趙思銘，趙曉含，張 杰，王黨校，王曉燕△

(1.北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院，牙體牙髓科 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國家工程實驗室 口腔數(shù)字醫(yī)學(xué)北京市重點實驗室,北京 100081; 2.北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室,北京 100191)

齲病是口腔中最常見且高發(fā)的疾病，臨床上對齲病的治療，首要步驟是徹底地清創(chuàng)，去凈腐質(zhì)，同時注意生物學(xué)原則，盡量保存正常的牙體組織[1]，這是治療成功的前提和關(guān)鍵。去凈腐質(zhì)的臨床標(biāo)準(zhǔn)包括視診其顏色，牙本質(zhì)無明顯著色，有光澤；探診其硬度，牙本質(zhì)質(zhì)地堅硬，尖探診不能探入。探診硬度是判斷的關(guān)鍵，教學(xué)中常出現(xiàn)的問題是學(xué)生對于齲壞組織和健康牙體組織的識別能力不足，在去腐過程中，未能徹底去凈齲壞組織，需要在離體牙上多加練習(xí)，以獲得識別的技能。當(dāng)前，收集離體牙的難度越來越大，這與培訓(xùn)中離體牙多多益善的目標(biāo)產(chǎn)生矛盾；對于離體牙的切削操作具有不可重復(fù)性，學(xué)生無法在同一顆離體牙上反復(fù)對比去凈腐質(zhì)前后齲壞區(qū)域探診硬度的變化；且因各離體牙具有唯一性和特異性，導(dǎo)致學(xué)生接受的培訓(xùn)并非完全一致，而學(xué)生培訓(xùn)的效果與其用于培訓(xùn)的離體牙有一定關(guān)系。離體牙的需求量、可重復(fù)操作性和標(biāo)準(zhǔn)一致性，是教學(xué)中亟待解決的關(guān)鍵問題。虛擬牙科培訓(xùn)系統(tǒng)具有可重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)化一致性等特點，可以在一定程度上解決教學(xué)中的這一問題。近年來，國內(nèi)外有多款虛擬牙科培訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用于口腔專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域，如荷蘭的Simodont Dental Trainer系統(tǒng)[MOOG Inc. & ACTA (Academic Centre for Dentistry Amsterdam), 荷蘭]可以用于模擬牙科鉆削、去腐、窩洞充填、冠橋牙體預(yù)備等[2]；英國的HapTEL系統(tǒng) (The Kings College London & University of Reading,英國)可用于培訓(xùn)牙體直接充填修復(fù)操作中的去腐、洞型預(yù)備[3]；瑞典的Forsslund 系統(tǒng) (Forsslund Systems AB, 瑞典)可應(yīng)用于牙體切削和智齒拔除操作[4]；哈佛牙醫(yī)學(xué)院的Virtual Reality Dental Training System (VRDTS)可用于模擬牙體切削和窩洞充填[4]；北京航空航天大學(xué)的iDental(后更名為UniDental)系統(tǒng)可用于牙體切削、牙周檢查治療等[5-7],但現(xiàn)有的各系統(tǒng)在模擬的真實度上均存在或多或少的缺陷[5-6]，且尚未見著重于探查識別齲壞的模擬系統(tǒng)。本研究基于虛擬現(xiàn)實牙科模擬系統(tǒng)UniDental進(jìn)行齲壞識別軟件開發(fā)，旨在應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)本科生臨床前期齲壞識別教學(xué)，提高學(xué)生識別齲壞組織的能力。

1 資料與方法

1.1 齲壞識別軟件的開發(fā)

基于眾繪科技的UniDental系統(tǒng)(圖1)開發(fā)齲壞識別軟件。由于牙齒齲壞組織由表及里，硬度的增加或粗糙度的減小都并非是均勻變化的[1]，需建立抽象齲洞模型(圖2)：(1)將齲洞由表及里，人為分成淺、中、深3層；(2)賦予每層內(nèi)部以相同的硬度值，淺、中、深層硬度逐漸增大，淺層軟、中層韌、深層硬，其中深層的硬度值設(shè)定為正常牙本質(zhì)硬度；(3)賦予每層內(nèi)部以相同的粗糙度值，淺、中、深層粗糙度逐漸減小，匹配相應(yīng)硬度的牙本質(zhì)，深層的粗糙度設(shè)定為正常牙本質(zhì)粗糙度。各層牙本質(zhì)硬度和粗糙度的值由臨床經(jīng)驗豐富的醫(yī)師預(yù)設(shè)。受試者可操作力反饋手柄(可提供最大5 N的力反饋)，在圖3所示軟件操作界面中切換硬度和粗糙度探查項目，分別選擇淺、中、深層，使用虛擬探針探查患牙牙合面中央黑色齲壞區(qū)域，進(jìn)行垂直向硬度探查和水平向粗糙度探查操作，探查時使用手柄逐漸用力達(dá)該層力反饋預(yù)設(shè)值，分別感受相應(yīng)的硬度和粗糙度，若操作力度超過預(yù)設(shè)值，手柄會抖動提醒操作者減小力度，若操作力度大于手柄5 N極值時會出現(xiàn)落空感。

圖1 UniDental系統(tǒng)

1.2 受試者

受試者為北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院2014級口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)本科生，共計64 人，受試者參與實驗時處于本科生臨床前期教學(xué)階段齲壞牙去腐培訓(xùn)系列課程中，已進(jìn)行相應(yīng)理論和部分操作培訓(xùn)。

1.3 實驗方法

受試者操作UniDental系統(tǒng)齲壞識別軟件，分別在齲洞的淺層、中層、深層進(jìn)行垂直向硬度探查和水平向粗糙度探查操作培訓(xùn)。完成培訓(xùn)后進(jìn)行問卷調(diào)查，評價該齲壞識別軟件：(1)問卷中以評分1 ～ 5分對力反饋效果進(jìn)行評級，1分表示非常不真實，2分表示比較不真實，3分表示一般，4分表示比較真實，5分表示非常真實；(2)以評分1 ～ 5分對齲壞識別能力的提高幫助度進(jìn)行評級，1分表示完全沒幫助，2分表示幫助較小，3分表示一般，4分表示比較有幫助，5分表示非常有幫助；(3)選擇個人傾向的教學(xué)模式，包括傳統(tǒng)離體牙教學(xué)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、兩者都要3個選項。

圖2 抽象齲洞模型 圖3 齲壞識別軟件界面

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPSS 20軟件,對力反饋真實度和對齲壞識別能力提高幫助度評分進(jìn)行秩和檢驗(Kruskal-Wallis test)，P<0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 力反饋真實度

力反饋真實度評分結(jié)果(表1)顯示各層硬度和粗糙度及其層間變化梯度的力反饋真實性，數(shù)據(jù)由中位數(shù)和各評分例數(shù)百分比組成。發(fā)現(xiàn)學(xué)生對力反饋真實度的評分中位數(shù)均為4，表示比較真實。通過各層硬度探查評分對硬度變化梯度進(jìn)行秩和檢驗，發(fā)現(xiàn)3層硬度評分結(jié)果對硬度變化梯度評分的影響均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。通過各層粗糙度探查評分對粗糙度變化梯度評分進(jìn)行秩和檢驗，發(fā)現(xiàn)淺、中層粗糙度評分結(jié)果對粗糙度變化梯度評分的影響有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

2.2 對齲壞識別能力的提高幫助度

對齲壞識別能力的提高幫助度結(jié)果(表1)中位數(shù)為4，表示比較有幫助。將各層的力反饋真實度評分對能力提高幫助度進(jìn)行秩和檢驗，發(fā)現(xiàn)硬度相關(guān)的4組數(shù)據(jù)對結(jié)果影響有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

2.3 教學(xué)模式的選擇

90.4%的學(xué)生支持傳統(tǒng)離體牙教學(xué)模式，1.6%(1位)學(xué)生認(rèn)為虛擬現(xiàn)實技術(shù)更好， 7.8%(5位)的學(xué)生希望兩種模式同時進(jìn)行。

3 討論

UniDental系統(tǒng)使用的力反饋手柄的外形和設(shè)計對實驗結(jié)果有一定的影響，標(biāo)準(zhǔn)的口腔臨床齲壞探查操作中，術(shù)者右手以執(zhí)筆式握持牙科探針，以無名指作為支點支于患牙鄰近硬組織，操作時探針尖端作用于牙體組織表面。實驗中使用的力反饋手柄，其力反饋連接點位于手柄前部、接近尖端(并非尖端)， 術(shù)者握持部位在連接點之后，操作時阻力出現(xiàn)的部位較口腔內(nèi)真實操作時更靠近手部，而非尖端，會在一定程度上影響操作者的手感。此外，力反饋手柄能提供最大5 N的力反饋，操作力超過最大值，手柄會出現(xiàn)反饋力突然消失的現(xiàn)象，而正常牙本質(zhì)硬度約為68 KHN(Knoop hardness number)， 使用尖探針探診(尖端直徑0.5 mm)，正常牙本質(zhì)可以承受的最大探診力度遠(yuǎn)超過5 N[6]，雖然軟件中預(yù)設(shè)的深層(正常牙本質(zhì))硬度力反饋值為最大值5 N，仍遠(yuǎn)小于實際值。故當(dāng)受試者按照已有的離體牙上操作經(jīng)驗使用逐漸增大并超過5 N的力時，會出現(xiàn)反饋力逐漸增大又突然消失落空的現(xiàn)象，這一不佳的體驗影響硬度的真實度評分。這個問題擬通過升級力反饋手柄硬件來改善，新的硬件能提供最大10 N的反饋力，但具體的測試效果尚待進(jìn)一步研究。另外,對于手柄的外形，其握持柄部的直徑約為牙科探針的 2.5倍，手感上的差異也會導(dǎo)致體驗性下降，外形的改進(jìn)有待于工業(yè)設(shè)計的進(jìn)一步完善。

從硬度測試的結(jié)果來看，隨著深度增加，各層探診硬度增大，雖然中位數(shù)顯示結(jié)果均為比較真實，但由于前述手柄力反饋最大值的缺陷，深層硬度的評分影響了硬度變化梯度的評分，而對于淺、中層，雖然硬度的力反饋模擬可以更接近真實牙體組織，但手柄能提供的垂直向探診感受不是實際中的探入軟物感以及取出探針時無阻力，而是一種探入時手柄會輕度下沉模擬扎入軟物感，反向取出探針?biāo)矔r有輕度黏滯感[8]。這一感受差異可能是導(dǎo)致淺層、中層硬度測試真實值不佳的原因，故硬度探查的真實度對齲壞識別能力的提高幫助度有影響，后續(xù)需要進(jìn)一步改進(jìn)軟件算法，改善體驗。

從粗糙度測試的結(jié)果來看，中位數(shù)顯示結(jié)果均為比較真實，但淺層、中層粗糙度評分影響粗糙度變化梯度評分結(jié)果。隨著深度增加，各層的探診粗糙度變小。深層為正常牙本質(zhì)，粗糙度最小，軟件容易模擬其光滑感；而淺層、中層齲壞部分，其粗糙度在力反饋手柄上體現(xiàn)為黏滯感，這一感受與在真實牙體組織上探診的粗糙感存在一定差別。另外，齲壞和正常牙本質(zhì)粗糙度可設(shè)定的力值區(qū)間較小，故模擬難度較大，這一問題需在后續(xù)的實驗中進(jìn)一步提高賦值的精確度來改善體驗。

表1 問卷調(diào)查評分表

問卷結(jié)果顯示該實驗對學(xué)生齲壞識別能力的提高比較有幫助。傳統(tǒng)離體牙教學(xué)方式對離體牙的依賴性高，但離體牙具有唯一性、不可復(fù)制性，對其切削操作后不可恢復(fù)，因此學(xué)生無法反復(fù)體會齲洞各深度的硬度、粗糙度變化，尤其是如何掌握去凈最后一薄層韌牙本質(zhì)前后的硬度和粗糙度的變化[9]，是臨床前期教學(xué)和臨床教學(xué)中的難點[10]。并且離體牙具有特異性，學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容掌握程度的好壞與其使用的離體牙的質(zhì)量和數(shù)量存在一定關(guān)系。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)恰好可以彌補(bǔ)這一不足，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的可重復(fù)性，讓學(xué)生可以在軟件上反復(fù)體會去腐過程中各層硬度、粗糙度的梯度變化，且所有學(xué)生可以接受同樣的標(biāo)準(zhǔn)化訓(xùn)練，因此該訓(xùn)練有利于學(xué)生齲壞識別能力的提高。

另外，教學(xué)模式選擇的結(jié)果顯示，90.4%的受試者傾向于延續(xù)傳統(tǒng)離體牙教學(xué)模式。分析原因：(1)虛擬現(xiàn)實技術(shù)還存在很多不足，包括力反饋的真實性、操作界面的真實性等；(2)學(xué)生對于新的教學(xué)模式的適應(yīng)程度各不相同，初次接觸虛擬現(xiàn)實技術(shù)，個別學(xué)生在短時間內(nèi)接受的能力有限，包括手柄的使用和軟件中三維空間感的體會[6]，導(dǎo)致其無法掌握正確操作方法來感受不同的力反饋效果，回顧其問卷，給出的評分較低，一定程度上影響了整體結(jié)果；(3)齲壞識別的能力是一種臨床經(jīng)驗和操作水平積累的體現(xiàn)，口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)的特殊性決定了它不可能脫離臨床實際操作，目前傳統(tǒng)的離體牙教學(xué)模式能創(chuàng)造更接近臨床實際的條件，給學(xué)生提供相應(yīng)的模擬訓(xùn)練。1.6%的應(yīng)試者選擇虛擬現(xiàn)實教學(xué)模式，7.8%的受試者希望同時接受兩種模式培訓(xùn)。

綜上所述，雖然虛擬現(xiàn)實技術(shù)仍不夠完美，不能取代傳統(tǒng)教學(xué)，但希望它可作為傳統(tǒng)離體牙教學(xué)模式的補(bǔ)充應(yīng)用于臨床前期教學(xué)，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，模擬真實度的進(jìn)一步提高，能在口腔專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。