VR/AR技術在口腔教學中的應用探討*

張耀超 張琳梅

1.VR/AR技術的現狀

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術是多種技術的緊密結合，其中包括模擬環境、感知以及傳感設備等方面［1］；使用者可借助VR設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的真實環境［2］。它的特征可歸納為以下四點，即沉浸感（immersion）、交互性（interaction）、構想性（imagination）和智能化（intelligence）。常與VR同時使用的還有增強現實技術（Augmented Reality，AR）［3］。增強現實技術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技術提供了一種全新的、不同于人類生物學構造所允許的感知世界的方式［4］，其特點可以歸納為三點：虛實結合、實時交互、三維注冊。與VR技術不同的是，AR技術不僅能夠展示真實世界的內容，也能夠促使虛擬的信息內容顯示出來，通過將真實與虛擬世界內容的相互補充，從而實現對真實世界內容的“增強”。目前有研究顯示，VR/AR相關技術已普遍應用于口腔治療虛擬模擬器、腹腔鏡微創手術模擬器等智能醫教系統。上述系統可以顯著降低手術技能實訓課上對于實驗動物和大體標本的依賴，在有效提高教學質量的同時也大幅度降低了教學成本［5－7］。此外，研究者們正在不斷開發實施VR/AR技術在臨床疾病診斷、治療及術后康復中的應用［8］。

2.VR/AR技術在口腔教學中的應用

2.1 VR/AR技術在口腔頜面外科中的應用 從傳統意義上來講，口腔頜面外科的教學是以理論教學內容為主，實際操作訓練較少。理論教學的形式簡單，學生缺乏課堂學習的積極主動性，而實踐課程則以模型訓練為主，缺乏真實感，最終導致學生臨床操作能力低。有研究顯示學生在正式進入實習的第一年，不良醫療事件的發生率約13.7%，此概率提示傳統教學模式對患者存在極大的風險［9］。將VR/AR技術應用于口腔頜面外科的教學中，不僅可提高課堂教學的趣味性，而且可提供臨床操作的真實感，因此口腔醫學生的學習效率也得到顯著提高。隨著信息化發展，VR/AR技術不僅可以彌補口腔頜面外科教學應用中的不足，還將為口腔教育事業的改革發展帶來質的飛躍。

2.1.1 在麻醉方面的應用 口腔頜面部的血管和神經走形錯綜復雜，因此臨床中麻醉不全或麻藥入血的案例較為常見。下牙槽神經阻滯麻醉的失敗率很高，約為20-25%，可能失敗原因有:解剖學（神經通路和下頜孔變異)、病理學（感染和炎癥)、藥理學（酒精中毒和某些藥物使用)、生理學（恐懼和焦慮）以及技術不足（注射進針不當和過早開始治療)。Correa等研發出一種VR培訓系統，在進行下牙槽神經阻滯麻醉時，可用于評估注射位置是否準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］。國外也有學者針對下牙槽神經阻滯麻醉研發了一種牙科麻醉訓練模擬器，模擬器使用VR技術和觸覺設備，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，結果顯示VR模擬器的使用可有效預防病人麻醉過程中的不適和并發癥，大大提高操作的安全性。此外，該模擬器可提供逼真的訓練系統，相比使用大體標本和實驗動物具備很大的優勢［11］。

2.1.2 在牙槽外科方面的應用 在口腔牙槽外科教學中，臨床前模擬手術操作一直有所欠缺，而基于VR技術開發的牙槽外科虛擬手術模擬系統彌補了這個空白，學生得以擁有無風險的臨床前操作機會，以及近乎真實的視覺觸覺體驗。有學者基于AR技術建立了口腔頜面外科導航系統，在手術過程中，由計算機斷層掃描數據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，可以實現整形手術過程中手術區域直接可視化，有效提升了手術效果。此外，跟蹤標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 在手術訓練教學方面的應用 由于口腔頜面外科培訓缺乏大體標本資源、價格昂貴且效率較低，醫學生學習可能受到限制。隨著視覺渲染和反饋力程序的結合發展，使得手術模擬器逐漸取代傳統訓練，受到各大醫學院校的歡迎［13］。還有學者基于VR設計了頜面外科手術訓練系統，系統支持HMD、觸覺反饋、半透半反膜等自然交互設備，大大增強了實訓情景的真實感［14］。另外由于實驗室教學有一定的局限性，實習生無法從各個方位角度觀摩手術過程，而Pulijala等使用Oculus Rift和Leap Motion設備進行正頜外科訓練，實習生可以觀看手術中的360度視頻，實現高效化的手術教學［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。粘貼不當的托槽會對牙齒的唇頰舌向、近遠中向傾斜度產生不良后果，并進一步導致上下頜咬合關系出現問題。在傳統教學中，學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效果。將VR/AR技術引入到教學中以后，在虛擬正畸托槽粘貼的教學中，操作者可以在一個幾乎完全虛擬的環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移動過程會直觀地呈現，不僅可以使學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技術在口腔修復學中的應用 口腔修復學與口頜系統的其中任一部分都密切相關，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、咀嚼肌與關節之間的協調關系。根據VR/AR技術，可以讓醫生和患者可以進一步預測未來的治療效果，且對于一些潛在手術風險做出分析，并根據此基礎制定修復治療計劃，以達到更加美觀的效果。

在醫學美學的修復中，還要充分考慮前牙和面部口唇的協調［19］。將VR/AR技術應用到前牙美學修復中，可以有效提高診斷蠟型的臨床應用價值，加強醫患之間的溝通效果。Kikuchi等［20］使用了一種VR虛擬訓練系統，可用于金屬烤瓷冠的牙體預備培訓。根據患者自身情況制定最佳的治療方案，使患者在修復后有良好的咬合關系及正常的肌肉功能和發音，為臨床美學修復的實施提供保證。

2.4 VR/AR技術在口腔種植學中的應用 目前，大多數的口腔醫學院均開設了口腔種植學課程，但多數醫學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，并不能為醫學生提供充足的口腔種植臨床實操訓練機會［1］。而種植牙對口腔醫師臨床技能要求較高，VR/AR技術實現虛物實化，可以讓操作者有身臨其境的感受，因此，近年來VR/AR技術在口腔種植教學中有了更加廣泛的應用前景。

Kusumoto等人研發出一種VR口腔種植系統，口腔醫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，進而指導下一步操作。基于計算機輔助設計和種植導板技術，VR口腔種植系統還可以虛擬合成引導模板，在虛擬頜骨模型上安裝種植導板并進行精準定位，進而引導完成種植體植入手術。

同時，口腔醫師還可校準因CT影像造成的誤差，并可微調術前種植路徑及定位，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區域周圍結締組織和血管的走行方向，患者反應等情況［21］，實現自主式、體驗式、探究式學習，從而提高實訓效果。除此之外，手術模擬的觸覺體驗利用觸覺反饋和視覺沉浸技術，保證虛擬環境下視覺觸覺融合的逼真度［9］。

2.5 VR/AR技術在口腔黏膜病學中的應用 傳統的口腔黏膜病學理論學習以課堂講授為主，學者們還提出問題導向教學（PBL）、病例導向教學（CBL）及研究導向教學模式（RBL）［22-24］，但教學效果往往不佳。臨床實習階段，口腔黏膜病學實踐時間通常較其他學科短，學生很難將復雜難懂的理論知識與豐富多變的臨床實際相結合，導致口腔醫學生畢業后口腔黏膜病臨床問題分析與處理能力普遍較低［25］。在口腔黏膜病學理論教學階段，相關疾病的概念、病理機制、病理變化過程等是學習的重點與難點，而AR技術則可以將以上內容通過動畫演示的形式呈現，大大簡化學生理論認知過程。

口腔黏膜病學實驗教學內容少，且形式單一，而臨床相關操作練習缺乏真實感，難以達到訓練目標。將VR/AR技術用于口腔黏膜病學的相關操作中可以提高學生臨床操作的真實體驗感。臨床工作中多數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技術演示并指導學生進行虛擬操作，從病損部位選擇、消毒局麻、切取并縫合，學生均在虛擬場景下自主操作，教師在線點評，可進一步使學生的實踐操作標準化，同時也提高了學生參與實踐學習的積極性和主動性［26］。此外還可通過VR/AR技術模擬各種口腔黏膜病的病變特征，讓學生體驗臨床用藥，并通過VR/AR教學評估系統評判治療是否得當。

3.VR/AR技術在我國口腔醫學教育中的應用現狀及未來展望

3.1 應用現狀 國內有關VR/AR技術的硬件設備及軟件開發仍然較慢，隨著越來越多的醫學院校引入第三方VR/AR工具系統，將VR/AR技術教學與傳統教學進行融合，其在口腔醫學教育中的應用探索已越來越廣泛。目前已有多種VR模擬系統應用于口腔教學中，例如口腔種植學、口腔頜面外科學、口腔修復學、牙體牙髓病學和牙周病學等多門課程［27］。已有研究證明，DentSim數字化牙科實訓系統［28］、穆格Simodont數字化虛擬仿真牙醫培訓系統［29］可以大大提高醫學生必備的精準手眼協調能力，幫助學生掌握窩洞制備和牙體預備的基本方法，通過逼真的學習體驗有效提升了教學質量。

3.2 未來展望VR/AR在未來醫學中的應用前景廣闊，但是目前VR/AR技術在教學中的應用仍然存在不足，普通授課教師普遍不具備專業的計算機建模能力，要依托專業的團隊制作模型周期長、軟硬件的開發創新所需成本較高。而隨著信息技術的發展必然會推動VR/AR技術與人工智能、大數據和5G網絡等高新科技元素結合的深度變革，近年來出現的ARCore、ARKit等手機掃描建模技術，有力的彌補了教師在建模方面的能力缺陷。在持續創新發展的醫學教育過程中，依托VR/AR技術搭建的平臺，其與醫學各學科的深度融合，將為教育創新之路開辟出嶄新的局面。