虚拟仿真技术在口腔医学教育领域的应用

周学东，张凌琳，叶 玲，项 涛，王 亚

（四川大学 华西口腔医学院实验教学中心，四川 成都 610041）

虚拟仿真，也称虚拟实境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。该系统利用计算机技术生成一个逼真的具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使操作者产生身临其境的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术［1］。该技术由美国VPL公司创建人拉尼尔（JaronLanier）在80年代初提出，最早源于美国军方的作战模拟系统［2］。90年代初在商业领域得到进一步发展。目前虚拟仿真技术的应用领域日益广泛，除在军事作战模拟，飞机、船舶、车辆现实虚拟驾驶训练，飞机、导弹、轮船虚拟制造，以及在城市规划、地理信息、室内设计、文物保护等现实虚拟仿真模拟外，其在医学生物领域的应用也被广泛关注。本文结合四川大学华西口腔医学院虚拟仿真技术在口腔医学人才培养方面的应用，对虚拟仿真技术在口腔医学教育领域的应用现状及展望作一介绍。

1 虚拟仿真技术在医学教育领域应用的必要性

医学虚拟仿真实验教学是依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象的新型教学方式。学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。教育部根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》，启动了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作［3］。

虚拟仿真技术在医学教育领域的应用是促进医学教育生动化的需要。三维虚拟仿真软件和虚拟课堂系统相结合，打破了时空局限性，为学生提供了真正的“开放性教学环境”［4］。传统医学教育难以直接展示人体结构、疾病发生及发展过程等内容，教学缺乏生动性，难以形象化，不利于学生更好地掌握医学知识。虚拟仿真三维软件技术建立的人体结构模型，使学生通过人机交互，在模型内部“漫游”，能够非常直观、轻松地学习人体解剖结构。不仅调动了学生的学习兴趣，而且将抽象的内容具体化、形象化，给学生留下深刻的记忆，也给教员提供了方便，大大提高了教学质量。

虚拟仿真技术在医学教育领域的应用是提高医学专业实践性的需要。医学是一门实践性很强的学科，实验和实习贯穿整个教学过程。实验教学环境的优劣对学好这门课程至关重要。学生只有通过足够的验证性实验和一定数量的综合实验才能获得必要的综合技能。为医学教学打造的各种三维虚拟互动软件和虚拟课堂系统的问世，使得教学模具具有重复性和可逆性，学生得以有效培训一些无创性的操作方法，这对提高医学教学质量起到了很大的促进作用。

虚拟仿真技术在医学教育领域的应用是医学教育顺应社会发展的需要。随着社会的发展，患者自我保护意识加强，医患关系矛盾日益凸显。这就要求学生在进入临床实践前必须尽可能地熟练掌握各种操作技巧，因此需要在临床前的技能训练中给学生提供更真实、更先进的模拟环境进行各种临床操作技巧的训练。应运而生的虚拟现实技术为教师、学生提供了一个无创性、无损毁性、无危险性的训练方式，通过学生在虚拟模型上的操作，完成对医学生基本技能的训练，为临床实习打下坚实的基础。

2 虚拟仿真技术在口腔医学教育领域应用的必然性

目前，国内外口腔医学高等院校进行临床前技能培训主要应用仿头模训练系统。但这种仿头模训练系统无法将患者在治疗过程中的疼痛、不适等感受反馈给操作者，使学生及时纠正不良操作，缺乏临床感；其次该系统使用的是塑料牙，质地远不及真牙，不能体会真牙的操作感；再者，该训练模式只能进行牙体硬组织疾病等部分常见口腔疾病的治疗和操作训练，难以模拟口腔软组织疾病等其他口腔常见疾病，也不能进行拔牙、牙周根尖周手术及牙槽外科手术等操作训练。综合来看，仿头模的模拟训练项目较局限，给操作者带来的体验真实感不强，临床感不高，具有一定的局限性，不能完全适应日益发展的教学要求。因此，运用虚拟仿真技术进行虚拟实验教学是口腔医学教育发展的必然趋势。

3 虚拟仿真技术在口腔医学教育领域的应用现状

将虚拟现实技术与口腔教学相结合，在口腔教学领域是一次革命性的突破，欧美国家已有近20所高校使用了该技术。目前该技术在我国口腔医学教育领域也有了初步的尝试和应用。国内一些知名院校已在各专业课程的教学过程中逐步借助虚拟仿真技术来实现特定的教学功能，改进或替代传统的教学方式，其教学效果获得了师生的认可与好评，实现了教学质量的提升［5］。目前虚拟仿真技术在口腔教学中的应用主要有以下几方面：

（1）在口腔解剖生理学教学中，应用虚拟仿真三维成像技术建立虚拟解剖实验室，其原理是以CT、MRI断层扫描、人体切片、实物标本扫描等数据为基础，应用虚拟现实技术实现在计算机上重建逼真的实物图像、器官组织内部的结构等各种虚拟解剖模型［6］，从而建立虚拟口腔解剖标本的数据库，并作为口腔解剖生理教学的虚拟解剖实验室对学生开放。学生可对该虚拟仿真解剖实验室的虚拟三维模型进行立体或剖面观察，还可通过网络终端对虚拟解剖实验室进行远程访问，实现自主学习。

（2）在口腔种植学、口腔修复学等学科的教学中，利用虚拟仿真技术实现口腔种植设计方案和口腔修复设计方案的虚拟三维图像模拟，并通过计算机软件对设计方案进行力学系统和生物学合理性的分析和评估，实现在口腔医学教学过程中对治疗方案和手术过程进行虚拟图像模拟和治疗效果评估的教学功能。

（3）在口腔疾病基本操作训练方面，虚拟仿真技术的应用能较传统模具训练的教学方式实现更强大、更逼真的功能。目前部分口腔医学院校已着手建设口腔医学临床前技能训练的虚拟仿真实验室，利用虚拟仿真三维成像技术和高仿真机器人实现临床诊疗过程的高仿真模拟和学生实际动手操作能力的训练，整个过程无风险性、可重复、实验成本低，并可根据教学需要进行病案制定和实验项目的灵活组合，具有高度仿真性和操作性强的特点。

4 虚拟仿真技术在华西口腔医学院教学中的应用

四川大学华西口腔医学院实验教学起源于1917年，开创了中国口腔医学实验教学的先河。华西口腔实验教学中心经过百年锤炼和不断革新，现已成为教学理念先进、教学特色鲜明、教学体系科学完善、师资队伍一流、教学成果显著的口腔医学人才培养实验教学的国际知名品牌，成为引领我国口腔实验教学发展的方向，已成为具有强大示范辐射作用的国内领先的国家级口腔医学基础实验教学示范中心（下称示范中心）。随着医学教育的发展需求，我院与时俱进，以示范中心为依托，根据高等教育信息化建设和开展虚拟仿真实验的指导思想，应用数字化技术和高仿真技术，在示范中心的平台上专门建设虚拟实验教学中心。现阶段我院虚拟仿真实验教学中心主要包含以下3个平台。

4.1 数字化3D虚拟口腔解剖实习平台

数字化3D虚拟口腔解剖实习平台是基于3D技术可视化人体工程构建的牙体解剖学及相关教学的应用软件而实现。该软件按照国人牙体形态结构和特征完成人的虚拟口腔构建和制作，利用AMBERCTC 3D引擎建立三维牙体图像，既可以进行三维旋转，以观察牙体不同面的外形，还可在不同平面进行切割，观察牙体的内部构造。该软件可通过网络版和光盘版实现相关课程的实验教学和学生自学、复习。其直观的视觉体验，不仅可以广泛应用于口腔解剖生理学及相关的实验教学，还能进一步扩展到其他口腔临床学科，如口腔内科学、口腔颌面外科学、口腔修复学和口腔正畸学的实验教学、病案讨论和治疗方案设计等多方面应用，解决在实验教学中真牙收集困难的实际问题，并能提供大范围的教学应用，保障人才培养规模不断扩大的需求。

4.2 穆格数字化虚拟口腔技能培训系统

数字化虚拟口腔技能培训系统由3D图形生成工业计算机、实时触感生成计算机、教学课程示范计算机，以及学生操控终端和相应应用软件组成。应用软件包括模拟临床病例、口腔常用器械和操作评估体系等系统。该系统的工作原理是：运用虚拟仿真技术和力反馈触觉系统建立了一套能模拟临床治疗真实场景的力学感受系统，能模拟出正常口腔组织、离体牙的3D图像，以及口腔常见疾病的软、硬组织3D图像，还可根据不同的治疗方案选择不同的虚拟工具，操作者在手持手柄时能感受到虚拟工具与虚拟3D牙体接触时的作用力与反作用力，获得和现实中手持工具操作时相同的力学感受，从而能达到模拟训练临床操作的效果［7］。此外，该机能模拟大部分口腔常见疾病的治疗过程，并且能模拟出仿头模难以实现的口腔软组织疾病，以及活体组织在治疗过程中的出血等实时反应。不仅模拟疾病种类多、效果逼真、操作手感真实，而且能解决目前牙体标本和疾病模型供应缺乏、实验替代材料与真实疾病组织相差较大、学生在操作中难以获得临床病例真实感受的难题，以及直接对临床患者进行实验操作风险系数大的问题，更好地满足目前的教学需求［8］。

利用该系统能开设出传统实验状态下难以开展的、具有临床高风险的实验项目，如牙体窝洞预备、开髓、根管治疗、根尖手术、拔牙术、口腔修复牙体预备、牙种植等多种难度较大的临床操作技能训练的实验教学项目［9］。学生在训练过程中能熟练掌握牙科手机力度控制和各种牙科器械的使用，并在牙科治疗的各个具体项目上都能得到良好的技能训练，为临床实习打下坚实的基础，解决在专业课实验教学中难以实现“身临其境”的难题。

4.3 口腔医学仿真机器人实习机

口腔医学机器人训练机是一种临床前技能训练和临床实习的高仿真模拟训练设备，不仅有对学生进行必备临床技能培训的功能，还能模拟临床患者疼痛、呕吐等实时反应，甚至能模拟因操作不当造成患者不愉快等真实反应：如从患者眼睛上面移动物品时，能模拟出患者的恐怖感；操作者不慎碰到胸和肩膀时模拟出患者的不快反应；在设备口腔内安装了表现呕吐的反射传感器，来训练对敏感患者的操作治疗。同时学生还可以通过对机器人的问诊、解释治疗过程等语言交流工作学习与患者进行交流，完成学生接待患者时的“态度、习惯、接待方法”等重要方面的培养。通过仿真人的动作、语言、表情多种反馈信息，学生可以改良自身操作手法和与患者交流的语言，能够达到在没有教师的指导下，可以通过影像回放来重新冷静地审视自己，实现自我改善、自我学习的目的。

5 结束语

虚拟仿真实验教学中心能实现传统实验不具备或难以完成的教学功能，在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，为医学人才培养提供可靠、安全和经济的实验项目。从华西口腔实验教学目前已开展的部分虚拟仿真实验项目的教学效果看，师生对该技术的接受程度高，该技术的应用能调动学生的学习积极性，深受学生欢迎。未来虚拟仿真技术的发展方向还会向实现更加逼真的现实环境、更好的人机交互体会、更高的现场感方面发展。随着人们对虚拟仿真技术的逐渐了解，以及它在各个行业的普遍应用给人们带来的极大方便，虚拟仿真技术势必会得到更快的发展。这种技术革新是不可逆转的趋势，它将随着时间的推移日臻完善，并且会运用得更加广泛。

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［1］徐庚保，曾莲芝.虚拟仿真［J］.计算机仿真，2012，29（5）：1－5.

［2］郑玉航，于海燕，杜雅秀.视景仿真技术在军事领域中的应用［J］.国防技术基础，2003（4）：12－14.

［3］黄卫庭，罗丽琼.虚拟仿真技术在高职教学中的应用研究［J］.南通航运职业技术学院学报，2011，10（4）：111－113.

［4］王文军，李冰，安川林.虚拟仿真技术在医学教学中的应用初探［J］.中国医学教育技术，2008，22（3）：230－232.

［5］曹礼，邓锋，宋锦璘，等.虚拟仿真教学平台提高医学实践操作学习效率的方法改革与应用探索［J］.教育教学论坛，2013（39）：43－44.

［6］张云龙，陶伟，尚波，等.虚拟解剖学实验室在高等医学院校的应用现状与分析［J］.解剖学研究，2011，33（4）：310－311.

［7］谭珂，潘新华，高原.医学虚拟仿真教学环境的构建［J］.中国医学教育技术，2012，26（5）：535－538.

［8］周前详.载人航天飞行中交互式虚拟场景的研究展望［J］.世界科技研究与发展，1999，21（3）：66－69.

［9］张冬芹，阿地力，莫明，等.虚拟现实技术在医学手术中的应用［J］.机械设计与制造，2011（11）：62－63.