虛擬現實技術用于齲壞識別教學

趙思銘，趙曉含，張 杰，王黨校，王曉燕△

(1.北京大學口腔醫學院·口腔醫院，牙體牙髓科 國家口腔疾病臨床醫學研究中心 口腔數字化醫療技術和材料國家工程實驗室 口腔數字醫學北京市重點實驗室,北京 100081; 2.北京航空航天大學虛擬現實技術與系統國家重點實驗室,北京 100191)

齲病是口腔中最常見且高發的疾病，臨床上對齲病的治療，首要步驟是徹底地清創，去凈腐質，同時注意生物學原則，盡量保存正常的牙體組織[1]，這是治療成功的前提和關鍵。去凈腐質的臨床標準包括視診其顏色，牙本質無明顯著色，有光澤；探診其硬度，牙本質質地堅硬，尖探診不能探入。探診硬度是判斷的關鍵，教學中常出現的問題是學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，以獲得識別的技能。當前，收集離體牙的難度越來越大，這與培訓中離體牙多多益善的目標產生矛盾；對于離體牙的切削操作具有不可重復性，學生無法在同一顆離體牙上反復對比去凈腐質前后齲壞區域探診硬度的變化；且因各離體牙具有唯一性和特異性，導致學生接受的培訓并非完全一致，而學生培訓的效果與其用于培訓的離體牙有一定關系。離體牙的需求量、可重復操作性和標準一致性，是教學中亟待解決的關鍵問題。虛擬牙科培訓系統具有可重復性、標準化一致性等特點，可以在一定程度上解決教學中的這一問題。近年來，國內外有多款虛擬牙科培訓系統已經開發并應用于口腔專業教學領域，如荷蘭的Simodont Dental Trainer系統[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、冠橋牙體預備等[2]；英國的HapTEL系統 (The Kings College London & University of Reading,英國)可用于培訓牙體直接充填修復操作中的去腐、洞型預備[3]；瑞典的Forsslund 系統 (Forsslund Systems AB, 瑞典)可應用于牙體切削和智齒拔除操作[4]；哈佛牙醫學院的Virtual Reality Dental Training System (VRDTS)可用于模擬牙體切削和窩洞充填[4]；北京航空航天大學的iDental(后更名為UniDental)系統可用于牙體切削、牙周檢查治療等[5-7],但現有的各系統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。本研究基于虛擬現實牙科模擬系統UniDental進行齲壞識別軟件開發，旨在應用于口腔醫學專業本科生臨床前期齲壞識別教學，提高學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

基于眾繪科技的UniDental系統(圖1)開發齲壞識別軟件。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定為正常牙本質硬度；(3)賦予每層內部以相同的粗糙度值，淺、中、深層粗糙度逐漸減小，匹配相應硬度的牙本質，深層的粗糙度設定為正常牙本質粗糙度。各層牙本質硬度和粗糙度的值由臨床經驗豐富的醫師預設。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域，進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該層力反饋預設值，分別感受相應的硬度和粗糙度，若操作力度超過預設值，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極值時會出現落空感。

圖1 UniDental系統

1.2 受試者

受試者為北京大學口腔醫學院2014級口腔醫學專業本科生，共計64 人，受試者參與實驗時處于本科生臨床前期教學階段齲壞牙去腐培訓系列課程中，已進行相應理論和部分操作培訓。

1.3 實驗方法

受試者操作UniDental系統齲壞識別軟件，分別在齲洞的淺層、中層、深層進行垂直向硬度探查和水平向粗糙度探查操作培訓。完成培訓后進行問卷調查，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模式，包括傳統離體牙教學、虛擬現實技術、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 統計學分析

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行秩和檢驗(Kruskal-Wallis test)，P<0.05認為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 力反饋真實度

力反饋真實度評分結果(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，數據由中位數和各評分例數百分比組成。發現學生對力反饋真實度的評分中位數均為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行秩和檢驗，發現3層硬度評分結果對硬度變化梯度評分的影響均有統計學意義(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行秩和檢驗，發現淺、中層粗糙度評分結果對粗糙度變化梯度評分的影響有統計學意義(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果(表1)中位數為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行秩和檢驗，發現硬度相關的4組數據對結果影響有統計學意義(P<0.05)。

2.3 教學模式的選擇

90.4%的學生支持傳統離體牙教學模式，1.6%(1位)學生認為虛擬現實技術更好， 7.8%(5位)的學生希望兩種模式同時進行。

3 討論

UniDental系統使用的力反饋手柄的外形和設計對實驗結果有一定的影響，標準的口腔臨床齲壞探查操作中，術者右手以執筆式握持牙科探針，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)， 術者握持部位在連接點之后，操作時阻力出現的部位較口腔內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，手柄會出現反饋力突然消失的現象，而正常牙本質硬度約為68 KHN(Knoop hardness number)， 使用尖探針探診(尖端直徑0.5 mm)，正常牙本質可以承受的最大探診力度遠超過5 N[6]，雖然軟件中預設的深層(正常牙本質)硬度力反饋值為最大值5 N，仍遠小于實際值。故當受試者按照已有的離體牙上操作經驗使用逐漸增大并超過5 N的力時，會出現反饋力逐漸增大又突然消失落空的現象，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致體驗性下降，外形的改進有待于工業設計的進一步完善。

從硬度測試的結果來看，隨著深度增加，各層探診硬度增大，雖然中位數顯示結果均為比較真實，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，反向取出探針瞬時有輕度黏滯感[8]。這一感受差異可能是導致淺層、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，后續需要進一步改進軟件算法，改善體驗。

從粗糙度測試的結果來看，中位數顯示結果均為比較真實，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，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，齲壞和正常牙本質粗糙度可設定的力值區間較小，故模擬難度較大，這一問題需在后續的實驗中進一步提高賦值的精確度來改善體驗。

表1 問卷調查評分表

問卷結果顯示該實驗對學生齲壞識別能力的提高比較有幫助。傳統離體牙教學方式對離體牙的依賴性高，但離體牙具有唯一性、不可復制性，對其切削操作后不可恢復，因此學生無法反復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前后的硬度和粗糙度的變化[9]，是臨床前期教學和臨床教學中的難點[10]。并且離體牙具有特異性，學生對教學內容掌握程度的好壞與其使用的離體牙的質量和數量存在一定關系。而虛擬現實技術恰好可以彌補這一不足，虛擬現實技術的可重復性，讓學生可以在軟件上反復體會去腐過程中各層硬度、粗糙度的梯度變化，且所有學生可以接受同樣的標準化訓練，因此該訓練有利于學生齲壞識別能力的提高。

另外，教學模式選擇的結果顯示，90.4%的受試者傾向于延續傳統離體牙教學模式。分析原因：(1)虛擬現實技術還存在很多不足，包括力反饋的真實性、操作界面的真實性等；(2)學生對于新的教學模式的適應程度各不相同，初次接觸虛擬現實技術，個別學生在短時間內接受的能力有限，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果；(3)齲壞識別的能力是一種臨床經驗和操作水平積累的體現，口腔醫學專業的特殊性決定了它不可能脫離臨床實際操作，目前傳統的離體牙教學模式能創造更接近臨床實際的條件，給學生提供相應的模擬訓練。1.6%的應試者選擇虛擬現實教學模式，7.8%的受試者希望同時接受兩種模式培訓。

綜上所述，雖然虛擬現實技術仍不夠完美，不能取代傳統教學，但希望它可作為傳統離體牙教學模式的補充應用于臨床前期教學，隨著虛擬現實技術的發展，模擬真實度的進一步提高，能在口腔專業教學領域獲得更廣泛的應用。