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Sistema Assistido por Realidade Aumentada para o Treinamento de Escultura Dentária no Ensino Odontológico

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DOI:

10.3791/73392

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18 de agosto de 2026

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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

Neste artigo

Resumo

O Sistema de Escultura Dentária com Assistência de Realidade Aumentada (AR-ATCS) reconhece marcadores de objetos 3D e sobrepõe um modelo dentário virtual a um bloco real de cera, fornecendo uma referência visual tridimensional para auxiliar estudantes de odontologia iniciantes durante a escultura dentária.

Resumo

O objetivo deste protocolo é aprimorar o ensino de anatomia dental por meio do desenvolvimento e aplicação de um sistema de escultura de dentes assistido por realidade aumentada (AR-ATCS). A morfologia dentária é um componente fundamental da educação em odontologia, exigindo que os alunos dominem estruturas anatômicas tridimensionais (3D) complexas e pontos anatômicos funcionais essenciais para procedimentos clínicos, como dentística restauradora e tratamento endodôntico. Tradicionalmente, essas habilidades são adquiridas por meio de exercícios de escultura em blocos de cera; no entanto, essa abordagem é frequentemente limitada por baixa eficiência instrucional e uma lacuna cognitiva significativa quando os alunos tentam transformar ilustrações bidimensionais (2D) de livros-texto em estruturas físicas tridimensionais. Para superar esses desafios, este protocolo descreve a integração da tecnologia de realidade aumentada (AR) ao treinamento manual de escultura de dentes. O sistema utiliza rastreamento de objetos tridimensionais e algoritmos de visão computacional para sobrepor um modelo virtual de dente 3D de alta fidelidade ao ambiente físico de trabalho. Ao reconhecer marcadores de rastreamento específicos por meio da câmera de um dispositivo móvel, o sistema projeta um guia digital na escala e orientação corretas diretamente sobre o bloco de cera. Esse alinhamento entre o virtual e o físico permite que os alunos visualizem a morfologia do dente alvo em tempo real e identifiquem desvios no progresso de sua escultura à medida que ocorrem. O protocolo fornece um fluxo de trabalho detalhado para estabelecer o ambiente de realidade aumentada, alinhar modelos virtuais com materiais físicos e utilizar o sistema como uma ferramenta de treinamento autoguiada. Ao fornecer feedback visual interativo e em múltiplos ângulos, o sistema reduz a dependência de demonstrações contínuas pelo instrutor e minimiza o impacto de erros irreversíveis na escultura. De modo geral, essa abordagem assistida por realidade aumentada oferece uma ferramenta suplementar de orientação visual para o treinamento tradicional em anatomia dental, apoiando alunos iniciantes durante a escultura de dentes e proporcionando um arcabouço mais eficiente para o exercício da morfologia dentária.

Introdução

A morfologia dental é um componente fundamental da educação em odontologia, com o objetivo de ajudar os estudantes a compreender de forma sistemática a morfologia anatômica dos dentes e suas características estruturais tridimensionais1,2. A prática de escultura dentária, como parte importante do ensino da morfologia dental, não só reflete o domínio dos estudantes sobre a anatomia dentária, mas também treina sua destreza manual e habilidades operatórias3,4. Ela fornece uma base essencial para a prática clínica, particularmente no tratamento protético2,5.

O treinamento tradicional em escultura dentária geralmente é conduzido sob a orientação de instrutores, nos quais os alunos esculpem a morfologia anatômica dos dentes anteriores e posteriores utilizando blocos de cera ou sabão3,5. No entanto, o desequilíbrio entre o número de instrutores e alunos dificulta que os professores forneçam orientação individualizada suficiente dentro de um período de ensino limitado4,5. Além disso, os alunos frequentemente enfrentam dificuldades cognitivas consideráveis ao transformar imagens bidimensionais em formas tridimensionais, o que pode reduzir tanto a eficiência da aprendizagem quanto a eficácia do ensino2,5,6.

Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento das tecnologias digitais, a impressão tridimensional, a realidade aumentada, a realidade virtual e outras abordagens digitais têm sido gradualmente aplicadas no ensino de anatomia médica e no ensino de laboratório odontológico6,7,8,9. Essas tecnologias superam as limitações dos atlas bidimensionais tradicionais, da observação de modelos físicos e da demonstração pelo professor na apresentação espacial, proporcionando aos estudantes uma experiência de aprendizagem mais intuitiva, dinâmica e tridimensional5,6,9.

A realidade aumentada é uma tecnologia de visualização que sobrepõe informações virtuais geradas por computador ao ambiente real em tempo real, permitindo assim a fusão entre o virtual e o real e a interação homem-computador. Ao complementar dados tridimensionais e informações espaciais em cenários do mundo real, a RA pode ampliar a percepção do observador sobre estruturas espaciais complexas10,11. Essa característica torna a RA particularmente adequada para cenários de ensino prático que exigem compreensão espacial e coordenação entre mão e olho. Atualmente, a tecnologia de RA já foi aplicada preliminarmente no ensino de anatomia e tem recebido feedback positivo11,12,13. Além do contexto educacional, a RA também tem sido aplicada na odontologia clínica. Por exemplo, Macrì et al. relataram o uso da exposição cirúrgica assistida por RA de um dente incluso, demonstrando que o registro espacial baseado em RA e a sobreposição virtual-real em tempo real podem ser utilizados na navegação cirúrgica oral14. Essa aplicação clínica fornece suporte adicional para a introdução da visualização espacial guiada por RA no treinamento de morfologia dental.

Neste protocolo, a tecnologia de realidade aumentada foi utilizada para auxiliar o treinamento de escultura dentária, fornecendo aos estudantes uma referência visual tridimensional contínua e intuitiva durante a prática, o que pode servir como complemento à orientação convencional do instrutor. Para esse fim, um sistema de escultura dentária assistido por realidade aumentada foi desenvolvido em conjunto e consiste principalmente em um software de realidade aumentada, uma câmera de alta definição, uma base suporte para bloco de cera e quatro marcadores tridimensionais de rastreamento de objetos fabricados separadamente. Os marcadores foram montados na base suporte, que mantém o bloco de cera em uma posição predefinida. Durante o funcionamento, o sistema captura imagens da área de trabalho física por meio da câmera. Após a identificação de um marcador tridimensional de objeto na base, o modelo dentário virtual é sobreposto em tempo real na posição correspondente do bloco de cera na interface de exibição, fornecendo assim aos estudantes uma referência visual para a escultura.

Com base neste sistema, foi realizada uma validação com uma única amostra. Um estudante que havia concluído o curso de anatomia dental realizou o procedimento de escultura dentária sob a orientação do protocolo proposto com assistência de realidade aumentada. O dente esculpido foi então escaneado e processado como um modelo tridimensional, e uma análise objetiva de desvio morfológico foi realizada mediante comparação com o modelo padrão do dente. Os resultados preliminares com uma única amostra indicaram a viabilidade do uso do AR-ATCS como ferramenta auxiliar no treinamento de morfologia dental.

Protocolo

1. Estabelecimento do modelo digital padrão do dente

OBSERVAÇÃO: Neste protocolo, o primeiro molar mandibular esquerdo foi utilizado como dente alvo para demonstrar a viabilidade do fluxo de trabalho de escultura dentária assistida por RA. Para outras posições dentárias, o fluxo de trabalho pode ser aplicado após a importação do modelo digital dentário padrão correspondente e a redefinição de sua relação espacial com o marcador tridimensional do objeto. Este passo leva aproximadamente 10 min.

  1. Varredura da câmara do modelo padrão de dente
    1. Prepare o modelo padrão de dente.
      OBSERVAÇÃO: Neste protocolo, utilize um modelo dentário padrão compatível com um bloco de cera de 25 mm × 25 mm × 50 mm.
    2. Aplique uma camada fina e uniforme de pó de digitalização ou spray antirreflexo sobre a superfície do modelo padrão de dente para reduzir erros de digitalização relacionados à reflexão.
    3. Coloque e fixe o modelo padrão de dente preparado no suporte do scanner tridimensional de câmara (equipado com câmeras duplas de 24 MP e precisão de digitalização <10 µm). Certifique-se de que o modelo está estável e que a área-alvo de digitalização está completamente exposta (Figura 1A).
    4. Abra o software de escaneamento 3D, crie um novo pedido e nomeie-o de acordo com a posição do dente alvo. Confirme as configurações de escaneamento e clique em Iniciar varredura.
    5. Após a digitalização, inspecione a integridade do modelo digital. Se nenhum defeito evidente for observado, exporte o modelo escaneado em formato STL e defina a unidade em milímetros (Figura 1B).
  2. Segmentação e processamento do modelo do dente escaneadoFigura 1C)
    1. Abrir o software de processamento de dados de escaneamento 3D.
    2. Clique em Arquivo > Aberto, selecione o arquivo STL do modelo padrão do dente e clique em Aberto.
    3. Na janela de seleção de unidade, selecione Milímetros e clique em OK.
    4. Clique em Polígonos > Aparar > Apare com plano. Ajuste manualmente a posição do plano de corte ao nível planejado para a secção da raiz.
    5. Confirme a região de corte, clique em Plano de Interseção > Excluir Seleção > Interseção Fechada > OK para remover a porção excessiva da raiz e fechar a borda aberta, obtendo um modelo digital estável de dente.
    6. Clique em Arquivo > Salvar e escolha Arquivo STL (binário) (*.STL) na lista Tipo de Arquivo.
  3. Construção da base do modelo padrão de denteFigura 1D)
    ​OBSERVAÇÃO: Esta etapa é utilizada para construir uma base regular para o modelo digital padrão do dente, estabelecendo assim uma relação espacial estável entre o modelo padrão, o bloco de cera e a base de rastreamento de realidade aumentada (AR). Os nomes exatos das opções de menu podem variar ligeiramente entre as versões do software.
    1. Abra o software de modelagem 3D.
    2. Clique em Arquivo > Aberto e selecione o arquivo STL do modelo digital padrão do dente.
    3. Clique em Opções, importar como Corpo Sólido ou Corpo de Superfície, e selecione Criar corpos em malha delimitados por faces únicas > Agrupar facetas em facese clique em OK e Aberto, de modo que as facetas triangulares na base do modelo dentário possam ser reconhecidas como uma face de referência relativamente completa.
    4. Crie o ponto central da base do modelo. Selecione a superfície inferior do modelo do dente, clique em Características > Ponto > Centro do Rosto > OK para gerar o ponto central (denominado Ponto1).
    5. Escolha a superfície inferior do modelo do dente como plano de esboço e clique em Esboço > Retângulo Central, desenhe um retângulo centrado em Ponto 1e clique em Smart Dimension para definir o retângulo como 25 mm × 25 mm. Clique em Sair do Sketch (denominado Esboço 1).
    6. Selecionar Esboço 1. Na guia Recursos, clique em Sobremetal Extrudado/Base. Sob Direção 1, selecione Cego, defina a Profundidade para 20 mm e clique em OK para gerar a base do modelo padrão de dente.

2. Projeto do suporte para bloco de cera e da base de rastreamento AR

OBSERVAÇÃO: Os marcadores tridimensionais de rastreamento de objetos e a base de bloco de cera para rastreamento de realidade aumentada são componentes personalizados. Seu design pode variar dependendo do propósito do projeto e da estratégia de modelagem. Portanto, a base descrita neste protocolo não é o único design possível e pode ser modificada, desde que sejam mantidas a fixação do bloco de cera, o reconhecimento dos marcadores e o conforto no manuseio. Este passo leva aproximadamente 30 min.

  1. Projeto da cavidade do bloco de ceraFigura 2A, B)
    1. Usando o software de modelagem 3D, clique em Novo > Parte > OK na página inicial.
    2. Escolha o Plano Superior e clique em Esboço. Clique em Centro do Retângulo e desenhe o esboço inicial centrado no Origem.
    3. Clique em Dimensão Inteligente para definir o retângulo como 40 mm × 40 mm, clique em Dimensão de Saída (denominado Esboço 1).
    4. Escolha Esboço 1, clique em Características > Base ou saliência extrudada, sob Direção 1, escolha Cego, e defina a Profundidade em 32,5 mm para criar um paralelepípedo de 40 mm × 40 mm × 32,5 mm (denominado Chefe – Extrusão 1).
    5. Escolha a superfície superior do paralelepípedo, clique em Esboço > Retângulo Central, e criar o esboço inicial centrado no Origem. Em seguida, clique em Dimensão Inteligente e defina o tamanho do retângulo para 25,2 mm × 25,2 mm (denominado Esboço 2). Este tamanho acomoda um bloco de cera de 25 mm × 25 mm com uma tolerância de montagem de aproximadamente 0,2 mm.
    6. Escolha Esboço 2, clique em Características > Corte Extrudadoe defina a profundidade de corte em 20 mm para criar o recesso no bloco de cera.
  2. Projeto de soquetes negativos para marcadores de rastreamento de objetos tridimensionais
    1. Escolha uma superfície vertical do paralelepípedo e clique em Esboço > Retângulo Central, desenhe um retângulo na face escolhida, clique em Dimensão Inteligentee defina-o como 5,2 mm × 5,2 mm (nomeado Esboço 3).
    2. Clique em Características > Corte Extrudado, escolha Esboço 3e defina a profundidade de corte em 5 mm.
    3. Repita os passos acima para criar encaixes nas quatro superfícies verticais. Para o encaixe na superfície inferior, defina o tamanho do esboço como 10,2 mm × 10,2 mm e a profundidade de corte como 10 mm.
    4. Clique em Salvar e salve o suporte do bloco de parafina como um SLDPRT arquivo.
  3. Projeto para estabilidade da base e conforto no corte
    1. Usando o software de modelagem 3D, clique em Novo > Parte > OK na página inicial.
    2. Escolha o Plano Superior e clique em Esboço > Círculo, desenhe um círculo de 80 mm de diâmetro centrado no ponto Origem (denominado SEsboço 1).
    3. Escolha o Esboço 1, clique em Características > Base ou saliência extrudadae defina a profundidade em 5 mm para criar uma placa circular estabilizadora.
    4. Clique em Plano Direito e desenhe um triângulo retângulo isósceles com o Origem como o ponto médio da hipotenusa, um comprimento de lado de 40 mm e um ângulo de 45° para criar um esboço (nomeado Esboço 2).
    5. Escolha Esboço 2, clique em Características > Saliente Extrudado/Base, escolha Plano Médio sob Direção e definir a profundidade para 40 mm para gerar uma estrutura inclinada de 45° (denominada Boss-Extrude 2).
    6. Escolha a superfície inclinada, clique em Esboço> Centro do Retângulo, desenhe um retângulo central de 10 mm × 10 mm, clique em Base/Saliente Extrudado, e defina a profundidade em 10 mm para criar o conector de suporte à base.
    7. Clique em Salvar e salve a estrutura de suporte estabilizadora como um arquivo SLDPRT.
  4. Projeto dos marcadores de rastreamento de objetos tridimensionais
    ​OBSERVAÇÃO: O marcador deve ter uma estrutura rígida, características de superfície estáveis e complexidade geométrica suficiente para melhorar a estabilidade do reconhecimento e rastreamento de objetos tridimensionais.
    1. Usando o software de modelagem 3D, clique em Novo > Parte > OK na página inicial.
    2. Escolha o Plano Superior e clique em Esboço > Polígono, desenhe um hexágono centrado na Origem, clique em Dimensão Inteligente, defina o comprimento lateral para 7,5 mm (nomeado Esboço 1).
    3. Escolha Esboço 1, clique em Características > Base ou saliência extrudadae definir a profundidade em 10 mm.
    4. Escolha a face inferior, clique em Esboço> Retângulo Central, desenhe um retângulo central de 5 mm × 5 mm (denominado Esboço 2).
    5. Escolha Esboço 2, clique em Características > Base ou saliência extrudadae defina a profundidade em 5 mm para formar um pino que se encaixe na tomada negativa da base.
    6. Utilize o Rascunho função com a face superior como o Plano Neutro. Selecione cada superfície lateral como o Plano de Inclinação e aplique diferentes ângulos de inclinação a cada superfície para aumentar a assimetria das características geométricas. Ajuste os ângulos de inclinação com base no desempenho de reconhecimento, evitando simetria completa em todas as superfícies laterais.
    7. Escolha a superfície superior do marcador, clique em Esboço > Textoe insira um rótulo de texto para adicionar características visuais locais e auxiliar o reconhecimento (nomeado Esboço 3).
    8. Escolha Esboço 3, clique em Características > Base ou saliência extrudadae defina a profundidade de extrusão para 2 mm.
    9. Repita os passos acima para criar os quatro marcadores laterais correspondentes às superfícies mesial, distal, vestibular e lingual.
    10. Clique em Salvar e salve cada marcador como um arquivo SLDPRT.
  5. Montagem da base e dos marcadores de AR e confirmação das relações espaciais
    1. Usando o software de modelagem 3D, clique em Novo > Montagem > OK na página inicial.
    2. Clique em Inserir Componentes, importe a base de bloco de cera com rastreamento AR, a estrutura de suporte estabilizadora e todos os marcadores de rastreamento de objetos tridimensionais.
    3. Clique em Acasalar função e aplicar Coincidente, Paralelo, Perpendicular, ou outros relacionamentos de cruzamento para definir as posições espaciais entre os marcadores e a base.
    4. Clique em Salvar Como, selecione STL formatar e clique em Opções na janela.
    5. Confirmar Salvar todos os componentes de um conjunto em um único arquivo não estiver selecionado, clique em OK > Salvar, exporte os arquivos STL individuais separadamente para a importação do modelo e configuração da relação espacial no software de realidade aumentada.

3. Impressão 3D e pós-processamento dos modelos

OBSERVAÇÃO: Utilizando a impressora e os parâmetros de impressão descritos neste protocolo, imprimir um conjunto completo de modelos leva aproximadamente 70 min.

  1. Seleção de material e configuração da impressora (Figura 2C,D)
    1. Utilize filamento de ácido polilático (PLA) fosco cinza para impressão, a fim de reduzir reflexos e facilitar o reconhecimento pela câmera de realidade aumentada.
    2. Utilize uma impressora 3D FDM fechada para controlar o ambiente de impressão e melhorar a estabilidade do processo. Ajuste os parâmetros conforme as características da impressora e do filamento.
    3. Importe o modelo STL para o software de fatiamento. Determine a orientação ideal movendo, rotacionando e selecionando a superfície de impressão para reduzir erros durante a impressão.
    4. Configure os parâmetros de fatiamento utilizando o software de fatiamento. Os parâmetros podem ser ajustados de acordo com a impressora e o material específicos.
  2. Parâmetros de fatiamento recomendados
    1. Defina o diâmetro do bico como 0,4 mm, a temperatura do bico como 220 °C e a temperatura da plataforma de construção como 55 °C. Utilize uma plataforma de construção PEI texturizada.
    2. Defina a altura da camada como 0,2 mm, a densidade de preenchimento como 15% e a velocidade de impressão como 50 mm/s para a primeira camada, 200 mm/s para a parede externa e 300 mm/s para a parede interna.
    3. Habilite suportes automáticos em formato de árvore quando houver estruturas salientes. Omita as estruturas de suporte caso não haja saliências. Habilite o resfriamento.
    4. Calibre a impressora antes da impressão e inspecione a cor e o estado da superfície do filamento.
  3. Pós-processamento dos modelos impressos
    1. Após a impressão e o resfriamento, remova a plataforma de construção e dobre-a suavemente para destacar o modelo naturalmente, protegendo assim a textura da superfície da plataforma.
    2. Remova cuidadosamente as estruturas de suporte utilizando alicate de ponta fina. Após a remoção dos suportes, inspecione o modelo quanto a possíveis problemas de integridade ou deformações. Caso as áreas de contato com os suportes estejam ásperas, lixe-as suavemente com lixa ou uma lima para melhorar a estabilidade da base.

4. Configuração do software de realidade aumentada e registro virtual-real

OBSERVAÇÃO: Neste protocolo, um software de realidade aumentada (AR) foi utilizado para importar o modelo digital padrão do dente e gerar a sobreposição virtual-real. Uma câmera RGB de alta definição foi usada para capturar imagens RGB em resolução 1080p a 30 fps. A função de detecção de profundidade da câmera não foi utilizada para rastreamento ou registro (Figura 3A,B). A importação dos modelos virtuais para o software e o ajuste da cor e transparência do modelo levaram menos de 1 minuto. O processo de registro levou menos de 5 segundos, e a navegação em tempo real foi alcançada imediatamente após o registro bem-sucedido.

  1. Preparação do hardware
    1. Ligue o computador e conecte a câmera de alta definição por meio de uma porta USB 3.0. Confirme que o sistema reconhece a câmera.
      ​NOTA: Os parâmetros de calibração da câmera foram pré-definidos durante o desenvolvimento do software e utilizados para o registro de RA. Nenhuma calibração adicional foi necessária durante o uso posterior. Para outros sistemas de RA, a calibração da câmera deve ser repetida conforme os requisitos do sistema.
  2. Importação do modelo e configurações de exibição
    1. Abra o software de RA.
    2. Clique em Importar STL, selecione a pasta contendo os arquivos STL do modelo digital padrão do dente e dos modelos de marcadores de RA, e importe os modelos necessários.
    3. Defina o modelo virtual do dente como branco para proporcionar alto contraste com o bloco de cera vermelho e defina a transparência para 0,4 para facilitar a observação da relação entre o instrumento de escultura e o contorno do modelo do dente.
  3. Início da navegação e registro de RA
    NOTA: Durante o registro, evite obstruir o marcador com a mão ou com instrumentos de escultura. Se o sistema não conseguir reconhecer o marcador, remova o obstáculo e reajuste a base para que o marcador entre novamente claramente no campo de visão da câmera.
    1. Selecione o marcador de RA e clique em Navegação Virtual > Navegação por Câmera. Na janela pop-up, selecione a câmera a ser utilizada e inicie a navegação de RA.
    2. Posicione o marcador físico de rastreamento tridimensional no centro do campo de visão da câmera, mantendo uma distância de trabalho de aproximadamente 25 cm. Utilize um fundo não reflexivo e evite iluminação direta intensa na área de operação para manter o reconhecimento estável do marcador.
    3. Ajuste o ângulo da câmera para que o eixo óptico seja aproximadamente perpendicular à superfície do marcador ou forme um ângulo oblíquo de aproximadamente 30°–45°, permitindo que o contorno virtual do marcador no software sobreponha o marcador físico o mais próximo possível em tamanho, orientação e posição.
      ​NOTA: Quando o marcador virtual se sobrepõe estreitamente ao marcador físico, o sistema o reconhece automaticamente e conclui o registro, habilitando o rastreamento em tempo real. O contorno do marcador virtual muda de vermelho para verde, e o modelo virtual do dente é então exibido de acordo com sua relação espacial pré-definida com o marcador, sendo sobreposto de forma estável na posição correspondente no bloco de cera.
    4. Clique em Configurações de Parâmetros para ajustar o limiar de qualidade de rastreamento.
      NOTA: Esse limiar é usado para determinar a qualidade da correspondência entre o modelo virtual e a cena real; o registro é considerado bem-sucedido apenas quando a correspondência de características e a confiança na localização atingem o limiar predefinido. Neste sistema, o limiar de qualidade de rastreamento foi definido como 0,7 com base em testes preliminares repetidos. Esse valor foi escolhido porque permitiu reconhecimento rápido, mantendo o rastreamento em tempo real e o registro virtual-real estáveis. Limiares mais baixos permitiam registro mais fácil do marcador, mas reduziam a precisão do registro, enquanto limiares mais altos aumentavam a dificuldade e o tempo necessários para o registro do marcador.

5. Procedimento de escultura dentária assistido por RA

  1. Insira o bloco de cera de 25 mm × 25 mm × 50 mm na reentrância da base do bloco de cera com rastreamento AR. Certifique-se de que a base do bloco de cera esteja totalmente assentada no fundo da reentrância e de que o bloco de cera esteja estável.
  2. Inicie a navegação AR. Determine a área e a direção iniciais de corte com base na sobreposição entre o modelo virtual do dente e o bloco de cera. Gire a base lentamente para observar o modelo virtual do dente a partir de diferentes ângulos de visualização.
  3. Observe o modelo virtual do dente a partir da direção de visualização correspondente ao marcador reconhecido de rastreamento de objeto tridimensional e suas superfícies adjacentes. Evite confiar na superfície oposta, pois ela pode não ser exibida de forma estável quando apenas um único marcador for reconhecido.
  4. Gire o suporte do bloco de cera para expor o marcador de rastreamento de objeto tridimensional mesial, distal, vestibular ou lingual conforme necessário. Em Configurações do Modelo, selecione o marcador correspondente para alternar a superfície de visualização.
  5. Ajuste a cor e a transparência do modelo virtual do dente nas Configurações do Modelo de acordo com a fase de observação.
  6. Remova qualquer mão ou instrumento que oculte o marcador. Se o sistema não reconhecer o marcador devido à oclusão ou à rotação rápida da base, ajuste lentamente a posição da base até que o marcador seja reconhecido novamente, e então continue a esculpir (Figura 3C,D).

Resultados

O AR-ATCS reconheceu com sucesso o marcador de rastreamento tridimensional do objeto na base e sobreposicionou de forma estável o modelo virtual do dente na posição correspondente do bloco de cera em tempo real. O modelo virtual representou com precisão as principais estruturas anatômicas, limites morfológicos e contornos superficiais, incluindo cúspides, fossas e sulcos, cristas marginais, contornos das superfícies axiais e contorno da coroa. Quando a base era girada lentamente e o marcador de rastreamento permanecia sem obstrução, o registro estável entre o modelo virtual do dente e o bloco de cera era mantido. Isso permitiu a visualização da morfologia do dente alvo a partir de múltiplas perspectivas, incluindo as vistas vestibular, lingual, mesial, distal e oclusal. Esses resultados demonstram que o sistema fornece uma referência visual tridimensional contínua que facilita a identificação de desvios morfológicos locais durante a escultura do dente.

Quando o marcador de rastreamento era parcialmente obstruído pela mão do operador ou pelos instrumentos de entalhe, ou quando a base era girada muito rapidamente, o reconhecimento do marcador era interrompido, resultando na perda da sobreposição do modelo virtual. Reposicionar a base e remover a obstrução restauraram o reconhecimento do marcador e restabeleceram o registro estável entre o virtual e o real, permitindo que o entalhe fosse retomado.

Uma análise de desvio por sobreposição no plano da imagem bidimensional foi realizada para avaliar o erro de sobreposição virtual-real. Em cada tentativa de registro, a câmera foi fixada e a base de escultura dentária com o marcador de rastreamento do objeto foi movida para o centro do campo de visão da câmera. Quando o contorno do marcador virtual se sobrepôs aproximadamente ao contorno do marcador físico, o sistema concluiu automaticamente o registro. Em seguida, uma imagem de sobreposição bidimensional foi capturada. Quatro marcos nos cantos da base de escultura dentária foram selecionados em cada imagem capturada, e as coordenadas físicas e virtuais correspondentes a esses marcos foram registradas (Figura 4). A distância euclidiana entre cada par de pontos físico-virtual foi calculada como o desvio de sobreposição bidimensional. Para cada superfície, foram realizadas 10 tentativas repetidas de registro, e quatro pares correspondentes de marcos físico-virtual foram medidos em cada tentativa. Assim, 40 pares de pontos foram analisados por superfície, resultando em um total de 200 pares de pontos em cinco superfícies. Para as superfícies vestibular, distal, mesial e lingual, o registro foi realizado utilizando o marcador de rastreamento do objeto correspondente a cada superfície. Para a superfície oclusal, o registro foi inicialmente concluído usando marcadores nas outras superfícies, e em seguida a base foi rotacionada para obter a imagem de sobreposição na vista oclusal. Essa rotação adicional pode ter contribuído para o maior desvio observado nesta vista. O desvio médio geral de sobreposição bidimensional foi de 0,679 ± 0,381 mm, com um desvio RMS de 0,778 mm. A superfície oclusal apresentou o maior desvio e variabilidade, enquanto as superfícies vestibular, distal, mesial e lingual apresentaram desvios de sobreposição menores (Table 1).

O resultado da escultura apresentado aqui foi obtido a partir de um único estudante que havia concluído recentemente um curso de anatomia dental e finalizado o procedimento de escultura dentária em até duas horas, sob orientação contínua do AR-ATCS; portanto, a análise de desvio quantitativo representa dados de uma única amostra. A análise tridimensional de desvio foi realizada comparando-se o modelo dentário esculturado digitalizado com o modelo padrão do dente. Utilizando uma tolerância predefinida de ±0,5 mm, 52,26% dos pontos da superfície estavam dentro desse intervalo. O desvio médio com sinal foi de 0,1025 mm e o desvio quadrático médio (RMS) foi de 0,7434 mm. Os desvios máximos positivo e negativo foram de +1,9275 mm e −1,9272 mm, respectivamente. O mapa de desvios codificado por cores indicou que as maiores discrepâncias morfológicas estavam localizadas principalmente na superfície oclusal e em regiões selecionadas dos contornos axiais (Figura 5). Esses valores de desvio representam a discrepância cumulativa entre o modelo dentário esculturado final e o modelo padrão do dente após digitalização tridimensional e alinhamento dos modelos, e não medições isoladas de erro de escultura, erro de registro do AR ou erro de digitalização.

Esses resultados preliminares de uma única amostra apoiam a viabilidade técnica do fluxo de trabalho AR-ATCS. Durante o procedimento observado de escultura dentária, o sistema manteve uma sobreposição em tempo real do modelo dentário virtual sobre o bloco de cera físico, fornecendo uma referência tridimensional para a morfologia dentária e características anatômicas relacionadas.

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Figura 1: Preparação do modelo digital padrão de dente em cera. (A) Escaneamento tridimensional do dente em cera padrão. (B) Dados iniciais do escaneamento do dente em cera padrão e das estruturas circundantes. (C) Modelo digital do dente padrão processado após corte e otimização da superfície. (D) O modelo do dente padrão foi alinhado com a base virtual do bloco de cera para definir sua posição espacial no sistema de realidade aumentada. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.

Figura 2: Projeto e fabricação da base do porta-bloco de cera. (A) Modelo de projeto tridimensional da base do porta-bloco de cera e do marcador de rastreamento de objeto projetado separadamente. (B) Configuração da relação espacial entre o modelo digital padrão do dente e a base do porta-bloco de cera. (C) Base do porta-bloco de cera impressa em 3D com o marcador de rastreamento de objeto impresso separadamente. (D) O bloco de cera é fixado na base suporte impressa em 3D para a posterior escultura do dente assistida por realidade aumentada.

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Figura 3: Fluxo de trabalho da escultura dentária assistida por realidade aumentada. (A) Interface do software de navegação por realidade aumentada mostrando o modelo digital do dente padrão importado e um marcador de rastreamento de objeto tridimensional. (B) Após reconhecer o marcador de objeto tridimensional na base, o sistema sobrepõe o modelo virtual do dente padrão à posição correspondente do bloco de cera físico em tempo real. (C) A escultura inicial do dente é realizada com orientação de RA, utilizando o modelo dentário virtual como referência morfológica tridimensional. (D) Ajustes finos das estruturas anatômicas locais, incluindo cúspides, fossas e sulcos, cristas marginais e contornos das superfícies axiais, são realizados com orientação de RA. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.

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Figura 4: Medição do desvio do sobreposição no plano da imagem bidimensional após o registro de RA. Após o registro automático de RA, uma imagem sobreposta bidimensional foi capturada. P1–P4 indicam os quatro marcos de referência selecionados na base física de escultura dentária, e P1′–P4′ indicam os marcos correspondentes selecionados na sobreposição virtual. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.

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Figura 5Análise tridimensional do desvio do modelo de dente esculpido em comparação com o modelo de dente padrão. Mapas de desvio tridimensionais são mostrados a partir da vista vestibular (A), vista lingual (B), vista oclusal (C), vista medial (D) e vista distal (E). Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.

SuperfíciePares de pontos, nMédia ± DP (mm)RMS (mm)Mín. (mm)Máx. (mm)
Superfície vestibular400,711 ± 0,2260,7450,2351,174
Superfície distal400,489 ± 0,1560,5130,1460,913
Superfície mesial400,510 ± 0,2070,5490,1940,856
Superfície lingual400,540 ± 0,2620,5990,1811,098
Superfície oclusal401,145 ± 0,4941,2450,272,401
Geral2000,679 ± 0,3810,7780,1462,401

Tabela 1: Desvio do plano de sobreposição bidimensional do registro virtual-real de realidade aumentada.

Discussão

A educação em anatomia dental evoluiu ao longo do tempo, adotando um modelo clássico de ensino que combina instrução teórica com treinamento prático. Uma compreensão precisa da morfologia anatômica dos dentes é uma base importante para a prática clínica bucal, especialmente em procedimentos relacionados ao tratamento protético, tratamento endodôntico, reconstrução oclusal e reabilitação com implantes. Portanto, pesquisadores têm explorado continuamente novos métodos e tecnologias de ensino para apoiar o estabelecimento de sistemas de conhecimento anatômico. Estudos anteriores melhoraram principalmente o ensino da anatomia dental por meio da otimização dos métodos de ensino e da exploração da aplicabilidade de diferentes materiais para escultura. Com o desenvolvimento das tecnologias digitais, a digitalização tridimensional, a reconstrução tridimensional, a impressão 3D, a realidade virtual e a realidade aumentada têm se expandido gradualmente das aplicações clínicas para a educação médica, fornecendo novas ferramentas para os estudantes compreenderem estruturas tridimensionais complexas15. No futuro, à medida que a inteligência artificial e a computação móvel avançarem, espera-se que essas tecnologias sejam integradas ao ensino rotineiro de forma mais acessível e conveniente.

Neste sistema, o modelo padrão de dente pode ser reutilizado. Os marcadores de rastreamento tridimensional podem ser projetados em softwares de modelagem 3D, e suas relações espaciais podem ser determinadas antes de serem diretamente importados para o software de realidade aumentada (AR). Todo o fluxo de trabalho pode então ser concluído mediante a impressão 3D da base para esculpir dentes. Vale ressaltar que o uso de modelos dentários impressos em 3D como referência física para o treinamento de escultura dentária também demonstrou valor educacional, com vantagens como baixo custo, morfologia intuitiva e observação repetida. No entanto, a tecnologia de realidade aumentada oferece navegação visual em tempo real. Ela pode fornecer uma referência visual tridimensional em tempo real, rotacionável e com transparência ajustável no ambiente real de escultura em bloco de cera13. À medida que a tecnologia continua a evoluir, espera-se que a AR seja aplicada ao ensino de forma mais acessível, simples e conveniente. Portanto, o ensino assistido por realidade aumentada possui considerável potencial para desenvolvimento futuro.

Para sistemas de realidade aumentada (RA), a qualidade da visualização, a estabilidade do rastreamento e a precisão do registro são fatores técnicos essenciais que determinam a confiabilidade da sobreposição virtual-real e a experiência do usuário16. Estudos anteriores exploraram o uso de sistemas de RA no ensino de escultura dentária, mas a maioria adotou rastreamento por imagem5,13. Em contraste, o sistema atual utiliza rastreamento de objeto tridimensional. O rastreamento por marcador de imagem oferece preparação simples, baixo custo e fácil implantação, podendo fornecer reconhecimento estável quando o marcador é claramente visível e dentro de um ângulo de visão adequado. Durante a escultura dentária, o bloco de cera frequentemente precisa ser girado para que o operador possa observar a morfologia do dente alvo sob múltiplos ângulos. Nessas condições, um marcador de imagem pode não permanecer totalmente visível no campo de visão da câmera, o que pode interromper o reconhecimento do marcador e limitar a continuidade da orientação em tempo real por RA. Em comparação com o rastreamento por imagem, que depende principalmente de marcadores planares, o rastreamento de objeto tridimensional estima a pose espacial do objeto com base em seu contorno geométrico e características visuais naturais. Isso permite que o sistema registre o modelo dentário virtual com a base física do bloco de cera a partir de múltiplos ângulos de visão, aproximando-se mais do cenário real de escultura dentária, no qual o operador precisa girar e observar o bloco de cera durante a prática. No entanto, essa abordagem geralmente exige um modelo CAD ou um modelo tridimensional escaneado do objeto a ser rastreado, seguido de impressão 3D e montagem, o que aumenta a complexidade da preparação do modelo em comparação com o rastreamento por marcador de imagem planar. Assim, uma estratégia prática consiste em fixar o bloco de cera em uma base com estruturas geométricas e características visuais distintas. Com base nessa abordagem de rastreamento, o sistema otimiza a estratégia de rastreamento utilizando marcadores montados na base para observar o modelo dentário virtual dentro de um campo de visão retangular. Durante a iteração do sistema, foi adicionada uma função de ajuste do limiar de registro para equilibrar sensibilidade de reconhecimento e precisão da sobreposição. Um limiar mais baixo melhora o sucesso do reconhecimento, mas pode reduzir a estabilidade da sobreposição, enquanto um limiar mais alto melhora a precisão do registro, mas pode aumentar a dificuldade de reconhecimento. Além disso, a interface de rastreamento permite que os usuários alternem entre modelos de rastreamento e ajustem a transparência em tempo real, simplificando assim a operação.

No entanto, este sistema ainda apresenta várias limitações. Primeiro, o sistema atual depende de um computador e de uma câmera externa de alta definição. A conexão dos dispositivos e o arranjo espacial são relativamente complexos, o que limita sua aplicação no ensino em turmas grandes. Para reduzir custos e melhorar a acessibilidade, está em andamento o trabalho de adaptar o sistema para dispositivos móveis, como tablets e smartphones. Segundo, o desempenho do reconhecimento é afetado pela iluminação, ângulo da câmera, oclusão do marcador e velocidade de rotação da base. Quando o marcador está ocluído ou a base gira muito rapidamente, o sistema pode deixar de reconhecê-lo, sendo necessário expor novamente o marcador para que o reconhecimento seja restabelecido. Outra limitação deste protocolo é que diversos pacotes de software comerciais ou personalizados foram utilizados para o design do modelo, processamento de malhas e registro de realidade aumentada (AR). Algumas funções podem ser parcialmente substituídas por alternativas de código aberto ou de baixo custo. Por exemplo, o FreeCAD ou o Blender podem ser usados para o projeto e edição de modelos tridimensionais, e o MeshLab ou o CloudCompare podem ser utilizados para o processamento de malhas. Além disso, o Unity combinado com o Vuforia Engine pode fornecer uma estrutura de desenvolvimento potencial para AR baseada no reconhecimento de objetos tridimensionais, como o rastreamento baseado em modelos-alvo. No entanto, reproduzir o fluxo de trabalho de AR utilizado neste protocolo ainda exigiria desenvolvimento adicional de software, otimização de parâmetros e validação. Portanto, embora as etapas de modelagem e processamento de malhas possam ser parcialmente reproduzidas com softwares alternativos, o módulo de rastreamento e registro de AR implementado neste protocolo não pode ser diretamente substituído por um pacote de código aberto existente sem desenvolvimento e validação adicionais.

Por fim, a análise de desvio do plano de sobreposição bidimensional pode refletir apenas parcialmente a precisão de sobreposição do sistema. Como a escultura dentária é um procedimento tridimensional, os dados atuais não conseguem demonstrar plenamente a precisão de registro tridimensional necessária para o treinamento fino em escultura dentária. Os efeitos da oclusão de marcadores, ângulo da câmera, iluminação e velocidade de rotação no desempenho do registro também não foram avaliados separadamente. Portanto, ainda não está claro se o sistema oferece precisão suficiente para orientação precisa na escultura dentária. Por fim, este estudo realizou apenas uma validação de fluxo de trabalho com uma única amostra, e sua capacidade de melhorar a qualidade da escultura dos alunos e os resultados de aprendizagem ainda precisa ser confirmada por meio de estudos controlados com grandes amostras.

Em resumo, este estudo propõe um protocolo de escultura dentária assistida por realidade aumentada baseado no rastreamento de objetos tridimensionais. Os resultados de validação com uma única amostra sugerem que este fluxo de trabalho pode alcançar uma sobreposição de realidade aumentada entre o modelo dentário padrão e a cena física de operação com bloco de cera, fornecendo uma referência visual tridimensional intuitiva para o treinamento em escultura dentária. Embora os resultados atuais não possam demonstrar diretamente que seu efeito educacional seja superior ao dos métodos tradicionais, este protocolo demonstra a viabilidade e o valor de pesquisas futuras sobre a aplicação da tecnologia de realidade aumentada no treinamento de escultura dentária. Com os avanços nos dispositivos móveis, nos algoritmos de reconhecimento tridimensional e na inteligência artificial, a educação em escultura dentária assistida por realidade aumentada poderá ser integrada ao ensino em laboratórios odontológicos de forma mais acessível, conveniente e escalável.

Divulgações

Os autores não têm conflitos de interesse a declarar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pela Equipe da Universidade Médica de Kunming para Diagnóstico e Tratamento de Malformações Craniofaciais Complexas (2024XKTDTS08), Projeto de Pesquisa do Centro Clínico Médico Provincial de Yunnan (2024YNLCYXZX0227, 2024YNLCYXZX0229), Centro de Pesquisa Clínica de Yunnan para Doenças Bucais (202505AJ310001) e pelo Plano de Apoio à Formação de Pessoas Altamente Qualificadas da Província de Yunnan (YNWR-MY-2020-086).

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Scanner 3DSHINING 3DAutoScanEPCG-BD032G26Utilizado para a varredura tridimensional do dente de cera padrão.
CâmeraIntal RealSenseD415Utilizada para adquirir o campo visual em tempo real para o reconhecimento do marcador do objeto tridimensional.
Instrumento de escultura em cera odontológicaEsculpir o bloco de cera.
E3D CMFHunan Liuwei Jinghang Digital Technology Co., Ltd., Hunan, China.https://www.e3d-med.com/Software de navegação por realidade aumentada.
Impressora 3D FDMBambu Lab31B8BP631300564Utilizada para fabricar a base do porta-bloco de cera e o marcador de rastreamento do objeto tridimensional.
Geomagic Wrap3D Systems Corporationversão 2021Utilizado para processar os dados da varredura tridimensional do dente de cera padrão.
Filamento PLABambu Lab10105Utilizado para impressão 3D FDM.
SOLIDWORKS Dassault Systèmesversão 2025Utilizado para modelagem tridimensional da base do porta-bloco de cera e do marcador de rastreamento do objeto.
Bloco de ceraPrática de escultura dentária.

Referências

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