
   3. 준비된 표준 치아 모델을 챔버형 3차원 스캐너(듀얼 24 MP 카메라 및 스캔 정밀도가 장착됨)의 홀더 위에 놓고 고정하십시오. <10 µm). 모델이 안정적이고 대상 스캐닝 영역이 완전히 노출되었는지 확인하십시오 (그림 1A).
   4. 3D 스캐닝 소프트웨어를 실행하고 새 주문을 생성한 뒤, 대상 치아 위치에 따라 이름을 지정하십시오. 스캐닝 설정을 확인하고 클릭하십시오. 켜짐 스캔 시작.
   5. 스캔 후 디지털 모델의 무결성을 검사하십시오. 뚜렷한 결함이 관찰되지 않으면, 스캔된 모델을 STL 형식으로 내보내고 단위를 밀리미터(mm)로 설정하십시오.그림 1B).
2. 스캔된 치아 모델의 분할 및 처리(그림 1C)
   1. 3D 스캔 데이터 처리 소프트웨어를 실행하십시오.
   2. 클릭하십시오 파일 > 열기, 표준 치아 모델의 STL 파일을 선택하고 다음을 클릭하십시오. 열기.
   3. 단위 선택 창에서 다음을 선택하십시오. 밀리미터 및 클릭하십시오. 알겠습니다. 번역할 소스 텍스트를 제공해 주십시오..
   4. 클릭하십시오 다각형 > 트리밍 > 대패로 다듬기절단면의 위치를 계획된 치근 절단 높이에 맞춰 수동으로 조정하십시오.
   5. 절단 영역을 확인한 후, 클릭하십시오. 교차 평면 > 선택 항목 삭제 > 근접 교차 > 준비되었습니다. 번역할 원문을 제공해 주십시오. 과잉 치근 부분을 제거하고 열린 경계를 폐쇄하여, 수밀성이 확보된 표준 디지털 치아 모델을 얻습니다.
   6. 클릭하십시오 파일 > 저장 그리고 선택하십시오 STL (이진) 파일 (*.STL)를 파일 형식 목록에서 선택하십시오.
3. 표준 치아 모델 베이스 제작 (그림 1D)
   ​참고: 이 단계는 표준 디지털 치아 모델을 위한 정형 베이스를 구축하여, 표준 모델, 왁스 블록 및 AR 추적 베이스 간의 안정적인 공간 관계를 설정하는 데 사용됩니다. 메뉴 옵션의 정확한 명칭은 소프트웨어 버전마다 약간씩 다를 수 있습니다.
   1. 3D 모델링 소프트웨어를 실행하십시오.
   2. 클릭하십시오 파일 > 열기 그리고 표준 디지털 치아 모델의 STL 파일을 선택하십시오.
   3. 클릭하십시오 옵션, import as 고체 시료 또는 표면체, 그리고 선택하십시오 단일 면으로 경계 지어진 메시 바디 생성 > 패싯을 면으로 그룹화하기, 그리고 클릭하십시오. 알겠습니다. 번역할 원문 텍스트를 제공해 주시기 바랍니다. 및 열기따라서 치아 모델 하단의 삼각형 패싯들이 비교적 완전한 기준면으로 인식될 수 있도록 합니다.
   4. 모델 베이스의 중심점을 생성합니다. 치아 모델의 바닥면을 선택하고, 클릭하십시오. 특징 > 지점 > 얼굴 중심부 > 번역할 원문을 제공해 주시기 바랍니다. 중심점(이름은 포인트1).
   5. 치아 모델의 바닥면을 스케치 평면으로 선택하고 클릭하십시오. 개요 > 중앙 직사각형, 중심에 직사각형을 그리십시오. 지점 1, 그리고 클릭하십시오. 스마트 디멘션 사각형을 25 mm × 25 mm로 설정하십시오. 다음을 클릭하십시오. 스케치 종료 (명명된 스케치 1).
   6. 선택 스케치 1특징(Features) 탭에서 다음을 클릭하십시오. 돌출 보스/베이스~ 하에 방향 1, 선택 눈가림, 깊이(Depth)를 20mm로 설정하고 클릭하십시오. 준비되었습니다. 번역할 원문 텍스트를 제공해 주시기 바랍니다. 표준 치아 모델 베이스를 생성하기 위해.

2. 왁스 블록 홀더 및 AR 트래킹 베이스 설계

참고: 3차원 객체 추적 마커와 AR 추적 왁스 블록 베이스는 맞춤형 구성 요소입니다. 이들의 설계는 설계 목적과 모델링 전략에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서 본 프로토콜에서 설명하는 베이스가 유일한 설계 방식은 아니며, 왁스 블록 고정, 마커 인식 및 조작의 편의성이 유지된다면 수정될 수 있습니다. 이 단계는 약 30분 정도 소요됩니다.

1. 왁스 블록 리세스 설계(그림 2A,B)
   1. 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 다음을 클릭하십시오. 신규 > 파트 > 번역할 소스 텍스트를 제공해 주세요. 전문적인 학술적 톤과 정확한 과학 용어를 사용하여 한국어로 번역해 드리겠습니다. 홈페이지에서.
   2. 선택하십시오 상단 평면 을 클릭하십시오 스케치클릭하십시오. 중앙 직사각형 그리고 초기 스케치를 ~의 중심에 그리십시오. 기원.
   3. 클릭하십시오 스마트 디멘션 사각형을 40 mm × 40 mm로 설정하려면, 다음을 클릭하십시오. 출구 차원 (명명된 스케치 1).
   4. 선택하십시오 스케치 1, 클릭하십시오 특징 > 돌출 보스/베이스, 하에 방향 1, 선택하십시오 맹검, 그리고 깊이(Depth)를 32.5mm로 설정하여 40mm × 40mm × 32.5mm 크기의 직육면체(이름: 돌출 - 1).
   5. 직육면체의 상단 표면을 선택하고, 클릭하십시오. 스케치 > 중앙 직사각형, 그리고 다음의 중심에 초기 스케치를 생성하십시오. 기원그런 다음 클릭하십시오. 스마트 디멘션 직사각형 크기를 25.2 mm × 25.2 mm로 설정합니다(Sketch 2로 명명). 이 크기는 약 0.2 mm의 조립 공차를 포함하여 25 mm × 25 mm 크기의 왁스 블록을 수용할 수 있도록 한 것입니다.
   6. 선택하십시오 스케치 2, 클릭하십시오 특징 > 압출 절단, 그리고 절삭 깊이를 20mm로 설정하여 왁스 블록 홈을 생성합니다.
2. 3차원 객체 추적 마커를 위한 네거티브 소켓 설계
   1. 직육면체의 수직면 하나를 선택하여 클릭하십시오. 개요 > 중앙 직사각형, 선택한 면에 직사각형을 그리고, 클릭하십시오. 스마트 디멘션, 그리고 이를 5.2 mm × 5.2 mm로 설정하십시오(이름: 스케치 3).
   2. 클릭하십시오 특징 > 돌출 컷, 선택하십시오 스케치 3, 절단 깊이를 5mm로 설정합니다.
   3. 위 단계를 반복하여 4개의 수직면에 소켓을 생성합니다. 바닥면의 소켓의 경우, 스케치 크기를 10.2 mm × 10.2 mm로, 컷 깊이를 10 mm로 설정하십시오.
   4. 클릭하십시오 저장 그리고 왁스 블록 홀더를 다음과 같이 저장하십시오. SLDPRT 파일
3. 기저부 안정성과 조각 편의성을 고려한 설계
   1. 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 다음을 클릭하십시오. 신규 > 파트 > 알겠습니다. 번역할 소스 텍스트를 제공해 주시기 바랍니다. 홈페이지에서.
   2. 선택하십시오 상단 평면 및 클릭하십시오 개요 > 원, 중심을 기준으로 지름 80 mm의 원을 그리십시오. 기원 (S로 명명된)스케치 1).
   3. 스케치 1을 선택하고 클릭하십시오. 특징 > 돌출 보스/베이스, 그리고 깊이를 5 mm로 설정하여 원형 안정화 플레이트를 생성합니다.
   4. 클릭하십시오 우측 평면 그리고 다음을 사용하여 이등변 직각 삼각형을 그립니다. 기원 빗변의 중점, 40mm의 변 길이, 45°의 각도를 사용하여 스케치(이름: 스케치 2).
   5. 선택하십시오 스케치 2, 클릭하십시오 특징 > 돌출 보스/베이스, 선택하십시오 중간 평면 방향(Direction) 아래에서, 깊이를 40mm로 설정하여 45° 경사 구조(이름: 돌출 보스 2).
   6. 경사면을 선택하고, 클릭하십시오. 스케치> 중앙 직사각형, 10 mm × 10 mm 크기의 중앙 직사각형을 그리고, 클릭하십시오. 돌출 보스/베이스, 그리고 깊이를 10mm로 설정하여 베이스로 연결되는 지지 커넥터를 생성합니다.
   7. 클릭하십시오 저장 그리고 안정화 지지 구조물을 SLDPRT 파일로 저장합니다.
4. 3차원 객체 추적 마커의 설계
   ​참고: 마커는 3차원 객체 인식 및 추적의 안정성을 높이기 위해 강성 구조, 안정적인 표면 특징 및 충분한 기하학적 복잡성을 갖추어야 합니다.
   1. 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 다음을 클릭하십시오. 신규 > 파트 > 번역할 소스 텍스트를 제공해 주십시오. 조베(JoVE)의 과학 및 교육 콘텐츠 전문 번역 지침에 따라, 연구자, 임상의, 교육자 및 대학생을 대상으로 하는 학술적 어조의 한국어 번역을 제공하겠습니다. 홈페이지에서.
   2. 선택하십시오 상단 평면 클릭하십시오. 개요 > 다각형원점을 중심으로 육각형을 그리고, 클릭하십시오. 스마트 디멘션, 변의 길이를 7.5 mm로 설정하십시오(이름: 스케치 1).
   3. 선택하십시오 스케치 1, 클릭하십시오 특징 > 돌출 보스/베이스, 그리고 깊이를 10mm로 설정하십시오.
   4. 하단면을 선택하고, 클릭하십시오. 스케치> 중앙 직사각형, 5 mm × 5 mm 크기의 중앙 직사각형(이름은 스케치 2).
   5. 선택하십시오 스케치 2, 클릭하십시오 특징 > 돌출 보스/베이스, 그리고 깊이를 5mm로 설정하여 베이스의 음각 소켓에 맞는 핀을 형성합니다.
   6. 사용하십시오 초안 상면을 중립면(Neutral Plane)으로 설정하는 기능을 사용하십시오. 각 측면을 구배면(Draft Plane)으로 선택하고, 기하학적 특징의 비대칭성을 높이기 위해 각 면에 서로 다른 구배 각도를 적용하십시오. 모든 측면이 완전히 대칭되지 않도록 주의하면서, 인식 성능에 따라 구배 각도를 조정하십시오.
   7. 마커의 상단 표면을 선택하고 클릭하십시오. 개요 > 텍스트, 텍스트 레이블을 입력하여 국소 시각적 특징을 추가하고 인식을 보조합니다(이름 지정 스케치 3).
   8. 선택하십시오 스케치 3, 클릭하십시오 특징 > 돌출 보스/베이스, 그리고 압출 깊이를 2mm로 설정하십시오.
   9. 위의 단계를 반복하여 근심면, 원심면, 협측면 및 설측면에 해당하는 4개의 측면 마커를 생성하십시오.
   10. 클릭하십시오 저장 그리고 각 마커를 SLDPRT 파일로 저장하십시오.
5. 베이스 및 AR 마커의 조립과 공간적 관계 확인
   1. 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 다음을 클릭하십시오. 신규 > 조립 > 번역할 원문 텍스트를 제공해 주시기 바랍니다. 제시해주신 지침에 따라 전문적인 학술 한국어로 정확하게 번역하겠습니다. 홈페이지에서.
   2. 클릭하십시오 삽입 성분AR 추적 왁스 블록 베이스, 안정화 지지 구조 및 모든 3차원 객체 추적 마커를 가져오십시오.
   3. 클릭하십시오 교배 상대 기능 및 적용 일치, 평행, 수직또는 마커와 베이스 사이의 공간적 위치를 정의하기 위한 다른 결합 관계를 사용합니다.
   4. 클릭하십시오 다른 이름으로 저장, 선택 STL 형식을 지정하고, 클릭하십시오. 옵션 창에서.
   5. 확인 어셈블리의 모든 구성 요소를 단일 파일로 저장하기 선택되지 않은 경우, 클릭하십시오. 알겠습니다. 번역할 소스 텍스트를 제공해 주시기 바랍니다. > 저장개별 구성 요소 STL 파일을 각각 내보내어 AR 소프트웨어에서 모델을 임포트하고 공간적 관계를 설정하십시오.

3. 모델의 3D 프린팅 및 후처리

참고: 본 프로토콜에 기술된 프린터와 출력 매개변수를 사용하여 전체 모델 세트를 출력하는 데 약 70 min이 소요됩니다.

1. 재료 선택 및 프린터 설정 (그림 2C,D)
   1. 반사를 줄이고 AR 카메라의 인식을 용이하게 하기 위해 무광 회색 폴리락틱산 (PLA) 필라멘트를 사용하여 출력합니다.
   2. 출력 환경을 제어하고 출력 안정성을 높이기 위해 밀폐형 FDM 3D 프린터를 사용합니다. 프린터 및 필라멘트 특성에 맞춰 파라미터를 조정합니다.
   3. 슬라이싱 소프트웨어로 STL 모델을 불러옵니다. 출력 오류를 줄이기 위해 이동, 회전 및 출력 표면 선택을 통해 최적의 방향을 결정합니다.
   4. 슬라이싱 소프트웨어를 사용하여 슬라이싱 파라미터를 설정합니다. 파라미터는 특정 프린터와 재료에 따라 조정될 수 있습니다.
2. 권장 슬라이싱 파라미터
   1. 노즐 직경은 0.4 mm, 노즐 온도는 220 °C, 빌드 플레이트 온도는 55 °C로 설정합니다. 텍스처 PEI 빌드 플레이트를 사용합니다.
   2. 층 높이는 0.2 mm, 내부 채움 밀도는 15%, 출력 속도는 첫 번째 층 50 mm/s, 외벽 200 mm/s, 내벽 300 mm/s로 설정합니다.
   3. 오버행 구조가 있는 경우 자동 트리 서포트를 활성화합니다. 오버행이 없는 경우 서포트 구조를 생략합니다. 냉각을 활성화합니다.
   4. 출력 전 프린터를 보정하고 필라멘트 색상과 표면 상태를 점검합니다.
3. 출력 모델의 후처리
   1. 출력 및 냉각 후, 빌드 플레이트를 제거하고 부드럽게 구부려 모델을 자연스럽게 분리함으로써 빌드 플레이트의 표면 텍스처를 보호합니다.
   2. 롱노즈 플라이어를 사용하여 서포트 구조를 조심스럽게 제거합니다. 서포트 제거 후 모델의 무결성 문제나 변형 여부를 점검합니다. 서포트 접촉 부위가 거칠 경우, 사포나 줄로 부드럽게 연마하여 바닥 안정성을 높입니다.

4. AR 소프트웨어 설정 및 가상-실제 정합

참고: 본 프로토콜에서는 표준 디지털 치아 모델을 가져오고 가상-실제 오버레이를 생성하기 위해 증강 현실(AR) 소프트웨어를 사용하였습니다. 30 fps의 1080p RGB 이미지를 캡처하기 위해 고해상도 RGB 카메라가 사용되었습니다. 카메라의 깊이 감지 기능은 추적이나 등록에 사용되지 않았습니다(그림 3A,B). 소프트웨어로 가상 모델을 가져오고 모델의 색상 및 투명도를 설정하는 데 1분 미만이 소요되었습니다. 등록 과정은 5초 미만이 소요되었으며, 등록 성공 직후 실시간 내비게이션이 가능했습니다.

1. 하드웨어 준비
   1. 컴퓨터를 켜고 USB 3.0 포트를 통해 고해상도 카메라를 연결합니다. 시스템에서 카메라가 인식되었는지 확인합니다.
      ​참고: 카메라 보정 파라미터는 소프트웨어 개발 단계에서 미리 정의되었으며 AR 정합에 사용되었습니다. 이후 사용 시 추가 보정은 필요하지 않았습니다. 다른 AR 시스템의 경우, 시스템 요구 사항에 따라 카메라 보정을 반복적으로 수행해야 합니다.
2. 모델 임포트 및 디스플레이 설정
   1. AR 소프트웨어를 실행합니다.
   2. Import STL을 클릭하고 표준 디지털 치아 모델 및 AR 마커 모델의 STL 파일이 포함된 폴더를 선택하여 필요한 모델을 임포트합니다.
   3. 가상 치아 모델을 흰색으로 설정하여 빨간색 왁스 블록과 높은 대비를 이루게 하고, 투명도를 0.4로 설정하여 조각 도구와 치아 모델 경계 사이의 관계를 쉽게 관찰할 수 있도록 합니다.
3. AR 내비게이션 시작 및 정합
   참고: 정합 과정에서 손이나 조각 도구로 마커를 가리지 않도록 주의하십시오. 시스템이 마커를 인식하지 못하는 경우, 장애물을 제거하고 베이스를 재조정하여 마커가 카메라 뷰에 다시 명확하게 들어오게 합니다.
   1. AR 마커를 선택하고 Virtual Navigation > Camera Navigation을 클릭합니다. 팝업 창에서 사용할 카메라를 선택하고 AR 내비게이션을 시작합니다.
   2. 물리적 3차원 객체 추적 마커를 카메라 뷰의 중심에 배치하고, 작동 거리를 약 25 cm로 유지합니다. 안정적인 마커 인식을 위해 반사되지 않는 배경을 사용하고 작업 영역에 강한 직접 조명이 비치지 않도록 합니다.
   3. 광축이 마커 표면에 거의 수직이 되거나 약 30°–45°의 경사 뷰 각도를 형성하도록 카메라 각도를 조정하여, 소프트웨어 상의 가상 마커 외곽선이 물리적 마커와 크기, 방향 및 위치 면에서 최대한 밀접하게 겹치도록 합니다.
      ​참고: 가상 마커가 물리적 마커와 밀접하게 겹치면 시스템이 이를 자동으로 인식하여 정합을 완료하고 실시간 추적을 활성화합니다. 가상 마커 외곽선이 빨간색에서 녹색으로 변하며, 이후 가상 치아 모델이 마커와 미리 정의된 공간적 관계에 따라 표시되어 왁스 블록의 해당 위치에 안정적으로 중첩됩니다.
   4. Parameter Settings를 클릭하여 추적 품질 임계값을 조정합니다.
      참고: 이 임계값은 가상 모델과 실제 장면 사이의 매칭 품질을 결정하는 데 사용됩니다. 특징 매칭 및 위치 추정 신뢰도가 설정된 임계값에 도달해야 정합이 성공한 것으로 간주됩니다. 본 시스템에서는 반복적인 예비 테스트를 바탕으로 추적 품질 임계값을 0.7로 설정하였습니다. 이 값은 빠른 인식과 동시에 안정적인 실시간 추적 및 가상-실제 정합을 유지할 수 있기 때문에 선택되었습니다. 임계값이 낮으면 마커 정합은 쉬워지지만 정합 정확도가 떨어지며, 임계값이 높으면 마커 정합에 필요한 난이도와 시간이 증가합니다.

5. AR 보조 치아 조각 절차

1. 25 mm × 25 mm × 50 mm 왁스 블록을 AR 트래킹 왁스 블록 베이스의 홈에 삽입하십시오. 왁스 블록의 바닥면이 홈 바닥에 완전히 밀착되어 왁스 블록이 안정적으로 고정되었는지 확인하십시오.
2. AR 내비게이션을 시작하십시오. 가상 치아 모델과 왁스 블록의 중첩 상태를 기반으로 초기 절삭 영역과 방향을 결정하십시오. 베이스를 천천히 회전시켜 다양한 시각적 각도에서 가상 치아 모델을 관찰하십시오.
3. 인식된 3차원 객체 트래킹 마커 및 그 인접 표면에 해당하는 시각적 방향에서 가상 치아 모델을 관찰하십시오. 단일 마커만 인식될 경우 반대편 표면은 안정적으로 표시되지 않을 수 있으므로 이를 이용하는 것을 피하십시오.
4. 필요에 따라 왁스 블록 홀더를 회전시켜 근심, 원심, 협측 또는 설측 3차원 객체 트래킹 마커가 드러나게 하십시오. 모델 설정(Model Settings)에서 해당 마커를 선택하여 관찰 표면을 전환하십시오.
5. 관찰 단계에 따라 모델 설정(Model Settings)에서 가상 치아 모델의 색상과 투명도를 조정하십시오.
6. 마커를 가리는 손이나 기구를 제거하십시오. 폐색이나 급격한 베이스 회전으로 인해 시스템이 마커를 인식하지 못하는 경우, 마커가 다시 인식될 때까지 베이스 위치를 천천히 재조정하며 조각을 계속하십시오(그림 3C,D).

결과

AR-ATCS는 베이스의 3차원 객체 추적 마커를 성공적으로 인식하였으며, 가상 치아 모델을 왁스 블록의 해당 위치에 실시간으로 안정적으로 중첩시켰습니다. 가상 모델은 교두, 와, 구, 변연 융선, 축면 윤곽 및 치관 외형을 포함한 주요 해부학적 구조, 형태학적 경계 및 표면 윤곽을 정확하게 나타냈습니다. 베이스를 천천히 회전시키고 추적 마커가 가려지지 않은 상태에서, 가상 치아 모델과 왁스 블록 사이의 안정적인 등록 상태가 유지되었습니다. 이를 통해 협측, 설측, 근심측, 원심측 및 교합면 뷰를 포함한 다각도에서 대상 치아 형태를 시각화할 수 있었습니다. 이러한 결과는 본 시스템이 치아 조각 과정 중 국소적인 형태학적 편차의 식별을 용이하게 하는 지속적인 3차원 시각적 참조를 제공함을 입증합니다.

트래킹 마커가 술자의 손이나 조각 도구에 의해 부분적으로 가려지거나, 베이스가 너무 빠르게 회전할 경우 마커 인식이 중단되어 가상 모델 오버레이가 소실되었습니다. 베이스를 재배치하고 장애물을 제거하면 마커 인식이 복구되고 가상-실제 정합이 다시 안정적으로 설정되어 조각 작업을 재개할 수 있었습니다.

가상-실제 오버레이 오차를 평가하기 위해 2차원 이미지 평면 오버레이 편차 분석을 수행하였다. 각 등록 시험마다 카메라는 고정되었으며, 객체 추적 마커가 부착된 치아 조각 베이스를 카메라 시야의 중심으로 이동시켰다. 가상 마커 외곽선이 실제 마커 외곽선과 대략적으로 겹치면 시스템이 자동으로 등록을 완료하였다. 그 후 2차원 오버레이 이미지를 캡처하였다. 캡처된 각 이미지에서 치아 조각 베이스의 네 모서리 랜드마크를 선택하고, 이에 해당하는 실제 및 가상 랜드마크 좌표를 기록하였다(그림 4). 각 실제-가상 점 쌍 사이의 유클리드 거리를 2차원 오버레이 편차로 계산하였다. 각 표면당 10회의 반복 등록 시험을 수행하였으며, 매 시험마다 4개의 대응하는 실제-가상 랜드마크 쌍을 측정하였다. 따라서 표면당 40개의 점 쌍이 분석되었으며, 5개 표면 전체에서 총 200개의 점 쌍을 분석하였다. 협측, 원심측, 근심측 및 설측 표면의 경우, 각 표면에 해당하는 객체 추적 마커를 사용하여 등록을 수행하였다. 교합면의 경우, 먼저 다른 표면의 마커를 사용하여 등록을 완료한 후, 베이스를 회전시켜 교합면 뷰 오버레이 이미지를 획득하였다. 이러한 추가 회전이 이 뷰에서 관찰된 더 큰 편차의 원인이 되었을 수 있다. 전체 평균 2차원 오버레이 편차는 0.679 ± 0.381 mm였으며, RMS 편차는 0.778 mm였다. 교합면에서 가장 큰 편차와 변동성이 나타난 반면, 협측, 원심측, 근심측 및 설측 표면에서는 더 작은 오버레이 편차가 나타났다(표 1).

여기에 제시된 조각 결과는 최근 치아 해부학 과정을 마친 한 명의 학생이 AR-ATCS의 지속적인 안내 하에 2시간 이내에 치아 조각 절차를 완료하여 얻은 것이므로, 정량적 편차 분석은 단일 표본 데이터를 나타냅니다. 3차원 편차 분석은 스캔된 조각 치아 모델을 표준 치아 모델과 비교하여 수행되었습니다. ±0.5 mm의 사전 정의된 허용 오차를 사용했을 때, 표면 지점의 52.26%가 이 범위 내에 포함되었습니다. 부호付き 평균 편차는 0.1025 mm였으며, 제곱 평균 제곱근(RMS) 편차는 0.7434 mm였습니다. 최대 양의 편차와 음의 편차는 각각 +1.9275 mm와 −1.9272 mm였습니다. 색상으로 표시된 편차 맵은 가장 큰 형태학적 불일치가 주로 교합면과 선택된 축면 윤곽 영역에 국한되어 있음을 보여주었습니다(그림 5). 이러한 편차 값은 조각 오류, AR 등록 오류 또는 스캔 오류의 개별 측정값이 아니라, 3차원 스캐닝 및 모델 정렬 후 최종 조각 치아 모델과 표준 치아 모델 사이의 누적 불일치를 나타냅니다.

이러한 예비 단일 샘플 결과는 AR-ATCS 워크플로우의 기술적 타당성을 뒷받침합니다. 관찰된 치아 조각 과정 동안, 시스템은 가상 치아 모델을 실제 왁스 블록 위에 실시간으로 오버레이하여 치아 형태 및 관련 해부학적 특징에 대한 3차원 참조 자료를 제공하였습니다.

그림 1: 표준 왁스 치아 디지털 모델의 제작. (A) 표준 왁스 치아의 3차원 스캐닝. (B) 표준 왁스 치아 및 주변 구조물의 초기 스캔 데이터. (C) 트리밍 및 표면 최적화 후 처리된 표준 치아 디지털 모델. (D) AR 시스템에서의 공간적 위치를 정의하기 위해 표준 치아 모델을 가상 왁스 블록 베이스에 정렬함. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

그림 2: 왁스 블록 캐리어 베이스의 설계 및 제작. (A) 왁스 블록 캐리어 베이스와 별도로 설계된 3차원 객체 추적 마커의 3차원 설계 모델. (B) 표준 치아 디지털 모델과 왁스 블록 캐리어 베이스 간의 공간적 관계 설정. (C) 별도로 출력된 객체 추적 마커가 부착된 3D 프린팅된 왁스 블록 캐리어 베이스. (D) 이후의 AR 지원 치아 조각을 위해 3D 프린팅된 캐리어 베이스 위에 왁스 블록을 장착한 모습.

그림 3: 증강 현실 보조 치아 조각의 워크플로우. (A) 가져온 표준 치아 디지털 모델과 3차원 객체 추적 마커를 보여주는 증강 현실 네비게이션 소프트웨어 인터페이스. (B) 베이스 위의 3차원 객체 마커를 인식한 후, 시스템은 가상 표준 치아 모델을 실제 왁스 블록의 해당 위치에 실시간으로 중첩시킵니다. (C) 가상 치아 모델을 3차원 형태학적 참조로 사용하여 AR 가이드 하에 초기 치아 조각을 수행합니다. (D) 교두, 와, 구, 주변 융선 및 축면 윤곽을 포함한 국소 해부학적 구조의 미세 조정이 AR 가이드 하에 수행됩니다. 여기 를 클릭하여 이 그림의 확대 버전을 확인하십시오.

그림 4: AR 정합 후 2차원 이미지 평면 오버레이 편차 측정.자동 AR 정합 후, 2차원 오버레이 이미지를 캡처하였다. P1–P4는 실제 치아 조각 베이스에서 선택한 네 개의 모서리 랜드마크를 나타내며, P1′–P4′는 가상 오버레이에서 선택한 해당 랜드마크를 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5표준 치아 모델과 비교한 조각 치아 모델의 3차원 편차 분석. 3차원 편차 지도가 협측 뷰에서 나타나 있습니다 (A), 설측도 (B), 교합면도 (C), 근심면도 (D), 및 원위뷰 (E). 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

표면	점 쌍, n	평균 ± SD (mm)	RMS (mm)	최소 (mm)	최대 (mm)
협측 표면	40	0.711 ± 0.226	0.745	0.235	1.174
원심측 표면	40	0.489 ± 0.156	0.513	0.146	0.913
근심측 표면	40	0.510 ± 0.207	0.549	0.194	0.856
설측 표면	40	0.540 ± 0.262	0.599	0.181	1.098
교합면	40	1.145 ± 0.494	1.245	0.27	2.401
전체	200	0.679 ± 0.381	0.778	0.146	2.401

표 1: AR 가상-실제 정합의 2차원 이미지 평면 오버레이 편차.

토론

치과 해부학 교육은 이론 교육과 실습 훈련을 결합한 고전적인 교수 모델을 채택하며 시간이 흐름에 따라 발전해 왔습니다. 치아 해부학적 형태에 대한 정확한 이해는 구강 임상 실무, 특히 보철 치료, 근관 치료, 교합 재건 및 임플란트 수복과 관련된 시술의 중요한 기초가 됩니다. 따라서 연구자들은 해부학적 지식 체계 구축을 지원하기 위해 새로운 교수법과 기술을 지속적으로 탐구해 왔습니다. 이전 연구들은 주로 교수법을 최적화하고 다양한 조각 재료의 적용 가능성을 탐구함으로써 치과 해부학 교육을 개선했습니다. 디지털 기술의 발전과 함께 3차원 스캐닝, 3차원 재구성, 3D 프린팅, 가상 현실 및 증강 현실이 임상 적용에서 의학 교육으로 점차 확대되었으며, 학생들이 복잡한 3차원 구조를 이해할 수 있는 새로운 도구를 제공하고 있습니다¹⁵. 향후 인공지능과 모바일 컴퓨팅이 발전함에 따라, 이러한 기술들이 더 낮은 비용으로 더 편리한 방식으로 일상적인 교육에 통합될 것으로 기대됩니다.

이 시스템에서는 표준 치아 모델을 재사용할 수 있습니다. 3차원 객체 추적 마커는 3D 모델링 소프트웨어에서 설계할 수 있으며, AR 소프트웨어로 직접 가져오기 전에 공간적 관계를 결정할 수 있습니다. 이후 치아 조각용 베이스를 3D 프린팅함으로써 전체 워크플로우를 완료할 수 있습니다. 치아 조각 훈련을 위한 물리적 참조물로 3D 프린팅된 치아 모델을 사용하는 것 또한 저렴한 비용, 직관적인 형태, 반복 관찰 등의 장점으로 교육적 가치가 있음이 입증되었습니다. 그러나 AR 기술은 실시간 시각적 내비게이션을 제공합니다. 이는 실제 왁스 블록 조각 환경에서 실시간으로 회전 및 투명도 조절이 가능한 3차원 시각적 참조물을 제공할 수 있습니다¹³. 기술이 계속 발전함에 따라, AR은 더 저렴하고 단순하며 편리한 형태로 교육에 적용될 것으로 기대됩니다. 따라서 AR 보조 교육은 추가 발전 가능성이 매우 큽니다.

AR 시스템의 경우, 시각화 품질, 트래킹 안정성 및 등록 정확도는 가상-실제 중첩의 신뢰성과 사용자 경험을 결정하는 핵심 기술 요소입니다¹⁶. 이전 연구들에서 치아 조각 교육을 위한 AR 시스템의 활용을 탐구해 왔으나, 대부분은 이미지 트래킹 방식을 채택했습니다^5,13. 이와 대조적으로, 본 시스템은 3차원 객체 트래킹을 사용합니다. 이미지 마커 트래킹은 준비 과정이 간단하고 비용이 저렴하며 배포가 쉽고, 마커가 명확하게 보이고 적절한 시야각 내에 있을 때 안정적인 인식을 제공할 수 있습니다. 치아 조각 과정 중에는 술자가 대상 치아 형태를 여러 각도에서 관찰할 수 있도록 왁스 블록을 회전시켜야 하는 경우가 많습니다. 이러한 조건에서 이미지 마커는 카메라 시야 내에서 완전히 보이지 않을 수 있으며, 이는 마커 인식을 중단시키고 실시간 AR 가이드의 연속성을 제한할 수 있습니다. 주로 평면 이미지 마커에 의존하는 이미지 트래킹과 비교하여, 3차원 객체 트래킹은 기하학적 윤곽과 자연스러운 시각적 특징을 기반으로 객체의 공간적 포즈를 추정합니다. 이를 통해 시스템은 다양한 시야각에서 가상 치아 모델을 실제 왁스 블록 베이스에 등록할 수 있으며, 결과적으로 술자가 실습 중 왁스 블록을 회전시키며 관찰해야 하는 실제 치아 조각 시나리오에 더 밀접하게 부합합니다. 그러나 이 접근 방식은 일반적으로 트래킹 대상의 CAD 모델이나 3차원 스캔 모델이 필요하고, 이후 3D 프린팅 및 조립 과정이 뒤따르므로 평면 이미지 마커 트래킹에 비해 모델 준비의 복잡성이 증가합니다. 따라서 실용적인 전략은 왁스 블록을 뚜렷한 기하학적 구조와 시각적 특징을 가진 베이스에 고정하는 것입니다. 이러한 트래킹 방식을 기반으로, 본 시스템은 베이스에 조립된 마커에 의존하여 직사각형 시야 내에서 가상 치아 모델을 관찰함으로써 트래킹 전략을 최적화합니다. 시스템 반복 개발 과정에서, 인식 민감도와 중첩 정확도의 균형을 맞추기 위해 등록 임계값 조정 기능이 추가되었습니다. 임계값이 낮을수록 인식 성공률은 향상되지만 중첩 안정성이 낮아질 수 있으며, 임계값이 높을수록 등록 정확도는 향상되지만 인식 난이도가 높아질 수 있습니다. 또한, 트래킹 인터페이스를 통해 사용자가 실시간으로 트래킹 모델을 전환하고 투명도를 조정할 수 있어 조작이 간소화되었습니다.

하지만 이 시스템에는 여전히 몇 가지 한계점이 있습니다. 첫째, 현재 시스템은 컴퓨터와 외장 고해상도 카메라에 의존합니다. 장치 연결 및 공간 배치가 상대적으로 복잡하여 대규모 강의 수업에서의 활용이 제한적입니다. 비용을 절감하고 접근성을 높이기 위해 태블릿이나 스마트폰과 같은 모바일 기기에 시스템을 맞춤 적용하는 작업이 진행 중입니다. 둘째, 인식 성능은 조명, 카메라 각도, 마커 가림, 베이스 회전 속도의 영향을 받습니다. 마커가 가려지거나 베이스가 너무 빠르게 회전하면 시스템이 이를 인식하지 못할 수 있으며, 인식이 복구되기 위해서는 마커가 다시 노출되어야 합니다. 이 프로토콜의 또 다른 한계는 모델 설계, 메시 처리 및 AR 등록을 위해 여러 상용 또는 맞춤형 소프트웨어 패키지가 사용되었다는 점입니다. 일부 기능은 오픈 소스 또는 저비용 대안으로 부분적으로 대체될 수 있습니다. 예를 들어, 3차원 모델 설계 및 편집에는 FreeCAD 또는 Blender를 사용할 수 있고, 메시 처리에는 MeshLab 또는 CloudCompare를 사용할 수 있습니다. 또한, Unity와 Vuforia Engine의 조합은 모델 타겟 기반 추적과 같이 3차원 객체 인식에 기반한 AR 개발 프레임워크를 제공할 수 있습니다. 그러나 이 프로토콜에서 사용된 AR 워크플로우를 재현하려면 여전히 추가적인 소프트웨어 개발, 파라미터 최적화 및 검증이 필요합니다. 따라서 모델링 및 메시 처리 단계는 대안 소프트웨어를 사용하여 부분적으로 재현할 수 있지만, 이 프로토콜에서 구현된 AR 추적 및 등록 모듈은 추가 개발과 검증 없이는 기존의 오픈 소스 패키지로 직접 대체될 수 없습니다.

마지막으로, 2차원 이미지 평면의 오버레이 편차 분석은 시스템의 오버레이 정확도를 부분적으로만 반영할 수 있습니다. 치아 조각은 3차원 과정이므로, 현재의 데이터만으로는 정밀한 치아 조각 훈련에 필요한 3차원 등록 정확도를 충분히 입증할 수 없습니다. 마커 가려짐, 카메라 각도, 조명 및 회전 속도가 등록 성능에 미치는 영향 또한 개별적으로 평가되지 않았습니다. 따라서 본 시스템이 정밀 치아 조각 가이드에 충분한 정확도를 제공하는지는 여전히 불분명합니다. 마지막으로, 본 연구는 단일 샘플 워크플로 검증만을 완료하였으며, 학생들의 조각 품질과 학습 성과를 향상시키는 능력은 향후 대규모 샘플의 대조 연구를 통해 확인될 필요가 있습니다.

요약하자면, 본 연구는 3차원 객체 추적을 기반으로 한 증강 현실 보조 치아 조각 프로토콜을 제안합니다. 단일 샘플 검증 결과, 이 워크플로우는 표준 치아 모델과 실제 왁스 블록 작업 환경 사이에 AR 오버레이를 구현할 수 있어, 치아 조각 교육을 위한 직관적인 3차원 시각적 참조를 제공할 수 있음을 시사합니다. 현재의 결과만으로는 교육적 효과가 전통적인 방법보다 우수하다는 것을 직접적으로 입증할 수는 없으나, 본 프로토콜은 치아 조각 교육에 AR 기술을 적용하는 추가 연구의 타당성과 가치를 보여줍니다. 모바일 기기, 3차원 인식 알고리즘 및 인공지능의 발전과 더불어, AR 보조 치아 조각 교육은 더 낮은 비용으로 더욱 편리하고 확장 가능한 방식으로 치과 기공 교육에 통합될 수 있을 것입니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
3D 스캐너	SHINING 3D	AutoScanEPCG-BD032G26	표준 왁스 치아의 3차원 스캐닝에 사용됨.
카메라	Intal RealSense	D415	3차원 객체 마커 인식을 위한 실시간 시야 확보에 사용됨.
치과용 왁스 조각 도구			왁스 블록을 조각함.
E3D CMF	Hunan Liuwei Jinghang Digital Technology Co., Ltd., Hunan, China.	https://www.e3d-med.com/	AR 내비게이션 소프트웨어.
FDM 3D 프린터	Bambu Lab	31B8BP631300564	왁스 블록 캐리어 베이스 및 3차원 객체 추적 마커 제작에 사용됨.
Geomagic Wrap	3D Systems Corporation	version 2021	표준 왁스 치아의 3차원 스캔 데이터 처리에 사용됨.
PLA 필라멘트	Bambu Lab	10105	FDM 3D 프린팅에 사용됨.
SOLIDWORKS	Dassault Systèmes	version 2025	왁스 블록 캐리어 베이스 및 객체 추적 마커의 3차원 모델링에 사용됨.
왁스 블록			치아 조각 연습용.