VR/AR技術(shù)在口腔教學(xué)中的應(yīng)用探討*

張耀超 張琳梅

1.VR/AR技術(shù)的現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)是多種技術(shù)的緊密結(jié)合，其中包括模擬環(huán)境、感知以及傳感設(shè)備等方面［1］；使用者可借助VR設(shè)備與場景中的虛擬物體進行相互作用，即可以感受和體驗相應(yīng)的真實環(huán)境［2］。它的特征可歸納為以下四點，即沉浸感（immersion）、交互性（interaction）、構(gòu)想性（imagination）和智能化（intelligence）。常與VR同時使用的還有增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，AR）［3］。增強現(xiàn)實技術(shù)利用計算機視覺方法，把虛擬圖像映射并附加到真實物體上并可以進行互動。AR技術(shù)提供了一種全新的、不同于人類生物學(xué)構(gòu)造所允許的感知世界的方式［4］，其特點可以歸納為三點：虛實結(jié)合、實時交互、三維注冊。與VR技術(shù)不同的是，AR技術(shù)不僅能夠展示真實世界的內(nèi)容，也能夠促使虛擬的信息內(nèi)容顯示出來，通過將真實與虛擬世界內(nèi)容的相互補充，從而實現(xiàn)對真實世界內(nèi)容的“增強”。目前有研究顯示，VR/AR相關(guān)技術(shù)已普遍應(yīng)用于口腔治療虛擬模擬器、腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)模擬器等智能醫(yī)教系統(tǒng)。上述系統(tǒng)可以顯著降低手術(shù)技能實訓(xùn)課上對于實驗動物和大體標(biāo)本的依賴，在有效提高教學(xué)質(zhì)量的同時也大幅度降低了教學(xué)成本［5－7］。此外，研究者們正在不斷開發(fā)實施VR/AR技術(shù)在臨床疾病診斷、治療及術(shù)后康復(fù)中的應(yīng)用［8］。

2.VR/AR技術(shù)在口腔教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 VR/AR技術(shù)在口腔頜面外科中的應(yīng)用 從傳統(tǒng)意義上來講，口腔頜面外科的教學(xué)是以理論教學(xué)內(nèi)容為主，實際操作訓(xùn)練較少。理論教學(xué)的形式簡單，學(xué)生缺乏課堂學(xué)習(xí)的積極主動性，而實踐課程則以模型訓(xùn)練為主，缺乏真實感，最終導(dǎo)致學(xué)生臨床操作能力低。有研究顯示學(xué)生在正式進入實習(xí)的第一年，不良醫(yī)療事件的發(fā)生率約13.7%，此概率提示傳統(tǒng)教學(xué)模式對患者存在極大的風(fēng)險［9］。將VR/AR技術(shù)應(yīng)用于口腔頜面外科的教學(xué)中，不僅可提高課堂教學(xué)的趣味性，而且可提供臨床操作的真實感，因此口腔醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率也得到顯著提高。隨著信息化發(fā)展，VR/AR技術(shù)不僅可以彌補口腔頜面外科教學(xué)應(yīng)用中的不足，還將為口腔教育事業(yè)的改革發(fā)展帶來質(zhì)的飛躍。

2.1.1 在麻醉方面的應(yīng)用 口腔頜面部的血管和神經(jīng)走形錯綜復(fù)雜，因此臨床中麻醉不全或麻藥入血的案例較為常見。下牙槽神經(jīng)阻滯麻醉的失敗率很高，約為20-25%，可能失敗原因有:解剖學(xué)（神經(jīng)通路和下頜孔變異)、病理學(xué)（感染和炎癥)、藥理學(xué)（酒精中毒和某些藥物使用)、生理學(xué)（恐懼和焦慮）以及技術(shù)不足（注射進針不當(dāng)和過早開始治療)。Correa等研發(fā)出一種VR培訓(xùn)系統(tǒng)，在進行下牙槽神經(jīng)阻滯麻醉時，可用于評估注射位置是否準(zhǔn)確以及進針深度是否合理，并進一步提供真實的進針體驗和操作反饋［10］。國外也有學(xué)者針對下牙槽神經(jīng)阻滯麻醉研發(fā)了一種牙科麻醉訓(xùn)練模擬器，模擬器使用VR技術(shù)和觸覺設(shè)備，在麻醉進針過程中提供力的反饋，從而得到真實進針的患者觸覺程序，結(jié)果顯示VR模擬器的使用可有效預(yù)防病人麻醉過程中的不適和并發(fā)癥，大大提高操作的安全性。此外，該模擬器可提供逼真的訓(xùn)練系統(tǒng)，相比使用大體標(biāo)本和實驗動物具備很大的優(yōu)勢［11］。

2.1.2 在牙槽外科方面的應(yīng)用 在口腔牙槽外科教學(xué)中，臨床前模擬手術(shù)操作一直有所欠缺，而基于VR技術(shù)開發(fā)的牙槽外科虛擬手術(shù)模擬系統(tǒng)彌補了這個空白，學(xué)生得以擁有無風(fēng)險的臨床前操作機會，以及近乎真實的視覺觸覺體驗。有學(xué)者基于AR技術(shù)建立了口腔頜面外科導(dǎo)航系統(tǒng)，在手術(shù)過程中，由計算機斷層掃描數(shù)據(jù)重建的虛擬圖像被成功疊加在患者身上，并與真實骨骼完全重疊，可以實現(xiàn)整形手術(shù)過程中手術(shù)區(qū)域直接可視化，有效提升了手術(shù)效果。此外，跟蹤標(biāo)記能實時跟蹤下頜骨的運動并建立3D圖像，操作簡單且精確度高［12］。

2.1.3 在手術(shù)訓(xùn)練教學(xué)方面的應(yīng)用 由于口腔頜面外科培訓(xùn)缺乏大體標(biāo)本資源、價格昂貴且效率較低，醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)可能受到限制。隨著視覺渲染和反饋力程序的結(jié)合發(fā)展，使得手術(shù)模擬器逐漸取代傳統(tǒng)訓(xùn)練，受到各大醫(yī)學(xué)院校的歡迎［13］。還有學(xué)者基于VR設(shè)計了頜面外科手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，系統(tǒng)支持HMD、觸覺反饋、半透半反膜等自然交互設(shè)備，大大增強了實訓(xùn)情景的真實感［14］。另外由于實驗室教學(xué)有一定的局限性，實習(xí)生無法從各個方位角度觀摩手術(shù)過程，而Pulijala等使用Oculus Rift和Leap Motion設(shè)備進行正頜外科訓(xùn)練，實習(xí)生可以觀看手術(shù)中的360度視頻，實現(xiàn)高效化的手術(shù)教學(xué)［15］。

精確的托槽定位粘貼對于理想的正畸效果是重要的前提條件。粘貼不當(dāng)?shù)耐胁蹠ρ例X的唇頰舌向、近遠中向傾斜度產(chǎn)生不良后果，并進一步導(dǎo)致上下頜咬合關(guān)系出現(xiàn)問題。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生既要聽老師講解又要看示教，沒有充裕的時間進行思考分析，從而無法保證良好的教學(xué)效果。將VR/AR技術(shù)引入到教學(xué)中以后，在虛擬正畸托槽粘貼的教學(xué)中，操作者可以在一個幾乎完全虛擬的環(huán)境中切身體驗原來一些需要動畫才能感受的場景［17,18］，托槽粘接在不同位置時牙齒的動態(tài)移動過程會直觀地呈現(xiàn)，不僅可以使學(xué)生對牙體的移動有更加深刻的了解，而且可大幅提高診療效果。

2.3 VR/AR技術(shù)在口腔修復(fù)學(xué)中的應(yīng)用 口腔修復(fù)學(xué)與口頜系統(tǒng)的其中任一部分都密切相關(guān)，不論是進行局部義齒、全口義齒還是固定義齒的制作，都要充分考慮咬合、咀嚼肌與關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。根據(jù)VR/AR技術(shù)，可以讓醫(yī)生和患者可以進一步預(yù)測未來的治療效果，且對于一些潛在手術(shù)風(fēng)險做出分析，并根據(jù)此基礎(chǔ)制定修復(fù)治療計劃，以達到更加美觀的效果。

在醫(yī)學(xué)美學(xué)的修復(fù)中，還要充分考慮前牙和面部口唇的協(xié)調(diào)［19］。將VR/AR技術(shù)應(yīng)用到前牙美學(xué)修復(fù)中，可以有效提高診斷蠟型的臨床應(yīng)用價值，加強醫(yī)患之間的溝通效果。Kikuchi等［20］使用了一種VR虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可用于金屬烤瓷冠的牙體預(yù)備培訓(xùn)。根據(jù)患者自身情況制定最佳的治療方案，使患者在修復(fù)后有良好的咬合關(guān)系及正常的肌肉功能和發(fā)音，為臨床美學(xué)修復(fù)的實施提供保證。

2.4 VR/AR技術(shù)在口腔種植學(xué)中的應(yīng)用 目前，大多數(shù)的口腔醫(yī)學(xué)院均開設(shè)了口腔種植學(xué)課程，但多數(shù)醫(yī)學(xué)院仍通過理論知識講解、圖片示例及臨床實踐等方法進行教學(xué)，并不能為醫(yī)學(xué)生提供充足的口腔種植臨床實操訓(xùn)練機會［1］。而種植牙對口腔醫(yī)師臨床技能要求較高，VR/AR技術(shù)實現(xiàn)虛物實化，可以讓操作者有身臨其境的感受，因此，近年來VR/AR技術(shù)在口腔種植教學(xué)中有了更加廣泛的應(yīng)用前景。

Kusumoto等人研發(fā)出一種VR口腔種植系統(tǒng)，口腔醫(yī)師在進行虛擬操作時可以獲得種植機備洞手感，并從各個方向把握種植體植入的位置和軸向角度。在操作者手持操縱桿時，鉆針運動的軌跡圖像可同步顯示。由于加入了力學(xué)傳感器模塊，進行頜骨鉆孔時，可以實時得到力覺反饋和三維圖像顯示，進而指導(dǎo)下一步操作。基于計算機輔助設(shè)計和種植導(dǎo)板技術(shù)，VR口腔種植系統(tǒng)還可以虛擬合成引導(dǎo)模板，在虛擬頜骨模型上安裝種植導(dǎo)板并進行精準(zhǔn)定位，進而引導(dǎo)完成種植體植入手術(shù)。

同時，口腔醫(yī)師還可校準(zhǔn)因CT影像造成的誤差，并可微調(diào)術(shù)前種植路徑及定位，從而選擇更合適的種植路徑并實時掌握口腔種植體的植入位置。在種植過程中，可以更好的觀察植入?yún)^(qū)域周圍結(jié)締組織和血管的走行方向，患者反應(yīng)等情況［21］，實現(xiàn)自主式、體驗式、探究式學(xué)習(xí)，從而提高實訓(xùn)效果。除此之外，手術(shù)模擬的觸覺體驗利用觸覺反饋和視覺沉浸技術(shù)，保證虛擬環(huán)境下視覺觸覺融合的逼真度［9］。

2.5 VR/AR技術(shù)在口腔黏膜病學(xué)中的應(yīng)用 傳統(tǒng)的口腔黏膜病學(xué)理論學(xué)習(xí)以課堂講授為主，學(xué)者們還提出問題導(dǎo)向教學(xué)（PBL）、病例導(dǎo)向教學(xué)（CBL）及研究導(dǎo)向教學(xué)模式（RBL）［22-24］，但教學(xué)效果往往不佳。臨床實習(xí)階段，口腔黏膜病學(xué)實踐時間通常較其他學(xué)科短，學(xué)生很難將復(fù)雜難懂的理論知識與豐富多變的臨床實際相結(jié)合，導(dǎo)致口腔醫(yī)學(xué)生畢業(yè)后口腔黏膜病臨床問題分析與處理能力普遍較低［25］。在口腔黏膜病學(xué)理論教學(xué)階段，相關(guān)疾病的概念、病理機制、病理變化過程等是學(xué)習(xí)的重點與難點，而AR技術(shù)則可以將以上內(nèi)容通過動畫演示的形式呈現(xiàn)，大大簡化學(xué)生理論認知過程。

口腔黏膜病學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容少，且形式單一，而臨床相關(guān)操作練習(xí)缺乏真實感，難以達到訓(xùn)練目標(biāo)。將VR/AR技術(shù)用于口腔黏膜病學(xué)的相關(guān)操作中可以提高學(xué)生臨床操作的真實體驗感。臨床工作中多數(shù)口腔黏膜病的確診都需要進行組織病理活檢，有研究者提出借助VR技術(shù)演示并指導(dǎo)學(xué)生進行虛擬操作，從病損部位選擇、消毒局麻、切取并縫合，學(xué)生均在虛擬場景下自主操作，教師在線點評，可進一步使學(xué)生的實踐操作標(biāo)準(zhǔn)化，同時也提高了學(xué)生參與實踐學(xué)習(xí)的積極性和主動性［26］。此外還可通過VR/AR技術(shù)模擬各種口腔黏膜病的病變特征，讓學(xué)生體驗臨床用藥，并通過VR/AR教學(xué)評估系統(tǒng)評判治療是否得當(dāng)。

3.VR/AR技術(shù)在我國口腔醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來展望

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀 國內(nèi)有關(guān)VR/AR技術(shù)的硬件設(shè)備及軟件開發(fā)仍然較慢，隨著越來越多的醫(yī)學(xué)院校引入第三方VR/AR工具系統(tǒng)，將VR/AR技術(shù)教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)進行融合，其在口腔醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用探索已越來越廣泛。目前已有多種VR模擬系統(tǒng)應(yīng)用于口腔教學(xué)中，例如口腔種植學(xué)、口腔頜面外科學(xué)、口腔修復(fù)學(xué)、牙體牙髓病學(xué)和牙周病學(xué)等多門課程［27］。已有研究證明，DentSim數(shù)字化牙科實訓(xùn)系統(tǒng)［28］、穆格Simodont數(shù)字化虛擬仿真牙醫(yī)培訓(xùn)系統(tǒng)［29］可以大大提高醫(yī)學(xué)生必備的精準(zhǔn)手眼協(xié)調(diào)能力，幫助學(xué)生掌握窩洞制備和牙體預(yù)備的基本方法，通過逼真的學(xué)習(xí)體驗有效提升了教學(xué)質(zhì)量。

3.2 未來展望VR/AR在未來醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景廣闊，但是目前VR/AR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用仍然存在不足，普通授課教師普遍不具備專業(yè)的計算機建模能力，要依托專業(yè)的團隊制作模型周期長、軟硬件的開發(fā)創(chuàng)新所需成本較高。而隨著信息技術(shù)的發(fā)展必然會推動VR/AR技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)和5G網(wǎng)絡(luò)等高新科技元素結(jié)合的深度變革，近年來出現(xiàn)的ARCore、ARKit等手機掃描建模技術(shù)，有力的彌補了教師在建模方面的能力缺陷。在持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展的醫(yī)學(xué)教育過程中，依托VR/AR技術(shù)搭建的平臺，其與醫(yī)學(xué)各學(xué)科的深度融合，將為教育創(chuàng)新之路開辟出嶄新的局面。