增強現實技術在口腔頜面部解剖教學中的應用

田 也，陳金龍

（四川大學華西口腔醫院，四川 成都 610041）

虛擬現實（Virtual Reality,VR）技術是通過計算機生成三維可視化的圖像，讓使用者能高度沉浸于虛擬場景中全方位地獲取信息[1]。而增強現實（Augmented Reality,AR）在很多技術方面與虛擬現實相同，但也有明顯的本質區別，其目的并不是構建一個完全虛擬的環境，而是將計算機生成的圖像疊加到現實世界的圖像上[2]。換言之，使用者可通過機器看到周圍環境的物理視圖，然后通過疊加虛擬圖像，使我們能感受到真實的物理環境變得更為生動和立體。平板電腦、手機、AR眼鏡和其他經過優化的可穿戴設備均可作為運行AR應用程序的硬件載體。

近年來，虛擬/增強現實技術在娛樂、科技等相關產業蓬勃發展，各種科技產品層出不窮，醫療健康領域也不例外。1965年，Robert Mann首次將醫學虛擬系統用于骨科醫生住院醫師培訓中。20世紀80年代后期，頭戴式顯示器作為可穿戴式設備用于醫學中的虛擬現實可視化。雖然期間也出現過關于虛擬現實技術缺點的報道，包括惡心、頭暈、視力暫時受損以及缺乏臨場感[3]，但隨著各類影像技術的進步和硬件設備的改進，增強現實技術在醫療領域中得到了越來越廣泛的應用，為臨床醫生提供了額外的指導信息。與此同時，增強現實技術也開始在教育領域中有所應用[4]。口腔解剖課教學的內容是讓口腔醫學生對復雜的頜面部解剖結構有準確的認知，是培養臨床操作技能的基礎。解剖學教學的關鍵在于幫助學生在腦海中建立解剖結構的模型，使其了解不同結構之間的空間關系。傳統的解剖學教學主要依賴課本文字、解剖圖譜、教學模具以及尸體解剖等，學生在接觸尸體解剖前主要靠憑空想象，在接觸尸體解剖后又容易手忙腳亂，很難達到理想的學習效果。筆者在此介紹一種基于增強現實技術的教學方式，以期將復雜的、抽象的頜面部解剖結構以三維可視化的形式呈現，用于頜面部解剖的教學，從而達到革新教學方式、提高教學質量和效率的目的。

1 對象和方法

1.1 教學對象

隨機選取四川大學華西口腔醫學院2016級口腔專業五年制20名本科三年級的學生作為教學對象，所有學生均學習過系統解剖學課程，但尚未學習口腔解剖生理學課程。通過抽簽的方式隨機分為實驗組和對照組，每組10人。兩組學生性別、年齡經非參數檢驗、t檢驗對比，無顯著性差異（P＞0.05）。

1.2 制作基于增強現實技術的頜面部解剖教學模型

基于韓國“VisibleKoreanHuman”數據庫[5]，獲取原始解剖數據模型，導入FEIAmira-avizo軟件進行3D模型的重建，使用AutodeskMaya軟件進行糾錯和優化，并對表面進行平滑處理，導出二進制STL格式文件，其后導入平板電腦終端（由斯坦福大學臨床解剖系MatthewHasel友情提供其團隊自主研發的AR工具系統）。

1.3 研究方法

教學內容選用口腔面頸部局部解剖章節，學習時長均限制為30分鐘。實驗組采用增強現實技術的頜面部解剖教學模型進行授課，對照組采用傳統授課模式，兩組均由同一高年資講師進行指導。具體如下：實驗組：結合本次授課內容形成面頸部解剖模塊，運用三維解剖軟件增強現實功能，將解剖生理內容實時嵌入。學生利用平板電腦、手機的攝像頭掃描教師提供的標志完成注冊，然后通過全方位觀察3D頜面部圖像，對照提供的相應教材文字內容學習。對照組：學生通過解剖圖譜對照提供的相應教材文字內容學習。

1.4 評價指標

課堂教學結束后，兩組學生采用隨堂測驗及教學評價的方式對教學效果進行評估。在考核之后，兩組學生均對涉及教學效果的各個方面進行考量，對不同教學模式進行問卷評價。每項調查內容按1～5共5個級別打分（1完全不符，5完全符合）。結果使用SPSS26、GraphPadPrism 8.0軟件作圖并統計分析。

2 研究結果

2.1 口腔學生學習頜面部解剖學的積極性和滿意度比較

利用增強現實技術，結合頜面部解剖教學的需求，依托平板電腦作為硬件平臺，可清晰呈現預載的頭頸部解剖模型。實驗組學生可全方位、多角度地觀察各個解剖結構及其毗鄰關系，通過可視化的手段代替學生的主觀想象。問卷評價統計結果顯示，利用增強現實技術模型進行授課的實驗組學生與利用傳統模式進行授課的對照組學生相比，課堂中采用三維解剖軟件對課程內容進行整合，可以更好地調動學習興趣及積極性，參與感更強（P＜0.05）；教學內容設計方面重點更為突出（P＜0.05）；相比于解剖圖譜，實驗組教學資料能在后續實習操作中準確找到相應解剖結構（P＜0.05）。總體來說，實驗組學生對增強現實技術的教學方法滿意度更高（P＜0.05），但實驗組學生自我評價對面頸部解剖結構和層次準確掌握程度上無顯著差異（P＞0.05），見表 1。

表1 調查問卷結果（±s，分）

表1 調查問卷結果（±s，分）

問題平均分P值對照組 實驗組教學資料有趣味性、啟發性教學資料清晰展現面頸部結構和毗鄰解剖關系教學活動參與感強，積極性高教學內容合理，重點突出對面頸部解剖結構和層次已準確掌握能在后續實習操作中準確找到相應解剖結構對該教學方式的教學效果十分滿意3.60±0.70 3.40±0.70 3.10±0.88 3.30±0.48 3.80±0.92 3.70±0.82 3.20±0.42 4.70±0.67 4.50±0.70 4.20±0.74 4.40±0.82 4.50±0.53 4.60±0.52 4.60±0.70 0.002 1 0.004 5 0.020 2 0.035 3 0.051 1 0.009 0＜0.001

2.2 口腔學生頜面部解剖學的學習效果評價

與傳統的教學方式（對照組）相比，增強現實技術（實驗組）的應用更有利于學生直觀了解口腔頜面部解剖結構，尤其在學習頜面部骨性結構、毗鄰關系、關節運動、肌肉起止和空間關系、血管神經分布等方面可促進學生的理解掌握，增強學生解決實際問題的能力及教學效果。實驗組學生與對照組相比，隨堂測驗成績更高（P＜0.05），見圖 1。

圖1 學生隨堂測驗分數

3 討論

3.1 增強現實技術醫學應用的發展現狀

解剖學是大多數VR/AR應用于教育領域的經典范例[3]。研究人體解剖的VR/AR應用程序開發中的第一步是構建包含人類圖像和信息的大型在線數據庫，這些數據庫主要收集大量CT/MRI掃描數據。第一個數據庫于1991年于科羅拉多大學創建，稱為“可視化人類項目（visiblehumanproject）”，包含 7 000 多例數字解剖圖像，目前在美國國家醫學圖書館平臺免費開放。隨后出現了其他類似的模型，包括本文中使用的韓國數據庫“Visible Korean Human”及中國數據庫“Chinese Visible Human”等。這些數據庫模型中包含的大量數據標本，很好地滿足了解剖學教學的需求。解剖學是需要長期學習、不斷積累的，尤其是頭頸部解剖，其結構復雜、孔隙多、交通廣泛，血管和神經支配亦錯綜復雜，入門掌握的難度很大。而增強現實技術通過三維可視化使復雜的解剖結構學習不再單純依賴學生的空間想象，且大大增強了學習的樂趣，成為一種較好的學習工具。除了基礎的解剖學教學，增強現實技術的應用甚至能做到以4D的形式（在空間和時間維度上）展示器官發育的變化[6]。一些可穿戴的增強現實硬件設備，如谷歌眼鏡、愛普生智能眼鏡及更為先進的微軟Hololens可以將虛擬形成的3D圖像投影到真實環境上的眼鏡。這些設備將眼鏡與跟蹤相機和傳感器系統結合在一起，通過相機捕獲現實世界圖像，可以獲得更好的沉浸感和交互感。但其缺點也顯而易見，即成本高昂。而本文中用平板電腦作為增強現實應用的硬件載體，具有更好的普適性。

隨著虛擬仿真和增強現實技術的高速發展以及其結合產生的混合現實的應運而生，未來除視覺、觸覺外，亦可能整合嗅覺刺激，將氣味用作模擬醫學診斷工具，甚至可以更真實地再現壓力條件（例如在戰場中或在手術室中）。同時，醫學信息學也在不斷發展，醫療數據將有更高的分辨率，盡管VR/AR技術已經取得了重大發展，但是仍然需要更快的處理速度、更高的分辨率、更好的方案設計以及更先進的觸覺設備，以實現更高的還原度[7]。

3.2 增強現實技術提升口腔醫學教學效果的評價

在評價教學效果方面，筆者選用了隨堂測驗結合學生成績測評的方法，從結果可知，結合增強現實教學的實驗組學生掌握情況和自我評價均優于對照組使用傳統解剖圖譜的學習效果（P＜0.05）。此處選擇的教學階段為解剖學的入門階段，其反映出的結果未必能全面反映整個學習階段。有學者研究VR/AR仿真系統對某特定技能學習效果的有效性，其評價體系中盡量納入學習的整個階段，通過技能習得的水平與付出的努力程度（學習時間、頻次）繪制學習曲線。通常，如果期望學習曲線具有較高的平穩性，就意味著用這種方法獲得技能的最終水平很高，初期曲線上升陡峭的話則意味著提高技能的難度較低。在VR/AR模擬器中學習的受訓者，其學習曲線表現為初期陡峭，后期則較平穩地維持在相對低的高度，這意味著受訓者能很快地掌握技能，但是單純依靠VR/AR很難達到較高的水平[8]。筆者設計的學習場景很大程度上歸于新手的入門期，所以取得了較好的結果。而后期要更好地掌握，則需要轉移到其他的教育環境中，即回歸到尸體解剖的實操訓練和臨床見習、實習中[9]。當然，這種情況會在增強現實技術更進一步發展后有所改善。