Modèles optiques pour la prédiction de la couleur des matériaux composites dentaires

Optical models for predicting the color of dental composite materials

• Auteur / Autrice : Vincent Duveiller
• Direction : Mathieu Hébert, Raphaël Clerc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 26/10/2023
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Christine Andraud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Pacanowski, Kevin Vynck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Pillonnet, Razvan Ghinea

Mots clés

Mots clés contrôlés

Odontostomatologie -- Appareils et matériel

Imagerie spectrale

Spectrophotomètres

Couleur

Mots clés libres

Couleur

Spectrophotomètre

Translucide

Modèle optique

Approximation de Kubelka-Munk

Spectral

Caractérisation

Matériel dentaire

Color

Spectrophotometer

Translucent

Optical model

Kubelka-Munk

Spectral

Characterization

Dental material

Résumé

Pour garantir le succès esthétique des restaurations dentaires, il est nécessaire dereproduire parfaitement l'aspect des dents naturelles à l'aide de matériaux composites ou decéramiques. Pour les fabricants de matériaux dentaires, la caractérisation des propriétésoptiques leur permet de mieux contrôler les attributs visuels des matériaux développés, enconvergeant plus rapidement vers un attribut ciblé. À cette fin, les modèles optiquesdécrivant les interactions entre la lumière et la matière sont prometteurs, car ils permettent àla fois de caractériser les propriétés optiques intrinsèques des matériaux et de prédire desgrandeurs physiques telles que le spectre de réflectance - le signal physique contribuant à lacouleur - en fonction de paramètres macroscopiques tels que la forme ou l'épaisseur.Dans cette thèse, après une analyse des facteurs de réflectance et transmittance spectrauxmesurés sur des échantillons de matériaux dentaires d'épaisseurs variables, le modèleKubelka-Munk, méthode de référence pour l'étude des propriétés optiques des matériauxdentaires, est étudié et sa précision de prédiction de la couleur est évaluée. Des modèles àdeux flux adaptés du modèle Kubelka-Munk pour mieux refléter la propagation de la lumièreà l'intérieur des matériaux dentaires translucides sont proposés, montrant une meilleureprécision, en particulier pour les couches de matériaux minces. Des modèles à quatre fluxplus avancés sont développés et permettent des prédictions de couleur plus précises pourdes échantillons d'épaisseur variable grâce à la description plus précise de la propagationdirectionnelle et diffuse de la lumière à l'intérieur d'une couche de matériau.

Research into dental materials is increasingly driven by the need for aesthetic appeal.Toguarantee the aesthetic success of dental restorations, it is necessary to perfectly reproducethe appearance of natural teeth using composite materials or ceramics. For dental materialmanufacturers, characterizing the optical properties of materials enables them to bettercontrol the visual attributes of the resins developed, converging more rapidly towards atargeted attribute. To this aim, optical models describing the interactions between light andmatter are promising, since they both can be used to characterize the intrinsic opticalproperties of materials, and to predict physical quantities such as the reflectance spectrum -the physical signal contributing to color - as a function of macroscopic parameters such asmaterial shape or thickness.In this thesis, after a careful analysis of the spectral reflectance and transmittance factormeasurements performed on samples of dental materials with varying thicknesses, theKubelka-Munk model, the gold-standard method for the study of dental materials’ opticalproperties, is investigated and its color prediction accuracy is assessed. Two-flux modelsadapted from the Kubelka-Munk model to better reflect the light propagation insidetranslucent dental materials are proposed, showing improved accuracy especially on thinmaterial layers. More advanced four-flux models are developed and are found to enablemore accurate color predictions for samples with varying thickness thanks to the moreaccurate description of directional and diffuse light propagation inside a material layer.