Die 3D-Maus in der zahntechnischen und zahnmedizinischen Ausbildung

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Die digitale Transformation hat in den vergangenen Jahren sowohl die Zahntechnik als auch die Zahnmedizin grundlegend verändert und die Implementierung CAD/CAM-basierter Arbeitsabläufe maßgeblich vorangetrieben. Digitale Prozesse – von der intraoralen Datenerfassung über softwaregestützte Planung und Konstruktion bis hin zur computergestützten Fertigung – sind heute fester Bestandteil moderner klinischer [13] und zahntechnischer Arbeitsabläufe [11]. Dies scheint vor allem dem geschuldet zu sein, dass diese digitalen Technologien zu einer erhöhten Präzision, Prozesssicherheit und Effizienz beitragen und eine stärker individualisierte Patientenversorgung ermöglichen [5,19].

Im Zentrum dieser Entwicklung steht die computergestützte Konstruktion und Fertigung (CAD/CAM). CAD/CAM-Systeme umfassen in diesem Sinne die Verarbeitung digitaler Datensätze (CAD) und bilden die Grundlage sowohl für subtraktive als auch für additive Fertigungsverfahren (CAM). Innerhalb dieses digitalen Gesamtkonzepts stellt der 3D-Druck eine ergänzende Technologie dar, deren Einsatzmöglichkeiten und Limitationen – etwa in Bezug auf Genauigkeit, Materialeigenschaften sowie Zeit- und Kostenfaktoren – derzeit intensiv untersucht werden [5]. Denn durch die digitale Konstruktionsfreiheit treibt die additive Fertigung das CAD wesentlich voran.

Mit dem Ziel, den über Jahrzehnte etablierten hohen Qualitätsstandard zahntechnischer Versorgungen auf dem Weg in die voll-digitale Prozesskette nicht zu verlieren, muss der Schritt des Designs möglichst realitätsgetreu stattfinden. Dies zielt darauf ab, die analogen Fähigkeiten möglichst gut in die digitale Welt zu übertragen. Im klinischen Alltag wird dies beispielsweise durch eine ergonomische Gestaltung von Intraoralscannern (IOS) oder Behandlungsstühlen erfolgreich umgesetzt. In der Zahntechnik sind Tastatur und die klassische 3-Tasten-Maus die Werkzeuge der Wahl, was nicht nur augenscheinlich zur digitalen Umsetzung zuvor analoger Gestaltungsschritte mehr als kontraintuitiv ist. Dieses Arbeiten hat mit den konventionellen beidhändigen Arbeitsmethoden (z.B. Modell in der einen Hand, Winkelstück in der anderen) wenig gemein. Somit wird das Erlernen neuer Arbeitsweisen erforderlich.

Die Lösung liegt in konfigurierbaren Eingabegeräten wie 3D-Mäusen, Master-Mäusen oder auch 3D-Stiften, welche eine intuitive Navigation und Manipulation dreidimensionaler Datensätze erlauben. Diese Werkzeuge unterstützen insbesondere das räumliche Verständnis bei der Konstruktion digitaler Restaurationen und erleichtern den Einstieg in komplexe CAD-Umgebungen. In analogen Arbeitsprozessen wird das Werkstück häufig manuell fixiert, indem es mit einer Hand gehalten wird, während die andere Hand das Werkzeug führt und somit die eigentliche Bearbeitung des Materials ermöglicht. Ein vergleichbares Prinzip wird auch bei der Verwendung einer 3D-Maus mit Master-Maus angewendet. Studien zeigen, dass der frühzeitige Einsatz digitaler Technologien in der Ausbildung die Kompetenzentwicklung fördert und Auszubildende wie auch Studierende gezielt auf den digitalen Berufsalltag vorbereitet [24]. Gemeinsam mit der klinischen Anwendung muss die Digitalisierung somit auch in der zahnmedizinischen und zahntechnischen Ausbildung zunehmend an Bedeutung gewinnen. Digitale Lehr- und Lernkonzepte, die CAD/CAM-basierte Abläufe integrieren, ermöglichen realitätsnahe Simulationen klinischer Situationen und fördern das Verständnis digitaler Prozessketten.

Zusammenfassend verdeutlicht die aktuelle Fachliteratur, dass CAD/CAM-basierte digitale Workflows heute die Basis einer modernen Zahntechnik und Zahnmedizin darstellen. Sie verbinden zahntechnische Fertigung, klinische Entscheidungsfindung und Ausbildungskonzepte zu einem digitalen Gesamtsystem und bilden damit die Grundlage für eine zukunftsorientierte, qualitätsgesicherte, hochindividuelle Patientenversorgung. Eben jenes Ziel verfolgt die Implementierung eines individuellen, möglichst immersiven Lehr- und Lernkonzepts für das CAD-Design, welches an der Universitätsklinik für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde vom Lehrstuhl für Zahnärztliche Prothetik und Zahnärztlich Implantologische Versorgung am Universitätsklinikum Tübingen sowohl in der zahnmedizinischen als auch in der zahntechnischen Ausbildung angewendet wird.

Was ist eine 3D-Maus?

3D-Mäuse sind sogenannte 6DoF (six degrees of freedom)-Eingabegeräte, mit denen sich digitale Objekte simultan drehen, verschieben und skalieren lassen (Abb. 1). Hierbei wird zwischen Mäusen mit zusätzlich programmierbaren Tasten und Geräten mit reiner Steuerungsfunktion via Controller-Kappen unterschieden. Einige High-End-Modelle besitzen zudem einen integrierten Bildschirm zur weiteren Informationsdarstellung.

Im Rahmen der Umsetzung der (neuen) zahnärztlichen Approbationsordnung mit ihrem Schwerpunkt auf digitalen Technologien ergab sich die Herausforderung, diese Kompetenzen mit adäquaten Methoden für Studierende zu entwickeln. Ein Lehrforschungsprojekt in Zusammenarbeit mit der Stiftungsprofessur für Digitale Fertigung für medizintechnische Anwendungen an der FH Kärnten hatte zum Ziel, eine 3D-Maus in das CAD zu integrieren. Dazu wurde die in Abbildung 1 vorgestellte, anwendungsspezifisch konfigurierbare SpaceMouse® Pro (3Dconnexion) ausgewählt. Sie besitzt zusätzlich zur Controller-Kappe (runder Knauf in der Mitte) einen ergonomisch geformten Auflagebereich für Handgelenk und linken Unterarm sowie 15 frei belegbare Tasten (um den Knauf gestaltet) für ein möglichst individuelles Nutzungserlebnis (Abb. 2, links). Auf diesen Tasten können alle gängigen exocad®-Funktionen (exocad, lizenziert durch Amann Girrbach) belegt werden, wie etwa Ein- und Ausblenden einzelner Kiefer oder Wechsel zwischen den digitalen Bearbeitungswerkzeugen. Zusätzlich zu der für die linke Hand positionierten 3D-Maus empfiehlt es sich, eine ebenso konfigurierbare sogenannte Master-Maus zu verwenden, um ein möglichst flüssiges Arbeiten zu ermöglichen. Dazu wurde nach Haptik-Test verschiedener Modelle die MX Master 3S (Logitech Europe) in der kabellosen Bluetooth-Variante ausgewählt. Hier gibt es zusätzlich zu den herkömmlichen Funktionen einer Computermaus ebenfalls die Möglichkeit, vier weitere Tasten individuell zu belegen (Abb. 2, rechts). Dadurch kann die Nutzung der in der Mitte befindlichen Tastatur auf ein Minimum beschränkt werden, wodurch zusätzlich die Körperhaltung der Nutzerinnen und Nutzer am PC verbessert werden kann. Dieses Arbeitsplatzkonzept und dessen Testung waren Inhalt der Masterarbeit des Co-Autors (Brückler, H.) im Studiengang Digitale Dentaltechnik an der FH Kärnten [4].

Abbildung 3 zeigt die individuellen Belegungsmöglichkeiten der Zusatztasten der 3D-Maus. Damit können Software-spezifisch die jeweiligen Arbeitsabläufe optimiert und effizienter gestaltet werden. Insbesondere Wechsel von Hand und Arm werden dadurch reduziert, was Haltung und Kognition entlastet sowie Zeit im Design spart.

Anwendungen in der zahntechnischen und zahnmedizinischen Ausbildung

Erfahrungsbericht einer Einführung

In der Abteilung für Zahnärztliche Prothetik und Zahnärztlich Implantologische Versorgung steht für das 3D-Design seit Mitte 2025 an allen verfügbaren Konstruktionsstationen der vorgestellte Aufbau zur Verfügung; ebenso im 3D-Trainingsraum der Skills Labs (Abb. 4). Unter Aufsicht haben hier Auszubildende sowie Studierende die Möglichkeit, den Umgang mit den CAD-Programmen exocad® (exocad, lizenziert durch Amann Girrbach) (Abb. 1) und 3Shape Studio (3Shape) zu erlernen. Durch einen intuitiveren Umgang mit den Eingabegeräten kann der Fokus auf die korrekte Gestaltung des Zahnersatzes sowie dessen Funktionsweise gelegt werden. Zudem wird das Verständnis für die räumliche Arbeit bei der Herstellung von Prothesen oder Schienen gesteigert.

In der zahnmedizinischen Lehre wird die 3D-Maus vorrangig im Curriculum des 4. und 5. Fachsemesters der neuen zahnärztlichen Approbationsordnung eingesetzt. Das Praktikum der Zahnmedizinischen Propädeutik mit Schwerpunkt Dentale Technologie sowie der Phantomkurs der Zahnersatzkunde beinhalten CAD/CAM-Module, in welchen die Studierenden ihre Präparationen selbstständig im Phantomkopf (Dentsply-Köpfe im Technikum, KaVo-Köpfe im Phantomicum) mittels IOS (Ceramill DRS, Amann Girrbach) dreidimensional erfassen. Die so angefertigten intraoralen Daten werden dann in der CAD/CAM-Software exocad® zur Konstruktion der geforderten praktischen Kursleistungen verwendet. Dadurch findet eine direkte Verknüpfung der praktischen Leistung der Studierenden mit den digitalen Fähigkeiten statt. Für die Konstruktion der Kursleistungen des vierten Fachsemesters (Einzelzahnprovisorium am Zahn 16, äquilibrierte Aufbissschiene im Unterkiefer) und des fünften Fachsemesters (Brückenprovisorium 14-16, adhäsive Einflügelbrücke 21-22) (Abb. 5) stehen in den Skills Labs der Tübinger Universitätsklinik für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde 16 vollausgestattete Arbeitsplätze (Abb. 4) zur Verfügung. So hat selbst bei voller Semesterstärke bei einer Aufteilung in zwei Gruppen jede Studentin bzw. jeder Student auf einem eigenen PC ausreichend Zeit für die Anleitung und Konstruktion mit der CAD-Software. Der Einstieg in CAD-Software und Konstruktionsprinzipien beginnt bereits mit der 3D-Maus. Dazu werden Demonstrationen und bebilderte Anleitungen zur Verfügung gestellt sowie step by step unter Supervision einer Lehrperson begleitet und angeleitet. Vom Supervisionsplatz aus kann der oder die Lehrende auf die Bildschirme zugreifen und auch selektiv diese im Klassenraum auf der Leinwand zeigen.

Integration der 3D-Maus

Als Einstieg in die Verwendung der 3D-Maus bieten sich herstellerseitig zur Verfügung gestellte Trainingsmodule an. Bei der Firma 3Dconnexion gibt es davon zwei: Das erste Trainingsmodul befasst sich mit den grundlegenden Bewegungen, die der Anwender oder die Anwenderin mit der 3D-Maus ausführen kann. Die möglichen Bewegungsrichtungen werden zunächst isoliert geübt (Abb. 6a). Hierbei soll eine virtuelle Teekanne in eine vorgegebene Position bewegt werden. Ist die Teekanne deckungsgleich mit der Zielposition, gilt die Aufgabe als abgeschlossen. So arbeitet sich die Anwenderin oder der Anwender Stück für Stück durch die verschiedenen räumlichen Ebenen. Das nächste Trainingsmodul verbindet nun die Nutzung der 3D-Maus mit der Master-Maus. Hierbei ist das Ziel, die Teile eines Flugzeugfahrwerkes durch Bewegen der Einzelteile sowie Klicken in die finale Position zu bringen (Abb. 6b).

Beide Trainingsmodule können auf Zeit absolviert werden und bieten somit ein direktes Feedback über den individuellen Lernfortschritt. Das Modul zum Flugzeugfahrwerk ist in drei Schwierigkeitsstufen gegliedert. Während in der ersten Stufe sechs Komponenten zu montieren sind, erhöht sich deren Anzahl in der zweiten Stufe auf neun und in der dritten Stufe auf neunzehn Komponenten.

Im Rahmen der Auswertung wurden die Messzeiten aller 46 Teilnehmenden über alle Durchgänge hinweg für jede der drei Trainingsstufen aufgetragen und in Form eines Boxplots (Abb. 7) visualisiert. Die X-Achse des Diagramms zeigt die drei Leistungsstufen, die jeweils durch die Anzahl der zu montierenden Teile am Flugzeugfahrwerk definiert sind. Diese Stufen wurden von allen Teilnehmenden dreimaldurchlaufen, wodurch sich pro Leistungsstufe insgesamt 138 Zeitmessungen ergaben. Auf der Y-Achse ist die pro Teil zur Montage benötigte Zeit (Gesamtzeit der Einheit geteilt durch Anzahl der Teile) in Sekunden abgetragen [4].

Trotz der Unterschiede zwischen den Teilnehmenden zu Beginn zeigte die Gruppe einen Trend zu effizienteren Arbeitsabläufen. Besonders in der anspruchsvollsten Phase (19 Parts) konnten Effizienzsteigerungen beobachtet werden, was auf eine zunehmende Verinnerlichung der Steuerungsprozesse hindeutet [4]. Die Ergebnisse legen nahe, dass Übung und steigende Komplexität die Leistungsfähigkeit verbessern, und liefern wichtige Ansätze für die Weiterentwicklung von Trainings- und Ausbildungskonzepten in der digitalen Zahntechnik und Zahnmedizin.

Alternativen – haptisches Feedback

Weitere Möglichkeiten zur optimierten Bedienung stellen Systeme mit haptischer Rückmeldung (Force Feedback) dar. Diese können entweder als eigenständige Lösung fungieren oder synergetisch mit einer 3D-Maus kombiniert werden. In den Skills Labs steht hierfür ein haptisches Eingabegerät in Form eines 3D-Stifts zur Verfügung (Touch™, 3D Systems) (Abb. 8). In Abhängigkeit vom jeweiligen Applikationsbereich sowie der Oberflächencharakteristik der digitalen Konstruktion erhält der Anwender oder die Anwenderin eine präzise haptische Rückmeldung. Somit können die Materialeigenschaften sowie das Oberflächenrelief gespürt und durch Veränderung der Anpresskraft die Freiformwerkzeuge intuitiver gesteuert werden. Der 3D-Stift kann bei Bedarf fakultativ durch die Studierenden erprobt werden. Eine vollständige Integration in das Curriculum ist momentan noch nicht vorgesehen, kann aber perspektivisch erfolgen. Die Zahntechnik erprobt gerade, für welche konkreten Anwendungen der 3D-Stift einen Mehrwert in der Versorgung bietet.

Nutzen in der Ausbildung

Verbesserung der räumlichen Wahrnehmung

In der zahnmedizinischen Ausbildung ist das Verständnis von 3D-Strukturen entscheidend. Die 3D-Maus unterstützt eine intuitivere und tiefgreifendere Interaktion mit digitalen Modellen und Strukturen. Gleichzeitig ergibt sich ein optimaler Einstieg in das immersive Lernen. Roll- und Drehbewegungen können bewusster wahr- und vorgenommen werden. Ein stufenloses Zoomen während der Bearbeitung vermittelt zudem das Gefühl des „Eintauchens“ in die Konstruktion. Obwohl die spezifische Datenlage zu 3D-Mäusen derzeit noch lückenhaft ist, lässt sich aus der vorhandenen Literatur ein klarer Trend ablesen: Aktive Interaktion mit dreidimensionalen Umgebungen kann die räumliche Wahrnehmung komplexer Sachverhalte fördern (spatial awareness, [8]). Dabei sind vor allem Trainingseffekte durch Wiederholungen von Bedeutung [15]. Die Kombination mit Augmented Reality (AR) ist ebenfalls förderlich hinsichtlich einer besseren räumlichen Wahrnehmung.

Ergonomie

Statische, einseitige Haltungen beim Arbeiten mit herkömmlichen Eingabegeräten, insbesondere der klassischen Computermaus, sind eng mit Beschwerden im Bereich des Nackens, der Schultern und der oberen Extremitäten assoziiert [18]. Hierbei spielt die eingeschränkte posturale Dynamik eine tragende Rolle in der Entwicklung von Haltungsbeschwerden, bis hin zu Haltungsfehlstellungen oder visuellen Beschwerden [14]. Sowohl in der Zahntechnik als auch in der Zahnmedizin ist die Prävalenz von arbeitsbedingten muskuloskelettalen Erkrankungen aufgrund statischer Haltung und repetitiver Bewegungen – etwa während CAD-Arbeiten oder klinischer Tätigkeiten – nachgewiesen hoch, was die Bedeutung ergonomischer Interventionen unterstreicht. Eine ergonomische Gestaltung des Arbeitsplatzes, die der Biomechanik des Körpers angepasst ist, kann die Belastung der Hals-, Schulter- und Rückenregion verringern und so die Sitz- und Arbeitshaltung verbessern [10] – dies gilt ebenso für digitale Tätigkeiten.

Kombiniert man ergonomische Eingabegeräte mit einem geeigneten Stuhl inklusive einstellbarer Armlehnen, so kann eine muskel- und gelenkschonende Haltung erzielt werden (Abb. 9) [17]. Vor allem nacken- und schulterbezogene Erkrankungen des Bewegungsapparates können mittels Armlehnen und ergonomisch geformten Mäusen reduziert werden. Der Einfluss auf die oberen Extremitäten ist dagegen beschränkt [12]. Zudem sollten Monitor wie auch Schriftgrößen so eingestellt sein, dass eine möglichst schonende Position der Halswirbelsäule beim Geradeausschauen erreicht werden kann (neutrale Kopfhaltung). Hierbei muss jeder Anwender die für seine Körpergröße ideale Einstellung finden. Es empfiehlt sich, eine Anpassung vor jeder Verwendung vorzunehmen – vergleichbar mit dem Einstellen der Rückspiegel im Auto.

Hinweise dazu finden sich in den einschlägigen Arbeitsmedizinischen Regeln ASR A6 „Bildschirmarbeit“ und AMR 14.3 „Tätigkeiten an Bildschirmgeräten“ sowie in der DGUV (Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung) Information 215-410 [2,22].

Perspektiven für ergänzende Technologien

Künstliche Intelligenz (KI)

Der Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) im zahntechnischen Labor kann einen effizienz- und produktivitätssteigernden Effekt haben [6]. Durch Designvorschläge für den anzufertigenden Zahnersatz, Analysen von Okklusionsmustern oder die bessere Vernetzung von Geräten ist sie in der Lage, den Alltag positiv zu beeinflussen. Gleichzeitig ergeben sich aber im Bereich der Fort- und Weiterbildung neue Herausforderungen. Zahntechniker und Zahntechnikerinnen müssen in der Anwendung und Bewertung KI-generierter Vorschläge geschult werden, um diese sicher und zielführend anwenden zu können [16]. Ein KI-basiertes Arbeiten auf reiner Datenverfügbarkeit darf keinen Ersatz der selbstständigen, situativen Bewertung von Arbeitsschritten darstellen. Nicht umsonst wird heute in der zahntechnischen Ausbildung nach wie vor Wert auf händisches Aufwachsen, Anfertigen von Modellen oder Prothesen gelegt. Eine frühzeitige Integration von digitalen Prozessen darf dennoch keine Ausnahme bleiben, damit der Nachwuchs den Umgang und die richtige Durchführung 3D-gestützter Anwendungen (wie z.B. CAD und 3D-Maus) frühzeitig erlernt. Gleichzeitig zwingt uns die KI auch im zahnärztlichen Handeln zu ständiger Weiterentwicklung. Anfänglich kam die KI vor allem im Bereich der Bilddiagnostik zum Einsatz. Mittlerweile wird tägliches Arbeiten durch komplexe Algorithmen im Bereich der Operationsplanung, des intraoralen digitalen Abformens oder der Wachstumsanalyse in der Kieferorthopädie unterstützt. Zusammenfassend werden wir uns sowohl im zahntechnischen als auch zahnmedizinischen Kontext hin zu unterstützenden Arbeitsabläufen („augmented-dentistry“) entwickeln, in welchen ein eigenständiges und sinnverstehendes Handeln die Grundlage für nachhaltiges Arbeiten bildet. Eine Kombination aus Erfahrung, situativen Einschätzungen und einer unterstützenden KI werden in Zukunft ausschlaggebend sein.

Augmented Reality (AR)/Virtual Reality (VR)

Die 3D-Maus kann als Einstieg in das immersive Lernen gesehen werden. Zukünftige Entwicklungen digitaler Lernumgebungen werden den Fortschritt von interaktivem Lernen beschleunigen. Eine Kombination mit Virtual-Reality- (Ersatz der Realität, VR) und Augmented-Reality-Systemen (digitaler Inhalt überlagert reale Umgebung, AR) führt zu weiterem Eintauchen in die Lernumgebung und dem Verständnis komplexer Strukturen [23]. Virtuelle Ansichten von komplexen anatomischen Lehrmodellen, das virtuelle Präparieren von Zahnmodellen oder die digitale Zahnersatzkonstruktion werden erfahrbarer [9,21]. Gerade beim Präparieren von Zähnen kann so ein ressourcenschonender und fehlerverzeihender Anreiz für Studierende geschaffen werden. Direktes KI-gestütztes Feedback über die geleistete Arbeit kann zudem das Lehrpersonal zum Teil entlasten, auch wenn ein direktes menschliches Feedback gerade im Hinblick auf Prüfungssituationen weiterhin notwendig sein wird.

Zusammenfassung

Die digitale Transformation hat Zahntechnik und Zahnmedizin in den vergangenen Jahren maßgeblich geprägt und zur Etablierung CAD/CAM-basierter Arbeitsabläufe geführt. Digitale Prozessketten – von der intraoralen Datenerfassung über die softwaregestützte Planung bis hin zur computergestützten Fertigung – ermöglichen eine höhere Präzision, Effizienz und Individualisierung der Patientenversorgung. Innerhalb dieses Systems bildet CAD die zentrale Schnittstelle zwischen Diagnostik, Planung und Herstellung, während Verfahren wie der 3D-Druck ergänzende Fertigungsoptionen darstellen.

Deshalb gewinnt die Integration digitaler Technologien auch in der zahnmedizinischen und zahntechnischen Ausbildung zunehmend an Bedeutung. Am Universitätsklinikum Tübingen wurde in Kooperation mit der FH Kärnten ein digitales Arbeitsplatzkonzept entwickelt und implementiert. Hierbei wurde eine 3D-Maus mit einer konfigurierbaren Computermaus kombiniert. 3D-Mäuse als Eingabegeräte mit sechs Freiheitsgraden ermöglichen eine intuitive Navigation und Manipulation dreidimensionaler Datensätze und erleichtern dadurch das Arbeiten in CAD-Umgebungen.

Der Einsatz dieser Technologie unterstützt insbesondere das räumliche Verständnis bei der Konstruktion digitaler Restaurationen und kann gleichzeitig zu einem ergonomischeren Arbeiten beitragen. Perspektivisch könnten zudem Technologien wie künstliche Intelligenz sowie Augmented- und Virtual-Reality-Anwendungen digitale Workflows und Lernumgebungen weiter ergänzen. KI und Automatisierung beeinflussen den Designprozess, die 3D-Maus verändert die Bedienung. Insgesamt zeigt sich, dass digitale Werkzeuge zunehmend integraler Bestandteil moderner Ausbildungskonzepte in der Zahnmedizin und Zahntechnik sind – und werden müssen.

Weitere Autoren: Alexander Xepapadeas, M.Sc., Heimo Brückler, ZTM, M.Sc. M.Sc., Sebastian Spintzyk, ZT, M.Sc. und Prof. Dr. Fabian Hüttig