增強現實技術在口腔醫學中的應用

張菊芳

陜西師范大學教育學院， 西安 710062

我國經濟增長和人口老齡化使口腔健康的影響引起全社會高度關注，數據顯示，從1983年開始，我國每10年左右就開展一次全國口腔健康流行病學調查，到2015年已經開展了4次[1]。然而，在老年人群中，“人老脫牙”被認為是正常的現象。但日本有學者提出：“80歲老人應該還可以有20顆牙”，并且2001年世界衛生組織正式提出“8020計劃”，呼吁人們把80歲仍然有20顆牙齒作為人生目標[2]。但是現狀不容樂觀：一方面當今全球口腔疾病盛行，超過60%的學齡兒童和全世界近100%的成年人患有齲齒。其中，35～44歲的成年人口中，近20%患有嚴重的牙齒疾病，65～74歲的人口中，牙齒的總脫落率高達近30%；另一方面，口腔醫療費用昂貴。據調查，2016年全球口腔醫療設備市場價為23.99億美元，比2015年高4%，到2020年市場預期將高達290.9億美元。由此可見，口腔醫學治療的需求在持續增加[3]。

由于增強現實技術被廣泛應用于醫學領域，且口腔醫學具有視野狹小，不易觀察等醫學特征。所以，將增強現實技術與口腔醫學治療相結合具有極高的研究價值和現實意義。文章從口腔醫學的特點出發，研究口腔醫學教育培訓和手術治療的應用現狀，以期為口腔醫學領域的相關人員提供教育教學和臨床培訓經驗。

1 增強現實技術

增強現實(augmented reality，AR)技術是虛擬現實(VR)技術的延伸，是近年來發展起來的新型技術，它借助光電顯示技術、交互技術、計算機圖形技術和可視化技術等產生現實環境中不存在的虛擬對象，并通過注冊技術將虛擬對象準確地放置在真實的環境中，使用戶處于一種虛實混合的環境[4]。第一個被認可為AR系統的是由Sutherland于1968年使用頭戴顯示器(HMD)開發的[5]，迄今為止，AR已引起不同領域的極大關注，如用于工業、旅游、教育、文物復原、醫學、市場營銷、建筑等多個領域。20世紀60年代的星際迷航系列就預測了AR在醫學領域的未來應用[6]，并且外科醫師就是AR的早期使用者。

AR技術的具體應用原理就是實時地計算攝影機影像的位置及角度，結合相應的圖像技術，將屏幕上虛擬的對象融入到現實世界中并進行互動，如圖1所示[7]。

圖1 增強現實技術的應用原理

2 增強現實技術應用于口腔醫學的優勢

在口腔醫學中，AR正發揮著其獨特的優勢：一方面，AR解決了傳統口腔教學演示過程復雜、工作量大、耗時較長等弊端，有效節省了教育資源，緩解了學生對解剖的心理障礙；另一方面，AR系統與術前規劃、術中導航結合，可以有效地預測手術結果、降低潛在的醫療風險，既改善了傳統口腔的治療環境，又提高了口腔治療的效率，同時AR投影圖像可以清晰地顯現患者病癥，說服力極強。

2.1 AR技術有助于口腔醫學教育培訓

AR技術功能強大，對于口腔醫學相關人員的技能提升發揮著重要作用。如利用AR技術的模擬實驗可以讓初學者在模擬患者或者3D牙齒模型上反復操練，通過真實的力反饋來切實感受在真實牙體或骨組織上的操作。此外，AR在現場解剖時也有特別的優勢，通過使用增強的鏡像圖像來顯現用戶自己身體的內部結構，尤其當尸體資源缺乏時，AR技術的價值就會更加明顯。例如：醫學人員可通過AR全息眼鏡來查看人體器官、肌肉組織、骨骼的結構。在口腔醫學中，通過三維視圖就會對口腔頜面部的解剖結構了然于胸。如：凱斯西儲大學和克利夫蘭診所(case west- ern reserve university and cleveland clinic)聯合打造的健康教育校園[8]，就是借助AR技術讓學生通過微軟的HoloLens圖像來學習人體的器官和系統的。三維全息圖像技術具有幫助學生掌握解剖學知識的巨大優勢，在講解口腔系統時，全息圖可以先顯示人的整個口腔，繼而逐步進入口腔內部，輕松略去皮膚，留下口腔的器官，包括牙、舌等，它們會實時的根據身體的位置變化發生移動，需要時還可以借助文字帶上各自的標簽。

2.2 AR技術將改善口腔醫學臨床治療效果

口腔醫學手術的關鍵在于術前計劃和術中精確導航，對此口腔醫學人員可以借助AR系統的頭戴式顯示器(HMD)，實現更加精細地跟蹤與注冊，進而提高醫者的自信、保障患者的安全。同時，考慮到在植入物安裝過程中，患者處于局部麻醉狀態，有時會出現患者頭部不自主移動的情況，針對這種情況，HMD可以讓醫師自由移動，而且疊加的圖像能夠三維顯示而沒有滯后。同時，能夠將牙齒的定位、規模和深度知覺進行高質量的校準，極大地避免手術誤差[9]。

此外，傳統的種植牙治療一般需局部麻醉，利用手術刀治療后需等待3～4個月，直至傷口愈合才能安裝假牙，由于牙齒的排斥，也會導致閉塞功能障礙發生，但利用AR導航系統和先進的手術器械，就可以方便、精確地進行手術前計劃調整和植入物的位置規劃，再加上這種手術創傷小，手術時間也可極大地縮短。

3 AR技術在口腔醫學教育中的應用

目前，在口腔醫學領域，基于AR技術的教學和培訓應用比較廣泛。其中，醫百科技有限公司(EPED)設計的計算機化口腔醫學模擬器(CDS-100)和穆格西蒙多(Moog Simodont)口腔醫學訓練師系統[3]最為出名。

其中，由醫百科技有限公司(EPED)設計的計算機化口腔醫學模擬器(CDS-100)是一個應用了AR等新技術的口腔醫學培訓系統，該系統為口腔醫學學生和需要自我提高的口腔醫師提供了最佳的計算機培訓技術，其優點有：

①提供AR光學定位系統和實時三維位置，能準確反饋口腔的角度和深度；

②豐富的軟件課程，包括口腔手術以及牙髓病、牙冠病、牙橋和牙髓病，可為學生提供自學和簡單的數字指導及模擬練習；

③課程可以個性化定制和設計，也可以針對特定項目進行升級；

④蘊含豐富的配件，包括牙齒模型、真實牙齒、不同品牌的鉆頭、人體模型椅子、無影燈和姿勢評估系統等。

若在這個系統的基礎上植入實時的成像系統(IR- IS)，學生就可以接受完整的口腔醫學教育，還有豐富的口腔醫學種植學和臨床治療相關的經驗。隨著目標結構化臨床考試(OSCE)系統納入口腔醫學課程，教師可以通過計算機化的目標評估系統對學生進行評估，主要借助數字報告評估學生的學習狀態，以逐步深化學生的學習目標。除此之外，學生還可以通過評估報告中的圖表和描述輕松自學，探討如何改善臨床實踐和提高實踐的精確度。

而穆格西蒙多(Moog Simodont)口腔醫學訓練師系統可以幫助學生更快地取得進步，也幫助教師有效地教學并跟蹤學生的進度、建構教學案例等，學生的學習由軟件和教師共同追蹤和評估。該系統與阿姆斯特丹牙醫學術中心(ACTA)合作，將借助AR實現觸覺方面的專業知識與口腔醫學教育方面的經驗相結合，幫助學生更高效地練習和學習。

此外，牙科學院的羅杰教授也通過AR技術來向學生展示3D模型，通過讓學生將雕刻作品與參考模型進行比較，使學生能夠輕松通過掃描自定義的標記隨時隨地地訪問3D牙齒模型。同時，AR技術簡化了羅杰教授和學生之間的溝通，進一步闡明了教科書中的圖像和文字[10]。

國內孟祥軍等[11]探討了基于AR技術的醫學課本APP的開發與設計，他們認為應用AR技術將極大地改進傳統課本中二維醫療器械的諸多缺點，利用可視化、可交互的三維圖片將使學生更清晰、透徹地理解課本內容，極大地增強學生的學習興趣。

4 AR技術在口腔醫學臨床治療中的應用

AR可以在口腔醫學手術中實時追蹤。隨著增強現實技術變得更加成熟，越來越多的AR產品和設備在口腔醫學領域中應運而生，增強現實設備不僅允許用戶組合醫療信息和醫療數據，還將這些數據以可視化的形式呈現出來，它可以提供更清晰的信息，使口腔醫學手術治療提高安全性和降低風險[12]，如牙科植入手術和牙種植體的放置應用就證明了這一點。

4.1 牙科植入手術

牙科植入手術中已經有很多的AR系統輔助治療，為了讓外科醫師能夠將注意力集中在患者身上，Yam- aguchi等[13]開發了一種基于視網膜投影的系統，同樣，Ploder等[14]將植入物的術前放射學數據、計劃信息和術中導航聯系起來，Wanschitz等使用頭戴式顯示器(HMD)增強了口腔種植體規劃[15]等，傳統的牙種植體必須局部麻醉，不但治療時間較長，而且伴隨有牙齒的排斥反應。但隨著AR導航系統軟件和先進的手術器械開發出來后，就可以通過手術前計劃調整和規劃植入物的精確位置來進行手術，患者可以個性化選擇植入的效果，這種手術創傷小，極大地縮短了手術時間。

在今后的補牙手術中，用戶和牙醫會利用AR技術預先設計補牙后的效果，并且這個AR軟件已經由瑞士蘇黎世工業科技大學學生創辦的公司“Kapanu”與迪士尼研究中心合作制作出來了[16]，通過以下幾個步驟就可以實現個性化補牙：

①醫師用掃瞄儀把患者的口腔掃瞄，變成3D影像，然后在電腦上像PS一樣修整出理想牙齒的效果，最后利用AR軟件在患者的口腔上模擬出治療或矯正后的效果，如圖2所示。

圖2 醫師對掃描的牙齒3D影像進行修整

②患者與醫師溝通，從若干個治療方案中選出最佳的矯正或治療方式，如決定牙齒的大小與顏色等，結果如圖3所示。

圖3 醫師與患者協商后的補牙效果

③最后按照制定好的補牙方案給患者補上理想的牙齒，這樣不僅增加了醫師與患者之間的信賴度，而且使手術更加順暢，縮短了手術時間，減少了手術風險。

4.2 牙種植體的放置

AR技術已被證明可以改善各種口腔醫學手術，使用AR系統可以實現種植體植入和手術導航[17]，用于種植體植入的AR手術導航系統采用視網膜成像顯示器，而不是觀察監護儀，因為在手術過程中遠離小型的口腔手術部位是相當危險的[18]。

有時，無用的信息會妨礙外科醫師的決定，所以在種植體植入過程中，AR系統可以充當自動信息過濾器，有選擇地向外科醫師顯示最相關的信息，從而幫助他們將注意力集中在種植體上[19]。Linet等評估了基于AR牙種植體植入的準確性，并將其與計劃的外植入體位置進行比較，他們發現將手術模板與AR系統結合可以減少位置偏差，這個結果意味著AR系統的精確度仍需要提高[20]。但由于其能夠減少時間和額外成本，用于牙科植入手術的AR系統被認為能夠降低成本效益[21]，有待于在未來口腔醫學領域更好地開發和利用。

國內有關AR技術在口腔醫學治療中的應用實例較少，2010年朱明等[22]針對20例下頜骨肥大的患者，借助AR技術，借助上海九院整形設計系統，將術前規劃的預截骨平面和下頜骨的虛擬3D數字模型同時顯示在快速成型實體模型上，實現了虛擬圖像與實體的重疊配準，為下頜角截骨術可視化手術提供了有效的途徑，為未來AR應用研究奠定了基礎。

5 總結與展望

用于教育或培訓的口腔模擬器非常適合AR技術，特別是解剖、手術和修復性的口腔治療，AR口腔模擬器因具有直接反饋和客觀評估功能而將成為未來口腔醫學發展的重要工具，AR技術的發展給各個領域的發展提供了良好的輔助作用，不僅在教育領域應用廣泛，在臨床治療中也已取得了很好地應用。我們相信，未來有關AR的培訓和課程將傳播并應用于每個口腔醫學部門，并使他們接受完整的教育和培訓。在AR輔助的手術環境中，可視化的效果結合準確的醫學圖像和跟蹤系統，瞄準、登記和計算整個手術信息及數據，將會極大地減少手術風險，創造更加安全的手術環境。通過借助HMD或AR的其他技術就可以幫助醫師更好地執行手術。根據醫師的經驗和完整的硬件和軟件，AR技術將會使患者和醫師之間建立更加信賴的關系。

同時，AR在未來醫學中的應用前景巨大，據高盛報告[23]統計得出：到2025年AR與VR軟件規模預期比是1/3，AR技術仍需進一步改進，尤其是在顯示技術、實時處理和物理環境的校準方面。隨著AR技術的成熟，將逐漸走進企業市場，在醫療保健市場，預測到2020年將有80萬醫師和EMT使用VR/AR技術，軟件營收為12億美元，而到2025年醫師將達到340萬，軟件營收將達到51億美元。因此，VR和AR不僅有潛力創造出新的市場，還將顛覆當前的市場。但是國內有關AR技術在口腔醫學中應用的研究和實踐較為欠缺，在今后需要加大這方面的研究，以期在國際口腔醫學領域占據一席之地。