三維面部掃描數字化測量系統在口腔頜面外科教學中的應用

盧煒敏　鄺海　李鴻藝

【摘要】本文分析口腔頜面外科學教學在二維化理論教學、傳統實驗教學、傳統臨床教學等方面的局限性，闡明三維數字化測量系統與口腔頜面外科教學的結合點，闡述在實驗課教學和臨床實習中運用三維數字化測量系統優化教學的策略。

【關鍵詞】三維光學掃描數字化測量系統 口腔頜面外科 教學

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）18-0154-04

醫學教學強調理論與實踐相結合，教學一般按照理論學習、實驗課教學、臨床實習三個階段梯度推進。口腔頜面外科學作為口腔醫學的重要組成部分，多結合臨床見習與實習開展理論教學活動，這要求醫學生具有較強的空間想象力并結合扎實的臨床實踐能力。而傳統的口腔頜面外科教學較少安排三維空間結構方面的教學內容，使學生難于充分理解并掌握相關知識點，容易使學生陷入被動接受知識的狀態，拉長口腔醫學人才培養過程，也會使學生之間分化增大。

目前，數字化教學被廣泛應用于口腔臨床前和臨床教育中，為滿足教學的需要，緩解現有矛盾，筆者所在教學團隊運用面部軟組織數據采集和測量分析的三維光學掃描技術，將三維面部掃描數字化測量系統引入理論課教學以及實驗課和臨床見習教學中，以期提升口腔頜面外科教學的效率，為該課程的教學改革做出有益的嘗試。

一、口腔頜面外科學教學的局限性

隨著科技的進步，傳統的口腔頜面外科教學方法正面臨著挑戰。其最主要的缺點是三維的頜面部解剖空間結構二維化，增加了理論、實驗、臨床教學的難度。其次是傳統的實驗教學、臨床教學耗費過多的時間、人力資源，事倍功半，造成醫學生實際應用及臨床思維能力不足，難以學以致用，缺乏穩定扎實的動手能力。此外，傳統教學強調教師的傳授和指導，但現代教育更注重培養學生的自主學習和跨學科合作能力。

（一）二維化理論教學的局限性

傳統口腔頜面外科學理論課方法多為講授式、教師主導型、單一化學習，教師大多借助二維化的教學方式如圖片、視頻等開展教學。而二維化教學存在諸多局限性，一是視覺信息有限。學習口腔頜面解剖結構、手術步驟等知識時，相比于三維視覺呈現，二維圖像無法提供完整的空間感知和立體的圖像，不利于學生對解剖結構和手術過程的全面理解。三維數字化測量系統可以通過掃描頜面部解剖結構，生成三維模型，使學生更好地理解和記憶復雜的解剖結構和手術技術。還可將掃描的模型、頭頸部CT數據進行融合，進行虛擬手術，提供手術過程中的三維視覺變化情況。二是缺乏立體感和真實感，學生只能從平面圖像中獲得信息。這可能導致學生對解剖結構的空間關系和手術操作的路徑理解不夠清晰，影響手術技術的學習和應用。三是缺乏交互性和實踐機會，在二維教學中，學生通常是被動地接受教師的講解和展示，導致降低學生的學習興趣和參與度，限制對手術技術和步驟的實際應用能力的培養。而使用三維教學，學生可以自主選擇觀察角度、放大縮小圖像、操作模型等，有助于增強學生的學習興趣和主動性。二維化的理論教學由于缺乏“主角視角”的臨床階段，不僅增加了學生學習外科知識的難度，而且加大了學生之間的分化，甚至學生進入臨床后需花更多的時間適應臨床工作。

（二）傳統實驗教學的局限性

口腔頜面外科學是一門實踐科學，離不開實驗教學。其在培養學生臨床思維能力、實際操作能力和提高學生綜合素質等方面具有重要的作用，它不僅是對理論課的復習，而且是讓學生獲得對理論課感性認識的重要途徑之一。在傳統的實驗課教學流程中，學生首先在教師的帶領下復習口腔頜面外科相關的理論知識，包括解剖學、臨床操作要點、手術技術等內容，再觀看教操作過程或預先錄制的圖像或視頻進行學習。接著學生會進行實驗準備工作，包括準備所需的實驗設備、材料和儀器等。然后學生按照實驗教學的要求，進行口腔頜面外科手術模擬或相關實驗。在學生操作過程中，教師監督指導學生，確保學生操作的準確性和安全性，同時提供必要的技術支持和反饋。在教師示教的時候，觀摩示教過程的視野有限，且受到觀看角度的影響，不能保證每位學生都能清晰、完整地看到示教過程。其次是學生的實驗準備工作耗費一定的課時，存在二維化理論教學的局限。同時，實驗操作的示教或是多媒體學習、實驗準備過程中占用的教學時間較多，縮短了學生的練習時間，大大降低了實驗操作學習的有效性，因此傳統的教學方法會給學生的理論知識學習帶來困難，同時造成學生操作技能的缺陷。

（三）傳統臨床教學的局限性

對于缺乏臨床經驗的實習醫生，傳統的口腔頜面外科臨床教學往往是從臨床觀摩開始，學生會跟隨教師到門診或手術室觀摩實際的臨床工作，觀察和學習教師在臨床環境下的診療過程、手術操作技術以及與患者交流的方法。在觀摩后，教師會與學生一起回顧觀摩的病例，并進行討論和講解。最后是臨床實踐，在教師的指導下，學生以助手角色，協助教師進行一些常見的手術或獨立完成一些簡單的操作。這種以教師為主導的臨床學習，易使學生臨床實習內容變為整理病歷、給患者換藥等重復簡單的操作，而不斷重復的工作易導致疲勞、緊張和反應遲鈍，不利于醫學生掌握臨床技能。手術方案的設計及操作往往由上級醫生完成，醫學生動手機會少，對手術過程往往感到抽象而難以理解、掌握。在短暫的實習時間和傳統的帶教模式下，學生很難接觸到大量病例，也無法對術后療效進行長時間追蹤隨訪。因此，如何在有限的學習期間掌握相關知識、培養臨床思維，是目前口腔頜面外科醫生教育的難點之一。

二、利用三維數字化測量系統優化口腔頜面外科教學

基于上述教學現狀，廣西醫科大學口腔醫學院軟件團隊聯合杭州某科技股份有限公司，針對臨床上較為先進的三維面部掃描技術，共同自主開發數字化測量系統，以促進臨床和教學技術的進步。

（一）三維數字化測量系統與口腔頜面外科教學的結合點

該測量系統設計的基本框架包括四個模塊：面部測量模塊、多期數據管理模塊、面形比對模塊及報告生成模塊。面部測量是該軟件的核心功能，課題組根據醫學規范結合臨床醫生的經驗，設定了AI自動化測量工具，特征點模板約定了測量系統中依賴的人臉特征點標準，測量模板由一系列基于特征點的尺寸信息組成，根據不同的臨床應用場景，可以定制不同的測量模板（如正畸相關測量、三庭五眼相關測量、額眼部測量、鼻部測量等）。對于每個面部掃描數據而言，第一類是通過AI方式或者手動標注的方式確定特征點并選定測量模板，之后所有相應的測量尺寸都會自動測量、計算并標注出來；第二類是自由測量工具，用戶可依據自己的實際需要測量。同一例患者不同時期的數據可在多期數據管理模塊中隨時調用，并在面型比對模塊中進行對比，所有測量結果在報告生成模塊中導出。在臨床和教學中，教學團隊已在唇腭裂、正頜外科等多個不同場景中進行了應用。

同時，掃描儀自帶的三維數字化系統可以作為傳統教學的補助工具，在理論課進行實時運用，建立虛擬三維數字化模型，可以完整、多角度、多方向地展示各個解剖部位或面部畸形的三維空間結構，使概念知識不再局限于照片的二維圖式，也可以克服文字閱讀的枯燥，消除學生的畏難情緒。

（二）在實驗課教學中運用三維數字化測量系統

在實驗課教學中運用三維數字化測量系統，我院主要有兩條路徑。一是將該系統作為實驗課教學內容中的三維影像診斷的手段。利用三維數字化測量系統，提供頜面部軟組織及骨骼結構的三維模型，向學生展示更詳細和準確的解剖信息。教師可以直接在三維模型進行描繪構建，展示參考點定位及相關參數的測量過程，指導學生診斷疾病和制訂治療計劃。示教完成后學生可自行在電腦上操作，這不僅有利學生更好掌握常用標志點，而且提高描跡和定點的精確度，有助于理解病情，提高疾病診斷能力。

二是將該系統作為實驗課程的病例分析庫，如可以建立不同類型的頜面部創傷典型案例庫、頜面部先天畸形典型案例庫。學生可以通過該系統回顧患者不同病因造成的面部缺損類型或先天畸形案例，觀察細微結構，利用測量工具分析患者的病情，或者利用AI重構技術，查看患者可能有的正常面容，有助于加強學生理解不同治療的效果及其意義。

（三）在臨床實習中運用三維數字化測量系統

臨床實習階段是口腔醫學生直接參與管理及治療病患的階段。但是由于臨床經驗嚴重缺乏，難以獨立完成診斷、制訂治療方案、手術效果評估等環節，而使用三維數字化測量系統，在多個亞學科領域內幫助他們更好地提高臨床工作能力，與患者進行有效的溝通，順利將專業理論知識與臨床工作接軌，為培養臨床型學生發揮不可替代的作用。

1.優化頜面部畸形診斷的教學

這是三維數字化測量系統最基本的應用。在臨床教學中，帶教老師通過面診或二維照片評估病患頜面部畸形。而缺乏臨床經驗的醫學生并不一定能直接對面部畸形的做出充分正確的診斷，甚至忽略一些隱蔽性的畸形，造成漏診，而且二維照片并不能夠提供定量的數據，不利于醫學生正確定位畸形并評估其嚴重程度。三維測量技術則通過計算機分析處理，獲得人眼所不能直接獲得的經過量化的物體參數，將患者的顱面部標志點的體積、面積、線性距離或角度的人體測量值和比例與種族、性別相同、特定年齡段的正常人群的參考值進行比較，對畸形進行診斷量化，并可評估是否存在畸形、畸形嚴重程度、畸形的區域、其他畸形不明顯但可能具有重要診斷價值的微小缺陷等。這有助于學生制定高效精準、私人定制化的診療方案。同時，由學生操作建立個性化檔案系統，進行縱向對比，即收集同一個患者面部軟組織的縱向生長數據，監測生長發育期的患者是處于異常或正常的生長模式，通過分析數據掌握患者的頜面畸形情況，提高數字化診療效率。

2.優化正頜外科方案設計的教學

在正頜外科方案設計中，醫學生通過運用數字化三維技術收集資料、數據分析、做出診斷，設計虛擬手術方案。利用計算機技術將牙頜面畸形患者的CBCT數據以DICOM標準格式導入，并與患者的牙列及面部軟組織三維掃描圖像融合，通過相關軟件在虛擬環境中進行三維頭影測量分析以及虛擬截骨和移動，在計算機上完成正頜手術的模擬。利用虛擬手術系統進行手術方案教學，教學內容變得直觀、生動，學生對手術設計方案接受度更高，從而縮短因教學需要而延長的手術時間，突破手術時受到視野影響而觀察不清楚的限制，提高計算機輔助外科模擬手術教學的可行性。同時在手術模擬訓練方面，虛擬手術不直接接觸患者，這也降低以病患作為手術練習對象所存在的風險，減少了醫患矛盾。特別是正頜外科方向的研究生，利用該系統進行數字化手術方案設計，預測正頜效果，并輔助上級醫生完成手術，“第一視角”參與感大大加強，提高臨床工作能力。

3.優化唇腭裂的序列治療的教學

唇腭裂嚴重影響面部外觀，治療周期長，需要該方向研究生對頜面部組織連貫性三維變化具備理解能力與審美意識。在臨床教學中，團隊在初期唇裂手術前即對睡眠中的嬰幼兒進行面部掃描獲取患者整體頜面部及鼻唇部的三維數據。隨著依次完成唇裂、腭裂、牙槽突裂及正頜手術，團隊也依次采集頜面部三維數據，并建立數據化教學庫。這有利于學生對唇腭裂患兒在生長過程中，由于手術方式、瘢痕、裂隙類型等造成的頜骨和軟組織的在多個方向可能出現的生長發育障礙有一個連續性的認識，加深學生對唇腭裂序列治療內容的理解與反思。教師還可借助數據形式傳授給學生軟組織變化的知識，提高學生對手術對軟組織影響的認識，形成一個量化的意識，為其日后手術設計的合理性和提高手術美觀效果提供幫助。這種連續動態的觀察分析對唇腭裂序列治療的數字化教學極其重要，也有助于醫學生設計和改良手術方案。

4.優化口腔頜面缺損數字化修復技術的教學

由于頜面部腫瘤切除或外傷等原因，造成的大范圍頜面部缺損，直接破壞患者的生理功能和面部外觀。數字化修復技術是目前較新的修復頜面部缺損的臨床技術，如數字化贗復體或數字化皮瓣。但是在教學部分因技術限制很難開展，在過去僅體現在理論課階段。對于外傷或面部表面的癌癥如唇癌、外生性頰癌通過掃描獲取軟組織表面成像后，醫學生可利用該系統進行數字化皮瓣或贗復體的設計。數字化教學模式可以真正做到沉浸式教學，極大提高學生積極性，避免了因傳統贗復技術入門門檻高給教學帶來的困難，提高了學生獨立自主設計手術計劃的能力，真正實現頜面部缺損的精確復位、精確修復，進一步提高頜面部缺損成功率和綜合療效。

綜上所述，使用三維數字化測量系統對促進口腔頜面外科的教學具有較大優勢，能使教學過程更加便捷化，課堂形式更加自主化，學習方式更加多元化，數據處理更加智能化。同時能提升教師數字化智慧教學勝任力，成長為數字化智慧型新教師。但仍存在部分局限性：一是目前初代版本的軟件的功能尚較為基礎，與國外軟件有一定差距；二是數字化教學在區內外多個醫學院校之間發展不平衡，外校考入的研究生適應該軟件需要一個過程。三維數字化測量系統在教學的應用使教學團隊在口腔領域的國產化軟件開發中積累了一定的經驗，也對后續的改進工作充滿信心。為緊跟我國“十四五”規劃提出的“加快數字化發展，建設數字中國”戰略的步伐，團隊將利用好數字化口腔帶來的新技術，在后續工作中根據反饋對該軟件進行調整升級，補充完善更具實用性的功能，并進一步推廣該軟件在全國口腔教學領域的應用。

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注：本文系廣西研究生教育創新計劃學位與研究生教育改革課題資助（JGY2019056）、中華口腔醫學會西部口腔醫學臨床科研基金項目（CSA-W2020-03）的研究成果之一。

作者簡介：盧煒敏（1995— ），廣西梧州人，研究生學歷，住院醫師，主要研究方向為唇腭裂序列治療；鄺海（1967— ），廣西百色人，博士研究生，主任醫師，主要研究方向為口腔頜面部畸形；李鴻藝（1985— ），通訊作者，廣西柳州人，博士，副主任醫師，主要研究方向為唇腭裂序列治療及面部畸形整形術。

（責編 羅異豐）