擴展現實技術在口腔頜面外科臨床教學的應用

李帛倫，劉航航，劉瑤，朱照琨，邰岳，羅恩

四川大學華西口腔醫學院，四川成都 610041

口腔頜面外科屬于交叉學科， 不僅涉及普通外科、口腔外科，還涉及牙科、整形外科，要求從業者掌握較多的操作技巧。 然而學生在臨床初期很容易出現操作失誤，從而引發醫療糾紛。有研究表明，醫學生臨床實習第一年發生不良醫療事件的概率為13.7%[1]。 這給口腔頜面外科臨床教學的開展帶來了一定的困難。傳統的教學模式為：學生先進行理論知識學習，然后觀摩臨床手術，接著擔任醫師助手，最后在資歷豐富的醫師的指導下逐步上手操作。 為確保手術的安全性及患者的滿意度，學生可獲得的實踐機會不多，導致了口腔頜面外科醫師的培養周期較長、培養效率不高。 要想培養一名合格的口腔頜面外科醫師，一般需要8～10 年之久[2]。

新興的拓展現實技術可與口腔頜面外科各類臨床操作有機結合：開展虛擬手術培訓，有助于提升學生的學習熱情、降低學生實習期間的醫療事故發生率、縮短口腔頜面外科醫師的培養時間； 實現術區結構可視化，減少手術并發癥的發生，降低手術難度；實現遠程教學、遠程手術。對口腔頜面外科研究生的臨床教學有重要的作用。

1 拓展現實技術

擴展現實（extended reality，XR）是一類能擴展現實感知的計算機技術，近年來被引入作為虛擬現實（virtual reality，VR）、增強現實（augmented reality，AR）和混合現實（mixed reality，MR）的總括術語[3]。

虛擬現實能創造完全虛擬的環境，給使用者身臨其境的體驗。 增強現實能將虛擬信息疊加于現實世界，從而增強使用者對現實的感知。混合現實則將虛擬現實與增強現實相互結合，為使用者提供更真實的擴展現實體驗。

AR/MR 與VR 的區別在于：前者提供的感知是部分虛擬的，而后者提供的感知是完全虛擬的。MR 與AR 的區別在于：前者提供的虛擬感知足以以假亂真，而后者提供的虛擬感知能被輕易識別，見圖1。

圖1 VR、AR、MR 的相互鑒別

2 臨床教學應用

2.1 VR 技術的臨床教學應用

（1）VR 技術可用于輔助口腔頜面外科手術的術前設計。

傳統口腔頜面外科手術的術前設計主要依賴于醫師的臨床經驗和主觀判斷，以及醫學成像技術的視覺輔助[4]。 但傳統成像技術提供的二維影像十分考驗醫師的解讀能力，經驗不足的學生在制訂術前設計時容易遺漏重要的信息，導致手術設計的不完善。VR 技術可直觀地呈現手術部位的三維影像，以更全面的方式展現患者的相關信息，降低手術設計的難度，可供學生反復練習并供手術醫師檢查、指導。此外，學生也可通過與手術醫師制定的手術設計比較，尋找差異之處，進一步提升自己對術前設計的理解。

VR 輔助牙種植的術前設計流程包括： 將通過影像學檢查獲取的頜骨數據及牙列模型數據轉換成三維規劃程序兼容的格式，導入SimPlant、SurgiCase、Procera 等種植體設計軟件，根據缺牙間隙、牙槽骨高度、下牙槽神經管等重要解剖結構的位置設計種植體的大小、 位置、方向。 通過軟件的方式具象化手術設計，學生經過簡單的培訓即可上手，并能快速掌握相關操作技術。此外，術前設計數據還可用于實現更高效的醫患溝通，減少學生臨床見習期間的醫患矛盾，也可通過3D 打印技術制作數字化導板，輔助種植體精準植入。由于這種設計方法效果好、并發癥風險低，已普遍應用于牙種植的術前設計。

正頜外科常用的術前設計方法包括VTO 分析、模型外科和計算機輔助設計。隨著影像學的發展與數字化技術的成熟，計算機輔助設計已成為主流設計方法。 其流程包括：通過Mimics 等醫學影像控制系統利用CT 數據構建顱骨及牙列的三維模型，使用Freeform 等模型設計軟件切割、旋轉、平移構建的顱頜面三維模型，設計手術方案的同時可直觀地預測手術效果。 VR 技術輔助正頜外科手術設計有如下幾個突出的優點：①對頜骨進行的每一步操作都可被精確地量化，學生能夠詳細地了解手術流程，在觀摩手術時，受益更大；②三維模型可直觀地展示手術設計，為正頜醫師、正畸醫師、患者的良好溝通提供了可視化的媒介； ③術前術后數據保存方便，可用于學生回溯整個治療流程，加深理解，改進術式、開展回顧性研究、構建自動化手術設計軟件等用途。

（2）VR 技術也可用于開展口腔頜面外科虛擬手術培訓。

口腔頜面外科疾病發生率不高，良惡性腫瘤、頜面部骨折、間隙感染、唇腭裂、牙合面畸形等疑難疾病患者往往集中于三甲綜合醫院或口腔專科醫院[2]。 這導致了口腔頜面外科醫學生難以完成實習大綱的病種要求。實際上， 一流口腔院校的學生也少有手術操作的機會，多為現場觀摩或擔任醫師助手。 而VR 訓練系統可模擬真實的臨床環境，提供逼真的視覺渲染、觸覺感受、聽覺信息，并且無臨床操作風險，相較于傳統臨床教學更具指導意義。 此外，VR 系統還能構建不同的臨床場景，學生可根據操作技能的熟練程度自行選擇訓練類型，可充分調動其學習熱情，化被動學習為主動求知。 部分VR 訓練系統還能根據操作時長、操作部位的準確度等客觀指標生成個性化評估報告，便于學生及時發現操作中的不足。這種及時且客觀的反饋式學習更有利于學生臨床技能的學習。且這種學習方式也減輕了帶教老師的教學負擔，使其有更多精力對學生進行針對性指導。

VirTeaSy ImPlant Pro 是一種虛擬植入物手術培訓系統，配備了力學反饋系統，可逼真地模仿牙種植術中的觸覺反饋，提升學生對骨密度的感知能力；其輔助系統，可在學生鉆孔的位置、角度和深度不正確等情況下發出警報，及時指出操作不當之處；此外還配置有可供師生實時互動的顯示器[4-5]。 有的種植牙VR 訓練系統還可模擬不同位置缺牙或骨吸收類型的患者，并提供不同的病史來模擬真實的就診情況[6]。

Mimics 等醫學影像控制系統可利用CT 數據構建顱頜面的三維模型，操作人員可通過佩戴VR 眼鏡和數字手套/手柄，對頜骨進行切割、分離、位移、旋轉等操作，以此模擬各類正頜外科手術，見圖2。

圖2 使用VR 系統模擬正頜外科手術

此外也存在下牙槽神經阻滯牙科麻醉、 頜下腺摘除、人體解剖的VR 訓練系統。

2.2 AR 技術的臨床教學應用

相較于身體其他部位，口腔擁有獨特且復雜的解剖結構：存在復雜的血管神經網，毗鄰眼球、大腦等重要器官，操作空間狹窄、視野受限，不當的操作將導致嚴重的后果。 這是導致口腔頜面外科手術難度較高的重要因素。如何實現手術部位及周圍重要解剖結構的可視化是備受關注的教學問題與臨床問題。傳統的計算機輔助導航技術可通過標記點匹配術區結構與影像學資料，并通過定位裝置實時追蹤手術器械在體內的位置、判斷其與重要解剖結構的位置關系[7]。 使醫師能夠實時追蹤手術過程、預測操作結果、減少手術并發癥的出現，從而提高手術的精準性和安全性。與之不同，AR 技術可利用影像學資料構建目標結構的三維模型，并將其匹配疊加于術區之上，可直接顯示術區內部的解剖結構，實現術區結構可視化。 更加直觀、更具指導意義。 此外，傳統計算機輔助導航需注視術區外的顯示屏來追蹤手術器械，AR技術可使用頭盔型顯示器、光學透視型顯示器，或采用投影，在手術醫師注視手術部位的同時，將三維模型疊于手術部位。 省去轉化二維信息的過程，避免因目光移至顯示屏導致的器械掉落、誤操作等失誤，改善手眼協調的問題，降低手術難度[8]。這降低口腔頜面外科手術的門檻，使學生可以更早達到臨床操作標準，增加其實踐機會、縮短培訓周期，減少年輕醫師因不熟悉解剖結構導致的非必要損傷。

種植牙因更加美觀、舒適，壽命更長、修復性能更好的特點，已成為主流的缺失牙修復方式。 為了保證種植成功、種植牙正常行使功能，需對種植體的型號、植入方向與深度等要素進行嚴格的設計及對設計進行精準的實施[9]。 傳統方法主要通過臨床檢查和影像資料分析制訂方案， 提前制備種植導板以引導種植體避開上頜竇、下牙槽神經管等重要解剖結構進入目標區域。 將AR 技術用于牙種植，可在種植區中直接顯現預先設計的種植牙或種植路徑的虛擬影像，手術醫師可以此為參照植入種植體，無需制作種植導板。 且實習醫師只要簡單培訓即可掌握。

正頜手術難度大， 需由經驗豐富的高級醫師執行。AR 導航技術的引入，可降低正頜手術難度與門檻、提高手術安全性。AR 技術可實現目標骨及截骨線的可視化，指導截骨操作[10]；也可直接顯示手術部位的重要神經血管[11]，減少因損傷知名動靜脈導致的大出血和術后血腫、術中意外撕脫或切斷周圍神經等并發癥。

此外，口腔頜面外科手術效果的臨床顯現具有滯后性，術后一段時間才能觀察到完整的治療效果。 即使手術效果不佳，經驗不足的實習醫師也很難回憶操作失誤在哪。 AR 技術顯示的術區內部結構可直接指導實習醫師進行正確的操作，減少操作失誤的風險。

在下牙槽神經阻滯麻醉過程中， 受個體差異的影響，部分患者的翼下頜皺襞和頰脂墊尖并不明顯，實習醫師操作容易出現針尖過早接觸骨面或無法接觸骨面，導致麻醉效果不佳或需要反復穿刺，從而增加患者的痛苦。 通過AR 技術，實習醫師可以通過顯示屏看到整個下頜骨特別是下頜孔的位置，不需要特別的指導也能進行精準的下牙槽神經阻滯麻醉[12]。

觀摩手術是頜面外科手術學習的重要方式，時常出現的視野遮擋對學生的學習效果有很大影響。在手術中使用AR 技術，協助醫師手術的同時，可幫助學生更直觀地學習手術操作。

2.3 MR 技術的臨床教學應用

MR 作為VR 與AR 的融合產物， 結合了兩者的優點， 可實現高質量的遠程手術： 手術者通過系統的AR模塊實現術區的可視化，同時通過系統的VR 模塊顯示遠程專家的虛擬影像，在遠程專家的手勢、語音等指導下，實施無法獨立完成的手術[13]。

通過類似的原理，遠程教學有望得以實現：手術醫師在AR 模塊的輔助下進行手術，學生在其他地方通過VR 模塊觀摩整場手術。遠程教學可突破空間的限制，將手術醫師與學生分隔開來，既能減輕學生觀摩對手術醫師操作的影響、減少人員過多帶來的感染風險，又能突破學生的人數限制，增加教學效率。

通過MR 系統，手術醫生不僅能夠實現術區的可視化，還能通過手勢和語音命令，調出手術計劃的全息圖和三維模型，并根據需要將顯示的三維信息與手術視野無縫整合[14]。 部分MR 設備還能通過凝視來操控，并配備有與深度相機同步運作的傳感器，后者可發射紅外光線，再根據其飛行時間進行深度測量[15]。 可用于精確探測深部異物或腫瘤、精確控制去骨。 這些功能不僅能輔助手術醫生更高效、安全、快速地完成手術，還能幫助學生更快地掌握手術操作，降低手術風險。

3 XR 技術的不足

雖然XR 技術在口腔頜面外科臨床教學有良好的應用場景，但仍處于探索階段，有許多不足之處需要改善：①受技術水平的限制，現階段XR 提供的虛擬感知與真實感覺有一定的差距，學生在真正臨床操作時仍需一段時間去適應感知的差異；②由于軟組織形變難以模擬，且軟組織具備的不穩定性將影響圖像的重疊從而降低XR 系統的精準度，市面上的各類XR 系統多是針對硬組織操作開發的； ③相關XR 訓練系統功能多且復雜，需要一定時間的學習才能熟練掌握；④大多數的設備需要手動設置標志物、手動配準，可能增加手術時間、增加人工誤差；⑤存在圖像遮擋，盡管可以調整透明度、明暗度、顏色，但虛擬影像仍會對手術者的視野產生不同程度的影響；⑥現階段實現XR 技術所需的軟硬件成本較高，大規模推廣有一定的困難。 見表1。

表1 擴展現實技術的臨床教學應用及優缺點

4 結語

XR 技術作為一類新興技術， 在現階段存在一系列不足導致其未能廣泛推廣，但它在口腔頜面外科臨床教學方面的作用是值得肯定的。 隨著XR 技術的不斷革新，國家對外科醫師臨床技能培訓的逐漸重視，口腔頜面外科教學工作者不懈的探索，XR 技術一定能與傳統臨床教學方式有機結合，為我國口腔頜面外科醫生的培養作出貢獻。