Методическая статья

Система с поддержкой дополненной реальности для обучения вырезанию зубов в стоматологическом образовании

59 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/73392

⸱

18 августа 2026 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Система вырезания зубов с поддержкой дополненной реальности (AR-ATCS) распознает маркеры 3D-объектов и накладывает виртуальную модель зуба на реальный восковой блок, обеспечивая трехмерный визуальный ориентир для помощи студентам-стоматологам начального уровня в процессе вырезания зуба.

Аннотация

Целью данного протокола является совершенствование обучения анатомии зубов путем разработки и применения системы моделирования зубов с поддержкой дополненной реальности (AR-ATCS). Морфология зубов является фундаментальным компонентом стоматологического образования, требующим от студентов освоения сложных трехмерных (3D) анатомических структур и функциональных ориентиров, которые необходимы для таких клинических процедур, как восстановительная стоматология и эндодонтическое лечение. Традиционно эти навыки приобретаются в ходе упражнений по вырезанию из восковых блоков; однако этот подход часто ограничен низкой эффективностью обучения и значительным когнитивным разрывом, когда студенты пытаются перенести двухмерные (2D) иллюстрации из учебников в трехмерные физические структуры. Для решения этих проблем в данном протоколе описывается интеграция технологии дополненной реальности (AR) в практику ручного моделирования зубов. Система использует алгоритмы трехмерного отслеживания объектов и компьютерного зрения для наложения высокоточной виртуальной 3D-модели зуба на физическое рабочее пространство. Распознавая специальные маркеры отслеживания с помощью камеры мобильного устройства, система проецирует цифровое руководство в правильном масштабе и ориентации непосредственно на восковой блок. Такое совмещение виртуального и физического позволяет студентам в режиме реального времени визуализировать целевую морфологию зуба и выявлять отклонения в процессе вырезания по мере их возникновения. Протокол представляет собой подробный рабочий процесс по созданию AR-среды, совмещению виртуальных моделей с физическими материалами и использованию системы в качестве инструмента для самостоятельного обучения. Обеспечивая интерактивную многоракурсную визуальную обратную связь, система снижает зависимость от постоянных демонстраций преподавателя и сводит к минимуму последствия необратимых ошибок при вырезании. В целом, этот подход с поддержкой AR служит дополнительным инструментом визуального руководства при традиционном изучении анатомии зубов, поддерживая студентов-новичков в процессе моделирования зубов и предлагая более эффективную основу для практики по изучению морфологии зубов.

Введение

Морфология зубов является основным компонентом стоматологического образования, целью которого является систематическое ознакомление студентов с анатомической морфологией зуба и его трехмерными структурными характеристиками1,2. Практика по вырезанию зубов, как важная часть обучения морфологии зубов, не только отражает степень освоения студентами анатомии зуба, но и развивает их мануальные навыки и операционную технику3,4. Она создает необходимую базу для клинической практики, особенно в области ортопедического лечения2,5.

Традиционное обучение резбе зубов обычно проводится под руководством инструкторов, в ходе которого студенты воссоздают анатомическую морфологию передних и боковых зубов, используя блоки из воска или мыла3,5. Однако дисбаланс между количеством преподавателей и студентов затрудняет предоставление достаточного индивидуального руководства в ограниченные сроки обучения4,5. Кроме того, студенты часто сталкиваются со значительными когнитивными трудностями при преобразовании двухмерных изображений в трехмерные формы, что может снизить как эффективность обучения, так и результативность преподавания2,5,6.

В последние годы, в связи с быстрым развитием цифровых технологий, трехмерная печать, дополненная реальность, виртуальная реальность и другие цифровые подходы постепенно начали применяться в преподавании медицинской анатомии и в обучении в зуботехнических лабораториях6,7,8,9. Эти технологии позволяют преодолеть ограничения традиционных двухмерных атласов, наблюдения за физическими моделями и демонстраций преподавателя в части пространственного представления, предоставляя студентам более интуитивный, динамичный и трехмерный опыт обучения5,6,9.

Дополненная реальность (AR) представляет собой технологию визуализации, которая в режиме реального времени накладывает виртуальную информацию, созданную компьютером, на реальную среду, обеспечивая тем самым слияние виртуального и реального миров и взаимодействие человека с компьютером. Дополняя трехмерные данные и пространственную информацию в сценариях реального мира, AR может расширить восприятие наблюдателем сложных пространственных структур10,11. Эта особенность делает AR особенно подходящей для практических учебных сценариев, требующих пространственного понимания и зрительно-моторной координации. На данный момент технология AR была предварительно применена в обучении анатомии и получила положительные отзывы11,12,13. Помимо образовательных целей, AR также была внедрена в клиническую стоматологию. Например, Macrì и соавт. сообщили об использовании AR-ассистированного хирургического обнажения ретинированного зуба, продемонстрировав, что пространственная регистрация на базе AR и наложение виртуальных объектов на реальные в режиме реального времени могут быть применены в навигации при операциях в полости рта14. Данное клиническое применение обеспечивает дополнительную поддержку для внедрения пространственной визуализации под руководством AR в обучение стоматологической морфологии.

В данном протоколе технология дополненной реальности (AR) использовалась для помощи в обучении вырезанию зубов из воска, предоставляя студентам непрерывный интуитивно понятный трехмерный визуальный ориентир во время практики, что может служить дополнением к традиционным указаниям преподавателя. Для этой цели была совместно разработана система вырезания зубов с поддержкой AR, которая в основном состоит из программного обеспечения AR, камеры высокого разрешения, основания-держателя для воскового блока и четырех отдельно изготовленных маркеров для трехмерного отслеживания объектов. Маркеры были закреплены на основании-держателе, который фиксирует восковой блок в заданном положении. Во время работы система захватывает изображения физической рабочей зоны с помощью камеры. После распознавания маркера трехмерного объекта на основании виртуальная модель зуба в режиме реального времени накладывается на соответствующее положение воскового блока в интерфейсе дисплея, обеспечивая тем самым студентам визуальный ориентир для вырезания.

На базе данной системы была проведена валидация на одном образце. Студент, прошедший курс анатомии зубов, выполнил процедуру вырезания зуба под руководством предложенного протокола с поддержкой AR. Затем вырезанный зуб был отсканирован и обработан в виде трехмерной модели, после чего был проведен объективный анализ морфологических отклонений путем сравнения с эталонной моделью зуба. Предварительные результаты на одном образце подтвердили возможность использования AR-ATCS в качестве вспомогательного инструмента для обучения морфологии зубов.

Протокол

1. Создание стандартной цифровой модели зуба

ПРИМЕЧАНИЕ: В данном протоколе в качестве целевого зуба использовался первый моляр нижней челюсти слева для демонстрации возможности реализации рабочего процесса вырезания зуба с помощью дополненной реальности (AR). Для других позиций зубов этот рабочий процесс может быть применен после импорта соответствующей стандартной цифровой модели зуба и переопределения ее пространственного соотношения с трехмерным объектным маркером. Этот этап занимает примерно 10 min.

  1. Камерное сканирование стандартной модели зуба
    1. Подготовьте стандартную модель зуба.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В данном протоколе используйте стандартную модель зуба, совместимую с восковым блоком размером 25 mm × 25 mm × 50 mm.
    2. Нанесите тонкий и равномерный слой сканирующего порошка или антибликового спрея на поверхность стандартной модели зуба, чтобы уменьшить ошибки сканирования, вызванные отражением.
    3. Поместите и закрепите подготовленную стандартную модель зуба в держателе трехмерного камерного сканера (оснащенного двумя камерами с разрешением 24 MP и точностью сканирования <10 µm). Убедитесь, что модель устойчива и целевая область сканирования полностью открыта (Рисунок 1A).
    4. Откройте программное обеспечение для 3D-сканирования, создайте новый заказ и присвойте ему имя в соответствии с положением целевого зуба. Подтвердите настройки сканирования и нажмите на Start Scan (Начать сканирование).
    5. После сканирования проверьте целостность цифровой модели. При отсутствии явных дефектов экспортируйте отсканированную модель в формате STL, установив единицы измерения в миллиметрах (Рисунок 1B).
  2. Сегментация и обработка отсканированной модели зуба (Рисунок 1C)
    1. Откройте программное обеспечение для обработки данных 3D-сканирования.
    2. Нажмите File > Open (Файл > Открыть), выберите STL-файл стандартной модели зуба и нажмите Open (Открыть).
    3. В окне выбора единиц измерения выберите Millimeters (Миллиметры) и нажмите OK.
    4. Нажмите Polygons > Trim > Trim with Plane (Полигоны > Обрезка > Обрезка плоскостью). Вручную отрегулируйте положение секущей плоскости до запланированного уровня сечения корня.
    5. Подтвердите область реза, нажмите Intersect Plane > Delete Selection > Close Intersection > OK (Плоскость пересечения > Удалить выделенное > Закрыть пересечение > OK), чтобы удалить лишнюю часть корня и закрыть открытую границу, получив герметичную стандартную цифровую модель зуба.
    6. Нажмите File > Save (Файл > Сохранить) и выберите в списке типов файлов STL (binary) File (*.STL).
  3. Создание основания стандартной модели зуба (Рисунок 1D)
    ​ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг используется для создания регулярного основания стандартной цифровой модели зуба, что позволяет установить стабильную пространственную связь между стандартной моделью, восковым блоком и базой AR-трекинга. Точные названия пунктов меню могут незначительно отличаться в зависимости от версии программного обеспечения.
    1. Откройте программное обеспечение для 3D-моделирования.
    2. Нажмите File > Open (Файл > Открыть) и выберите STL-файл стандартной цифровой модели зуба.
    3. Нажмите Options (Опции), выберите импорт как Solid Body (Тело) или Surface Body (Поверхность), выберите Create mesh bodies bounded by single faces > Group facets into faces (Создать сетчатые тела, ограниченные одиночными гранями > Группировать грани в поверхности), нажмите OK и Open, чтобы треугольные грани в нижней части модели зуба могли быть распознаны как относительно целостная опорная поверхность.
    4. Создайте центральную точку основания модели. Выберите нижнюю поверхность модели зуба, нажмите Features > Point > Center of Face > OK (Элементы > Точка > Центр грани > OK), чтобы создать центральную точку (названную Point1).
    5. Выберите нижнюю поверхность модели зуба в качестве плоскости эскиза и нажмите Sketch > Center Rectangle (Эскиз > Прямоугольник с центром), начертите прямоугольник с центром в Point 1 и нажмите Smart Dimension (Интеллектуальный размер), чтобы установить размер прямоугольника 25 mm × 25 mm. Нажмите Exit Sketch (Выйти из эскиза) (названный Sketch 1).
    6. Выберите Sketch 1. На вкладке «Элементы» нажмите Extruded Boss/Base (Вытянутый босс/основание). В разделе Direction 1 (Направление 1) выберите Blind (На заданную величину), установите глубину (Depth) 20 mm и нажмите OK, чтобы создать основание стандартной модели зуба.

2. Разработка держателя для воскового блока и базы для AR-трекинга

ПРИМЕЧАНИЕ: Трехмерные маркеры для отслеживания объектов и основание из воскового блока для AR-трекинга являются специализированными компонентами. Их конструкция может варьироваться в зависимости от целей проектирования и стратегии моделирования. Следовательно, основание, описанное в данном протоколе, не является единственным возможным вариантом и может быть модифицировано при условии сохранения надежности фиксации воскового блока, распознавания маркеров и удобства манипуляций. Этот этап занимает примерно 30 min.

  1. Конструкция углубления в восковом блоке (Рисунок 2A,B)
    1. С помощью программного обеспечения для 3D-моделирования нажмите на Новый > Часть > Пожалуйста, предоставьте текст для перевода. на главной странице.
    2. Выберите Верхняя плоскость и нажмите на НабросокНажмите на Центрирование прямоугольника и начертите первоначальный эскиз с центром в Происхождение.
    3. Нажмите на Интеллектуальный размер чтобы установить размер прямоугольника 40 мм × 40 мм, нажмите на Выходное измерение (названный Эскиз 1).
    4. Выберите Схема 1, нажмите на Особенности > Экструдированный выступ/основание, под Направление 1выберите Слепой метод, и установите значение параметра Depth (Глубина) на 32,5 мм, чтобы создать параллелепипед размером 40 мм × 40 мм × 32,5 мм (названный Вытянутый бобышка 1).
    5. Выберите верхнюю грань параллелепипеда, нажмите на Схема > Центрирование прямоугольника, и создайте первоначальный набросок с центром в ПроисхождениеЗатем нажмите на Интеллектуальное размерное оформление установите размер прямоугольника 25,2 мм × 25,2 мм (назовите его Sketch 2). Этот размер рассчитан на восковой блок 25 мм × 25 мм с допуском на сборку примерно 0,2 мм.
    6. Выберите Схема 2, нажмите на Особенности > Выдавленный вырези установите глубину реза на 20 мм, чтобы создать углубление для воскового блока.
  2. Разработка негативных гнезд для маркеров трехмерного отслеживания объектов
    1. Выберите одну из вертикальных поверхностей параллелепипеда и нажмите на нее Схема > Центрировать прямоугольник, нарисуйте прямоугольник на выбранной грани, нажмите на Интеллектуальное измерениеи установите размер 5,2 мм × 5,2 мм (назовите Схема 3).
    2. Нажмите на Особенности > Выдавливание (вырез)выберите Схема 3и установите глубину среза на 5 мм.
    3. Повторите вышеописанные действия, чтобы создать пазы на четырех вертикальных поверхностях. Для паза на нижней поверхности установите размер эскиза 10,2 мм × 10,2 мм и глубину выреза 10 мм.
    4. Нажмите на Сохранить и сохраните держатель воскового блока как SLDPRT Поскольку вы не предоставили исходный текст для перевода, пожалуйста, отправьте содержимое файла или текст, который необходимо перевести. Я готов приступить к профессиональному переводу вашего научного контента для JoVE на русский язык, строго следуя всем указанным инструкциям.
  3. Конструкция для обеспечения устойчивости основания и удобства резьбы
    1. С помощью программного обеспечения для 3D-моделирования нажмите на Новый > Часть > Пожалуйста, предоставьте текст для перевода. на главной странице.
    2. Выберите Верхняя плоскость и нажмите на Схематичное изображение > Круг, начертите круг диаметром 80 мм с центром в Происхождение (названный SЭскиз 1).
    3. Выберите Эскиз 1, нажмите на Особенности > Выдавливание выступа/основанияи установите глубину 5 мм для создания круглой стабилизирующей пластины.
    4. Нажмите на Правая плоскость и нарисуйте равнобедренный прямоугольный треугольник с помощью Происхождение как среднюю точку гипотенузы, длину стороны 40 мм и угол 45° для создания эскиза (названного Схема 2).
    5. Выберите Схема 2, нажмите на Особенности > Выдавшаяся база/основаниевыберите Средняя плоскость в направлении Direction и установите глубину 40 мм для создания наклонной структуры под углом 45° (названной Выдавливание бобышки 2).
    6. Выберите наклонную поверхность, нажмите на Схема> Центрирование прямоугольниканачертите в центре прямоугольник размером 10 мм × 10 мм, нажмите на Выдавленный босс/основание, установите глубину 10 мм, чтобы создать опорный соединитель с основанием.
    7. Нажмите на Сохранить и сохраните стабилизирующую опорную конструкцию в виде файла формата SLDPRT.
  4. Разработка маркеров для трехмерного отслеживания объектов
    ​ПРИМЕЧАНИЕ: Маркер должен иметь жесткую структуру, стабильные особенности поверхности и достаточную геометрическую сложность для повышения стабильности распознавания и отслеживания трехмерного объекта.
    1. С помощью программного обеспечения для 3D-моделирования нажмите на Новый > Часть > Пожалуйста, предоставьте текст для перевода. на главной странице.
    2. Выберите Верхняя плоскость и нажмите на Схема > Многоугольникнарисуйте шестиугольник с центром в начале координат, нажмите на Интеллектуальное измерение, установите длину стороны на 7,5 мм (под названием Схема 1).
    3. Выберите Схема 1нажмите на Особенности > Экструдированный бобышка/основаниеи установите глубину на 10 мм.
    4. Выберите нижнюю грань, нажмите на Схематическое изображение> Центрирование прямоугольниканачертите центральный квадрат размером 5 мм × 5 мм (назовите Схема 2).
    5. Выберите Схема 2, нажмите на Особенности > Выдавленный босс/основаниеи установите глубину 5 мм, чтобы сформировать штифт, который входит в соответствующее гнездо в основании.
    6. Используйте Черновик функция, в которой верхняя грань служит нейтральной плоскостью. Выберите каждую боковую поверхность в качестве плоскости уклона и примените к каждой поверхности разные углы уклона, чтобы увеличить асимметрию геометрических признаков. Отрегулируйте углы уклона в зависимости от показателей распознавания, избегая при этом полной симметрии всех боковых поверхностей.
    7. Выберите верхнюю поверхность маркера, нажмите на Схема > Пожалуйста, предоставьте текст для перевода.и введите текстовую метку, чтобы добавить локальные визуальные признаки и облегчить распознавание (назовите Эскиз 3).
    8. Выберите Схема 3, нажмите на Особенности > Выдавливание бобышки/основанияи установите глубину экструзии на 2 мм.
    9. Повторите вышеописанные шаги для создания четырех боковых маркеров, соответствующих мезиальной, дистальной, щечной и язычной поверхностям.
    10. Нажмите на Сохранить и сохраните каждый маркер в виде файла SLDPRT.
  5. Сборка основания и AR-маркеров и подтверждение пространственных соотношений
    1. С помощью программного обеспечения для 3D-моделирования нажмите на Новый > Сборка > Пожалуйста, предоставьте текст для перевода. на главной странице.
    2. Нажмите на Вставка компонентовимпортируйте основание воскового блока с AR-трекингом, стабилизирующую опорную конструкцию и все маркеры отслеживания трехмерных объектов.
    3. Нажмите на Партнер функция и применение Совпадающие, параллельные, перпендикулярныеили иные связи сопряжения для определения пространственного положения маркеров относительно основания.
    4. Нажмите на Сохранить каквыбрать STL (стандартная библиотека шаблонов) формат, и нажмите на Варианты в окне.
    5. Подтвердить Сохранение всех компонентов сборки в одном файле не выбрано, нажмите на Пожалуйста, предоставьте текст для перевода. > Сохранитьотдельно экспортируйте STL-файлы каждого компонента для последующего импорта моделей и настройки пространственных связей в программном обеспечении дополненной реальности (AR).

3. 3D-печать и постобработка моделей

ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании принтера и параметров печати, описанных в данном протоколе, печать полного набора моделей занимает примерно 70 min.

  1. Выбор материала и настройка принтера (Рисунок 2C,D)
    1. Для печати используйте матовый серый полилактид (PLA) филамент, чтобы уменьшить блики и облегчить распознавание камерой дополненной реальности (AR).
    2. Используйте закрытый FDM 3D-принтер для контроля условий печати и повышения стабильности процесса. Настройте параметры в соответствии с характеристиками принтера и филамента.
    3. Импортируйте STL-модель в программу для слайсинга. Определите оптимальную ориентацию путем перемещения, вращения и выбора поверхности печати для минимизации ошибок при печати.
    4. Настройте параметры слайсинга в соответствующем программном обеспечении. Параметры могут быть скорректированы в зависимости от конкретного принтера и материала.
  2. Рекомендуемые параметры слайсинга
    1. Установите диаметр сопла 0.4 mm, температуру сопла 220 °C и температуру рабочей платформы 55 °C. Используйте текстурированную PEI-платформу.
    2. Установите высоту слоя 0.2 mm, плотность заполнения 15% и скорость печати: 50 mm/s для первого слоя, 200 mm/s для внешней стенки и 300 mm/s для внутренней стенки.
    3. При наличии нависающих структур включите автоматическое создание древовидных поддержек. Если нависающих элементов нет, поддержки можно опустить. Включите охлаждение.
    4. Перед началом печати откалибруйте принтер, проверьте цвет филамента и состояние его поверхности.
  3. Пост-обработка напечатанных моделей
    1. После завершения печати и охлаждения снимите рабочую платформу и аккуратно согните ее, чтобы модель отсоединилась естественным образом, тем самым сохранив текстуру поверхности платформы.
    2. Осторожно удалите поддерживающие структуры с помощью тонкогубцев. После удаления поддержек проверьте модель на наличие деформаций или нарушений целостности. Если области контакта с поддержками имеют шероховатости, аккуратно отполируйте их наждачной бумагой или напильником для повышения устойчивости основания.

4. Настройка программного обеспечения AR и регистрация виртуальной модели с реальным объектом

ПРИМЕЧАНИЕ: В данном протоколе программное обеспечение дополненной реальности (AR) использовалось для импорта стандартной цифровой модели зуба и создания виртуально-реального наложения. Для получения RGB-изображений с разрешением 1080p и частотой 30 fps использовалась RGB-камера высокого разрешения. Функция определения глубины камеры не использовалась для отслеживания или совмещения (Рисунок 3A,B). Импорт виртуальных моделей в программное обеспечение, а также настройка цвета и прозрачности модели заняли менее 1 мин. Процесс совмещения занял менее 5 с, и навигация в режиме реального времени была достигнута сразу после успешного совмещения.

  1. Подготовка оборудования
    1. Включите компьютер и подключите камеру высокого разрешения через порт USB 3.0. Убедитесь, что система распознала камеру.
      ​ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры калибровки камеры были заданы заранее в ходе разработки программного обеспечения и использовались для AR-регистрации. Дополнительная калибровка при последующем использовании не потребовалась. Для других AR-систем следует проводить повторную калибровку камеры в соответствии с требованиями системы.
  2. Импорт моделей и настройки отображения
    1. Откройте программное обеспечение AR.
    2. Нажмите Import STL, выберите папку, содержащую STL-файлы стандартной цифровой модели зуба и моделей AR-маркеров, и импортируйте необходимые модели.
    3. Установите белый цвет виртуальной модели зуба для обеспечения высокого контраста с красным восковым блоком и задайте прозрачность 0,4, чтобы облегчить наблюдение за взаимным расположением режущего инструмента и границы модели зуба.
  3. Запуск AR-навигации и регистрации
    ПРИМЕЧАНИЕ: Во время регистрации избегайте перекрытия маркера рукой или режущими инструментами. Если система не может распознать маркер, устраните препятствие и отрегулируйте положение основания так, чтобы маркер снова четко попал в поле зрения камеры.
    1. Выберите AR-маркер и перейдите в раздел Virtual Navigation > Camera Navigation. В появившемся окне выберите используемую камеру и запустите AR-навигацию.
    2. Поместите физический трехмерный маркер отслеживания объекта в центр поля зрения камеры, поддерживая рабочее расстояние примерно 25 cm. Используйте небликующий фон и избегайте сильного прямого освещения в рабочей зоне для обеспечения стабильного распознавания маркера.
    3. Отрегулируйте угол наклона камеры так, чтобы оптическая ось была примерно перпендикулярна поверхности маркера или образовывала наклонный угол обзора примерно 30°–45°, чтобы контур виртуального маркера в программе максимально точно совпал с физическим маркером по размеру, ориентации и положению.
      ​ПРИМЕЧАНИЕ: Когда виртуальный маркер плотно накладывается на физический маркер, система автоматически распознает его и завершает регистрацию, активируя отслеживание в реальном времени. Контур виртуального маркера меняет цвет с красного на зеленый, после чего виртуальная модель зуба отображается в соответствии с ее заранее определенным пространственным отношением с маркером и стабильно накладывается на соответствующее положение воскового блока.
    4. Нажмите Parameter Settings для настройки порога качества отслеживания.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот порог используется для определения качества сопоставления виртуальной модели с реальной сценой; регистрация считается успешной только тогда, когда сопоставление признаков и достоверность локализации достигают заданного порога. В данной системе порог качества отслеживания был установлен на уровне 0,7 на основании повторных предварительных испытаний. Это значение было выбрано, поскольку оно обеспечивало быстрое распознавание при сохранении стабильного отслеживания и виртуально-реальной регистрации в реальном времени. Более низкие пороги упрощали регистрацию маркера, но снижали точность регистрации, тогда как более высокие пороги затрудняли процесс и увеличивали время регистрации маркера.

5. Процедура вырезания зуба с помощью дополненной реальности (AR)

  1. Поместите восковой блок размером 25 мм × 25 мм × 50 мм в выемку основания воскового блока с AR-трекингом. Убедитесь, что нижняя часть воскового блока полностью прилегает к дну выемки и блок зафиксирован устойчиво.
  2. Запустите AR-навигацию. Определите начальную область и направление вырезания на основе наложения виртуальной модели зуба на восковой блок. Медленно вращайте основание, чтобы рассмотреть виртуальную модель зуба под разными углами обзора.
  3. Рассматривайте виртуальную модель зуба с того направления обзора, которое соответствует распознанному маркеру трехмерного объекта и прилегающим к нему поверхностям. Избегайте использования противоположной поверхности, так как она может отображаться нестабильно при распознавании только одного маркера.
  4. Поворачивайте держатель воскового блока, чтобы при необходимости открыть мезиальный, дистальный, вестибулярный или язычный маркер трехмерного объекта. В настройках модели (Model Settings) выберите соответствующий маркер, чтобы переключить просматриваемую поверхность.
  5. В настройках модели (Model Settings) отрегулируйте цвет и прозрачность виртуальной модели зуба в соответствии с этапом наблюдения.
  6. Уберите руку или инструмент, если они перекрывают маркер. Если система не может распознать маркер из-за перекрытия или слишком быстрого вращения основания, медленно скорректируйте положение основания до повторного распознавания маркера, после чего продолжите вырезание (Рисунок 3C,D).

Результаты

Система AR-ATCS успешно распознала трехмерный маркер отслеживания объектов на основании и стабильно наложила виртуальную модель зуба на соответствующее положение воскового блока в режиме реального времени. Виртуальная модель точно отображала основные анатомические структуры, морфологические границы и контуры поверхности, включая бугры, ямки и фиссуры, краевые гребни, контуры осевых поверхностей и контур коронки. При медленном вращении основания, когда маркер отслеживания оставался открытым, поддерживалась стабильная регистрация между виртуальной моделью зуба и восковым блоком. Это позволило визуализировать морфологию целевого зуба с разных ракурсов, включая вестибулярный, язычный, мезиальный, дистальный и окклюзионный виды. Эти результаты показывают, что система обеспечивает непрерывный трехмерный визуальный ориентир, который облегчает выявление локальных морфологических отклонений в процессе вырезания зуба.

В случаях, когда трекинговый маркер был частично перекрыт рукой оператора или инструментами для вырезания, либо когда основание вращалось слишком быстро, распознавание маркера прерывалось, что приводило к потере наложения виртуальной модели. Перестановка основания и устранение препятствия восстанавливали распознавание маркера и вновь обеспечивали стабильную виртуально-реальную регистрацию, что позволяло возобновить процесс вырезания.

Для оценки ошибки совмещения виртуального и реального изображений был проведен двумерный анализ отклонения на плоскости изображения. Для каждого испытания по совмещению камера оставалась неподвижной, а основание с вырезанным зубом и маркером отслеживания объекта перемещалось в центр поля зрения камеры. Когда контур виртуального маркера примерно совпадал с контуром физического маркера, система автоматически завершала совмещение. Затем фиксировалось двумерное совмещенное изображение. На каждом полученном изображении выбирались четыре угловые ориентирные точки основания с вырезанным зубом, и записывались соответствующие координаты физических и виртуальных ориентиров (Рисунок 4). Евклидово расстояние между каждой парой физической и виртуальной точек рассчитывалось как двумерное отклонение совмещения. Для каждой поверхности было проведено 10 повторных испытаний по совмещению, и в каждом испытании измерялись четыре соответствующие пары физических и виртуальных ориентиров. Таким образом, для каждой поверхности было проанализировано 40 пар точек, что в сумме составило 200 пар точек для пяти поверхностей. Для вестибулярной, дистальной, мезиальной и язычной поверхностей совмещение выполнялось с использованием маркера отслеживания объекта, соответствующего каждой поверхности. Для окклюзионной поверхности совмещение сначала завершалось с помощью маркеров на других поверхностях, после чего основание поворачивалось для получения совмещенного изображения в окклюзионной проекции. Этот дополнительный поворот мог способствовать большему отклонению, наблюдавшемуся в данной проекции. Общее среднее двумерное отклонение совмещения составило 0.679 ± 0.381 mm при среднеквадратичном отклонении (RMS) 0.778 mm. Наибольшее отклонение и вариабельность наблюдались для окклюзионной поверхности, тогда как для вестибулярной, дистальной, мезиальной и язычной поверхностей отклонения совмещения были меньше (Таблица 1).

Результат вырезания, представленный здесь, был получен от одного студента, который недавно завершил курс по анатомии зубов и выполнил процедуру вырезания зуба в течение 2 часов под постоянным руководством AR-ATCS; следовательно, количественный анализ отклонений представляет данные одного образца. Трехмерный анализ отклонений проводился путем сравнения отсканированной модели вырезанного зуба со стандартной моделью зуба. При использовании заданного допуска ±0.5 mm 52.26% точек поверхности попали в этот диапазон. Среднее знаковое отклонение составило 0.1025 mm, а среднеквадратичное отклонение (RMS) — 0.7434 mm. Максимальные положительное и отрицательное отклонения составили +1.9275 mm и −1.9272 mm соответственно. Цветовая карта отклонений показала, что наибольшие морфологические расхождения локализовались преимущественно на окклюзионной поверхности и в отдельных областях аксиального контура (Рисунок 5). Эти значения отклонений представляют собой совокупное расхождение между окончательной моделью вырезанного зуба и стандартной моделью зуба после трехмерного сканирования и совмещения моделей, а не отдельные измерения ошибки вырезания, ошибки регистрации AR или ошибки сканирования.

Эти предварительные результаты по одному образцу подтверждают техническую осуществимость рабочего процесса AR-ATCS. В ходе наблюдаемой процедуры вырезания зуба система поддерживала наложение виртуальной модели зуба на физический восковой блок в режиме реального времени, обеспечивая трехмерный ориентир для морфологии зуба и соответствующих анатомических особенностей.

figure-results-1
Рисунок 1: Подготовка стандартной цифровой модели воскового зуба. (A) Трехмерное сканирование стандартного воскового зуба. (B) Исходные данные сканирования стандартного воскового зуба и окружающих структур. (C) Обработанная цифровая модель стандартного зуба после обрезки и оптимизации поверхности. (D) Модель стандартного зуба была совмещена с виртуальным основанием воскового блока для определения ее пространственного положения в системе AR. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть этот рисунок в большем размере.

Рисунок 2: Проектирование и изготовление основы-носителя из воскового блока. (A) Трехмерная модель основы-носителя из воскового блока и отдельно спроектированный трехмерный маркер отслеживания объекта. (B) Настройка пространственного соотношения между цифровой моделью стандартного зуба и основой-носителем из воскового блока. (C) Распечатанная на 3D-принтере основа-носитель из воскового блока с отдельно распечатанным маркером отслеживания объекта. (D) Восковой блок установлен на распечатанную на 3D-принтере основу-носитель для последующего вырезания зуба с помощью дополненной реальности (AR).

figure-results-2
Рисунок 3: Алгоритм вырезания зуба с помощью дополненной реальности. (A) Интерфейс программного обеспечения для навигации в дополненной реальности, отображающий импортированную цифровую модель стандартного зуба и трехмерный маркер отслеживания объекта. (B) После распознавания трехмерного маркера объекта на основании система в режиме реального времени накладывает виртуальную модель стандартного зуба на соответствующее положение физического воскового блока. (C) Первичное вырезание зуба выполняется под руководством AR, при этом виртуальная модель зуба служит трехмерным морфологическим ориентиром. (D) Точная настройка локальных анатомических структур, включая бугры, ямки и фиссуры, краевые гребни и контуры осевых поверхностей, выполняется под руководством AR. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

figure-results-3
Рисунок 4: Измерение отклонения наложения двумерного изображения в плоскости после AR-регистрации. После автоматической AR-регистрации было получено двумерное изображение наложения. P1–P4 обозначают четыре угловых ориентира, выбранных на физическом основании для выпиливания зуба, а P1′–P4′ обозначают соответствующие ориентиры, выбранные на виртуальном наложении. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

figure-results-4
Рисунок 5: Трехмерный анализ отклонений модели обточенного зуба по сравнению со стандартной моделью зуба. Представлены карты трехмерных отклонений при взгляде со щечной стороны (A), язычной стороны (B), окклюзионной поверхности (C), мезиальной стороны (D) и дистальной стороны (E). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть этот рисунок в большем размере.

ПоверхностьПары точек, nСреднее ± SD (mm)RMS (mm)Мин. (mm)Макс. (mm)
Щечная поверхность400.711 ± 0.2260.7450.2351.174
Дистальная поверхность400.489 ± 0.1560.5130.1460.913
Мезиальная поверхность400.510 ± 0.2070.5490.1940.856
Язычная поверхность400.540 ± 0.2620.5990.1811.098
Окклюзионная поверхность401.145 ± 0.4941.2450.272.401
Общее2000.679 ± 0.3810.7780.1462.401

Таблица 1: Двумерное отклонение наложения в плоскости изображения при совмещении виртуальной и реальной сред в дополненной реальности (AR).

Обсуждение

Обучение анатомии зубов развивалось с течением времени, приняв классическую модель преподавания, которая сочетает теоретическое обучение с практической подготовкой. Точное понимание анатомической морфологии зубов является важным фундаментом для клинической стоматологической практики, особенно при проведении процедур, связанных с протезированием, эндодонтическим лечением, окклюзионной реконструкцией и имплантацией. Поэтому исследователи постоянно изучают новые методы и технологии обучения для поддержки формирования системы анатомических знаний. В предыдущих исследованиях совершенствование обучения анатомии зубов происходило главным образом за счет оптимизации методов преподавания и изучения применимости различных материалов для выпиливания. С развитием цифровых технологий трехмерное сканирование, трехмерная реконструкция, 3D-печать, виртуальная и дополненная реальность постепенно перешли из области клинического применения в медицинское образование, предоставив студентам новые инструменты для понимания сложных трехмерных структур15. В будущем, по мере развития искусственного интеллекта и мобильных вычислений, ожидается, что эти технологии будут интегрированы в повседневное обучение более доступным и удобным способом.

В данной системе стандартную модель зуба можно использовать повторно. Маркеры для трехмерного отслеживания объектов могут быть разработаны в программном обеспечении для 3D-моделирования, а их пространственное расположение может быть определено до прямого импорта в ПО дополненной реальности (AR). Весь рабочий процесс затем можно завершить путем 3D-печати основания для вырезания зуба. Стоит отметить, что использование напечатанных на 3D-принтере моделей зубов в качестве физических ориентиров при обучении вырезанию зубов также продемонстрировало образовательную ценность благодаря таким преимуществам, как низкая стоимость, интуитивно понятная морфология и возможность многократного наблюдения. Однако технология AR обеспечивает визуальную навигацию в режиме реального времени. Она позволяет создать трехмерный визуальный ориентир с возможностью вращения и регулировки прозрачности непосредственно в среде вырезания из воскового блока в реальном времени13. Ожидается, что по мере дальнейшего развития технологий AR будет применяться в образовании в более недорогой, простой и удобной форме. Таким образом, обучение с помощью AR обладает значительным потенциалом для дальнейшего развития.

Для систем AR качество визуализации, стабильность трекинга и точность регистрации являются ключевыми техническими факторами, определяющими надежность наложения виртуального объекта на реальный и пользовательский опыт16. В предыдущих исследованиях изучалось использование AR-систем для обучения резбе по зубам, однако в большинстве из них применялся трекинг изображений5,13. Напротив, в данной системе используется трехмерный трекинг объектов. Трекинг по изобразительным маркерам отличается простой подготовкой, низкой стоимостью и легкостью развертывания, а также обеспечивает стабильное распознавание, когда маркер четко виден и находится под подходящим углом обзора. В процессе резбы по зубам восковой блок часто приходится вращать, чтобы оператор мог наблюдать морфологию целевого зуба с разных ракурсов. В таких условиях изображение маркера может перестать быть полностью видимым в поле зрения камеры, что может привести к прерыванию распознавания маркера и ограничить непрерывность AR-руководства в режиме реального времени. По сравнению с трекингом изображений, который в основном опирается на плоские маркеры, трехмерный трекинг объектов оценивает пространственное положение объекта на основе его геометрического контура и естественных визуальных признаков. Это позволяет системе регистрировать виртуальную модель зуба относительно физического основания воскового блока с различных ракурсов, что более точно соответствует реальному сценарию резбы по зубам, при котором оператору необходимо вращать восковой блок и осматривать его во время практики. Однако такой подход обычно требует наличия CAD-модели или трехмерной сканированной модели отслеживаемого объекта с последующей 3D-печатью и сборкой, что усложняет подготовку модели по сравнению с трекингом по плоским маркерам. Таким образом, практической стратегией является фиксация воскового блока на основании с выраженными геометрическими структурами и визуальными признаками. Основываясь на этом подходе к трекингу, система оптимизирует стратегию отслеживания, используя маркеры, встроенные в основание, для наблюдения за виртуальной моделью зуба в прямоугольном поле зрения. В ходе итерации системы была добавлена функция регулировки порога регистрации для баланса между чувствительностью распознавания и точностью наложения. Более низкий порог повышает вероятность успешного распознавания, но может снизить стабильность наложения, в то время как более высокий порог повышает точность регистрации, но может затруднить распознавание. Кроме того, интерфейс трекинга позволяет пользователям переключать модели отслеживания и регулировать прозрачность в режиме реального времени, что упрощает эксплуатацию.

Тем не менее, данная система все еще имеет несколько ограничений. Во-первых, текущая система зависит от компьютера и внешней камеры высокого разрешения. Подключение устройства и пространственное расположение компонентов относительно сложны, что ограничивает ее применение при обучении больших групп студентов. Для снижения стоимости и повышения доступности ведется работа по адаптации системы для мобильных устройств, таких как планшеты и смартфоны. Во-вторых, на эффективность распознавания влияют освещение, угол наклона камеры, перекрытие маркера и скорость вращения основания. Если маркер перекрыт или основание вращается слишком быстро, система может его не распознать, и для восстановления распознавания маркер должен быть снова открыт. Еще одним ограничением данного протокола является использование нескольких коммерческих или специализированных программных пакетов для проектирования моделей, обработки полигональных сеток и AR-регистрации. Некоторые функции могут быть частично заменены открытыми или недорогими альтернативами. Например, для проектирования и редактирования трехмерных моделей могут быть использованы FreeCAD или Blender, а для обработки сеток — MeshLab или CloudCompare. Кроме того, сочетание Unity с Vuforia Engine может стать потенциальной средой разработки для AR на основе распознавания трехмерных объектов, например, при отслеживании по целевой модели. Однако воспроизведение рабочего процесса AR, использованного в данном протоколе, все равно потребует дополнительной разработки программного обеспечения, оптимизации параметров и валидации. Таким образом, хотя этапы моделирования и обработки сеток могут быть частично воспроизведены с помощью альтернативного ПО, модуль AR-отслеживания и регистрации, реализованный в данном протоколе, не может быть напрямую заменен существующим открытым пакетом без дальнейшей разработки и валидации.

Наконец, двухмерный анализ отклонения совмещения в плоскости изображения может лишь частично отразить точность совмещения системы. Поскольку выпиливание зуба является трехмерной процедурой, текущие данные не могут в полной мере продемонстрировать трехмерную точность регистрации, необходимую для детального обучения выпиливанию зубов. Влияние окклюзии маркеров, угла камеры, освещения и скорости вращения на эффективность регистрации также не оценивалось отдельно. Следовательно, остается неясным, обеспечивает ли система достаточную точность для детального руководства по выпиливанию зубов. Наконец, в данном исследовании была проведена валидация рабочего процесса только на одном образце, и его способность улучшать качество выпиливания и результаты обучения студентов все еще требует подтверждения в контролируемых исследованиях с большой выборкой.

Таким образом, в данном исследовании предлагается протокол вырезания зубов с помощью дополненной реальности на основе трехмерного отслеживания объектов. Результаты валидации на одном образце показывают, что данный рабочий процесс позволяет обеспечить наложение AR-изображения стандартной модели зуба на физическую восковую заготовку в рабочей зоне, предоставляя интуитивно понятный трехмерный визуальный ориентир для обучения вырезанию зубов. Хотя текущие результаты не позволяют напрямую доказать, что образовательный эффект данного метода превосходит традиционные подходы, этот протокол демонстрирует осуществимость и ценность дальнейших исследований по применению технологии AR в обучении вырезанию зубов. Благодаря развитию мобильных устройств, алгоритмов трехмерного распознавания и искусственного интеллекта, обучение вырезанию зубов с помощью AR может быть интегрировано в практику зуботехнических лабораторий более доступным, удобным и масштабируемым способом.

Раскрытие информации

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Данная работа была поддержана Командой по диагностике и лечению сложных краниофациальных пороков развития Куньминского медицинского университета (2024XKTDTS08), Проектом исследований Клинического медицинского центра провинции Юньнань (2024YNLCYXZX0227, 2024YNLCYXZX0229), Клиническим исследовательским центром заболеваний полости рта Юньнани (202505AJ310001) и Планом поддержки подготовки высококвалифицированных кадров провинции Юньнань (YNWR-MY-2020-086).

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
3D-сканерSHINING 3DAutoScanEPCG-BD032G26Используется для трехмерного сканирования стандартного воскового зуба.
КамераIntal RealSenseD415Используется для получения визуального поля в реальном времени для распознавания маркера трехмерного объекта.
Инструмент для резьбы по стоматологическому воскуДля вырезания формы из воскового блока.
E3D CMFHunan Liuwei Jinghang Digital Technology Co., Ltd., Hunan, China.https://www.e3d-med.com/Программное обеспечение для AR-навигации.
FDM 3D-принтерBambu Lab31B8BP631300564Используется для изготовления основания-носителя воскового блока и маркера отслеживания трехмерного объекта.
Geomagic Wrap3D Systems Corporationversion 2021Используется для обработки данных трехмерного сканирования стандартного воскового зуба.
PLA-филаментBambu Lab10105Используется для FDM 3D-печати.
SOLIDWORKS Dassault Systèmesversion 2025Используется для трехмерного моделирования основания-носителя воскового блока и маркера отслеживания объекта.
Восковой блокДля практики резьбы по зубу.

Ссылки

  1. Lone M, McKenna JP, Cryan JF, Downer EJ, Toulouse A. A survey of tooth morphology teaching methods employed in the United Kingdom and Ireland. Eur J Dent Educ. 2018;22(3):e438-e443.
  2. Overskott HL, Markholm CE, Sehic A, Khan Q. Different methods of teaching and learning dental morphology. Dent J (Basel). 2024;12(4):114.
  3. Conte DB, et al. Educational interventions to improve dental anatomy carving ability of dental students: A systematic review. Anat Sci Educ. 2021;14(1):99-109.
  4. Alzer H, Ismail NH, Alsoleihat F. Blended learning with video demonstrations enhances dental students' achievements in tooth carving. Adv Med Educ Pract. 2023;14:1425-1431.
  5. Lim EJ, Kim YS, Im JE, Lee JG. Mobile educational tool based on augmented reality technology for tooth carving: Results of a prospective cohort study. BMC Med Educ. 2023;23(1):462.
  6. Hsu MS, Yeh CL, Cheng SJ, Lin CP. Transforming dental morphology education: The impact of three-dimensional digital simulation on practical skill development. Int Dent J. 2025;75(6):103904.
  7. Abdalla R. Teaching dental anatomy and morphology: An updated clinical- and digital-based learning module. Eur J Dent Educ. 2020;24(4):650-659.
  8. Fayyaz Y, Ali M, Ullah R, Shaikh MS. Applications of 3D-printed teeth in dental education: A narrative review. J Taibah Univ Med Sci. 2024;19(4):816-822.
  9. Elgreatly A, et al. Students' perception of digital waxing software for dental anatomy education. J Oral Sci. 2022;64(2):178-180.
  10. Azuma RT. A survey of augmented reality. Presence: Teleoperators Virtual Environ. 1997;6(4):355-385.
  11. Zafar S, Zachar JJ. Evaluation of HoloHuman augmented reality application as a novel educational tool in dentistry. Eur J Dent Educ. 2020;24(2):259-265.
  12. Bolek KA, De Jong G, Henssen D. The effectiveness of the use of augmented reality in anatomy education: A systematic review and meta-analysis. Sci Rep. 2021;11(1):15292.
  13. Schrenker J, Del Hougne M, Schmitter M, Hohne C. Using augmented reality to enhance wax-up training in dental education: A feasibility study. Sci Rep. 2025;15(1):27633.
  14. Macrì, M., D’albis, G., D’albis, V., Timeo, S., Festa, F. Augmented reality-assisted surgical exposure of an impacted tooth: A pilot study. Applied Sciences. 2023;13 (19):11097.
  15. Dzyuba N, Jandu J, Yates J, Kushnerev E. Virtual and augmented reality in dental education: The good, the bad and the better. Eur J Dent Educ. 2025;29(3):497-515.
  16. Ma L, Huang T, Wang J, Liao H. Visualization, registration and tracking techniques for augmented reality-guided surgery: A review. Phys Med Biol. 2023;68(4):04TR02.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

3D
Видео скоро будет доступно

Похожие статьи