增强现实技术在口腔医学中的应用

张菊芳

陕西师范大学教育学院， 西安 710062

我国经济增长和人口老龄化使口腔健康的影响引起全社会高度关注，数据显示，从1983年开始，我国每10年左右就开展一次全国口腔健康流行病学调查，到2015年已经开展了4次[1]。然而，在老年人群中，“人老脱牙”被认为是正常的现象。但日本有学者提出：“80岁老人应该还可以有20颗牙”，并且2001年世界卫生组织正式提出“8020计划”，呼吁人们把80岁仍然有20颗牙齿作为人生目标[2]。但是现状不容乐观：一方面当今全球口腔疾病盛行，超过60%的学龄儿童和全世界近100%的成年人患有龋齿。其中，35～44岁的成年人口中，近20%患有严重的牙齿疾病，65～74岁的人口中，牙齿的总脱落率高达近30%；另一方面，口腔医疗费用昂贵。据调查，2016年全球口腔医疗设备市场价为23.99亿美元，比2015年高4%，到2020年市场预期将高达290.9亿美元。由此可见，口腔医学治疗的需求在持续增加[3]。

由于增强现实技术被广泛应用于医学领域，且口腔医学具有视野狭小，不易观察等医学特征。所以，将增强现实技术与口腔医学治疗相结合具有极高的研究价值和现实意义。文章从口腔医学的特点出发，研究口腔医学教育培训和手术治疗的应用现状，以期为口腔医学领域的相关人员提供教育教学和临床培训经验。

1 增强现实技术

增强现实(augmented reality，AR)技术是虚拟现实(VR)技术的延伸，是近年来发展起来的新型技术，它借助光电显示技术、交互技术、计算机图形技术和可视化技术等产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过注册技术将虚拟对象准确地放置在真实的环境中，使用户处于一种虚实混合的环境[4]。第一个被认可为AR系统的是由Sutherland于1968年使用头戴显示器(HMD)开发的[5]，迄今为止，AR已引起不同领域的极大关注，如用于工业、旅游、教育、文物复原、医学、市场营销、建筑等多个领域。20世纪60年代的星际迷航系列就预测了AR在医学领域的未来应用[6]，并且外科医师就是AR的早期使用者。

AR技术的具体应用原理就是实时地计算摄影机影像的位置及角度，结合相应的图像技术，将屏幕上虚拟的对象融入到现实世界中并进行互动，如图1所示[7]。

图1 增强现实技术的应用原理

2 增强现实技术应用于口腔医学的优势

在口腔医学中，AR正发挥着其独特的优势：一方面，AR解决了传统口腔教学演示过程复杂、工作量大、耗时较长等弊端，有效节省了教育资源，缓解了学生对解剖的心理障碍；另一方面，AR系统与术前规划、术中导航结合，可以有效地预测手术结果、降低潜在的医疗风险，既改善了传统口腔的治疗环境，又提高了口腔治疗的效率，同时AR投影图像可以清晰地显现患者病症，说服力极强。

2.1 AR技术有助于口腔医学教育培训

AR技术功能强大，对于口腔医学相关人员的技能提升发挥着重要作用。如利用AR技术的模拟实验可以让初学者在模拟患者或者3D牙齿模型上反复操练，通过真实的力反馈来切实感受在真实牙体或骨组织上的操作。此外，AR在现场解剖时也有特别的优势，通过使用增强的镜像图像来显现用户自己身体的内部结构，尤其当尸体资源缺乏时，AR技术的价值就会更加明显。例如：医学人员可通过AR全息眼镜来查看人体器官、肌肉组织、骨骼的结构。在口腔医学中，通过三维视图就会对口腔颌面部的解剖结构了然于胸。如：凯斯西储大学和克利夫兰诊所(case west- ern reserve university and cleveland clinic)联合打造的健康教育校园[8]，就是借助AR技术让学生通过微软的HoloLens图像来学习人体的器官和系统的。三维全息图像技术具有帮助学生掌握解剖学知识的巨大优势，在讲解口腔系统时，全息图可以先显示人的整个口腔，继而逐步进入口腔内部，轻松略去皮肤，留下口腔的器官，包括牙、舌等，它们会实时的根据身体的位置变化发生移动，需要时还可以借助文字带上各自的标签。

2.2 AR技术将改善口腔医学临床治疗效果

口腔医学手术的关键在于术前计划和术中精确导航，对此口腔医学人员可以借助AR系统的头戴式显示器(HMD)，实现更加精细地跟踪与注册，进而提高医者的自信、保障患者的安全。同时，考虑到在植入物安装过程中，患者处于局部麻醉状态，有时会出现患者头部不自主移动的情况，针对这种情况，HMD可以让医师自由移动，而且叠加的图像能够三维显示而没有滞后。同时，能够将牙齿的定位、规模和深度知觉进行高质量的校准，极大地避免手术误差[9]。

此外，传统的种植牙治疗一般需局部麻醉，利用手术刀治疗后需等待3～4个月，直至伤口愈合才能安装假牙，由于牙齿的排斥，也会导致闭塞功能障碍发生，但利用AR导航系统和先进的手术器械，就可以方便、精确地进行手术前计划调整和植入物的位置规划，再加上这种手术创伤小，手术时间也可极大地缩短。

3 AR技术在口腔医学教育中的应用

目前，在口腔医学领域，基于AR技术的教学和培训应用比较广泛。其中，醫百科技有限公司(EPED)设计的计算机化口腔医学模拟器(CDS-100)和穆格西蒙多(Moog Simodont)口腔医学训练师系统[3]最为出名。

其中，由醫百科技有限公司(EPED)设计的计算机化口腔医学模拟器(CDS-100)是一个应用了AR等新技术的口腔医学培训系统，该系统为口腔医学学生和需要自我提高的口腔医师提供了最佳的计算机培训技术，其优点有：

①提供AR光学定位系统和实时三维位置，能准确反馈口腔的角度和深度；

②丰富的软件课程，包括口腔手术以及牙髓病、牙冠病、牙桥和牙髓病，可为学生提供自学和简单的数字指导及模拟练习；

③课程可以个性化定制和设计，也可以针对特定项目进行升级；

④蕴含丰富的配件，包括牙齿模型、真实牙齿、不同品牌的钻头、人体模型椅子、无影灯和姿势评估系统等。

若在这个系统的基础上植入实时的成像系统(IR- IS)，学生就可以接受完整的口腔医学教育，还有丰富的口腔医学种植学和临床治疗相关的经验。随着目标结构化临床考试(OSCE)系统纳入口腔医学课程，教师可以通过计算机化的目标评估系统对学生进行评估，主要借助数字报告评估学生的学习状态，以逐步深化学生的学习目标。除此之外，学生还可以通过评估报告中的图表和描述轻松自学，探讨如何改善临床实践和提高实践的精确度。

而穆格西蒙多(Moog Simodont)口腔医学训练师系统可以帮助学生更快地取得进步，也帮助教师有效地教学并跟踪学生的进度、建构教学案例等，学生的学习由软件和教师共同追踪和评估。该系统与阿姆斯特丹牙医学术中心(ACTA)合作，将借助AR实现触觉方面的专业知识与口腔医学教育方面的经验相结合，帮助学生更高效地练习和学习。

此外，牙科学院的罗杰教授也通过AR技术来向学生展示3D模型，通过让学生将雕刻作品与参考模型进行比较，使学生能够轻松通过扫描自定义的标记随时随地地访问3D牙齿模型。同时，AR技术简化了罗杰教授和学生之间的沟通，进一步阐明了教科书中的图像和文字[10]。

国内孟祥军等[11]探讨了基于AR技术的医学课本APP的开发与设计，他们认为应用AR技术将极大地改进传统课本中二维医疗器械的诸多缺点，利用可视化、可交互的三维图片将使学生更清晰、透彻地理解课本内容，极大地增强学生的学习兴趣。

4 AR技术在口腔医学临床治疗中的应用

AR可以在口腔医学手术中实时追踪。随着增强现实技术变得更加成熟，越来越多的AR产品和设备在口腔医学领域中应运而生，增强现实设备不仅允许用户组合医疗信息和医疗数据，还将这些数据以可视化的形式呈现出来，它可以提供更清晰的信息，使口腔医学手术治疗提高安全性和降低风险[12]，如牙科植入手术和牙种植体的放置应用就证明了这一点。

4.1 牙科植入手术

牙科植入手术中已经有很多的AR系统辅助治疗，为了让外科医师能够将注意力集中在患者身上，Yam- aguchi等[13]开发了一种基于视网膜投影的系统，同样，Ploder等[14]将植入物的术前放射学数据、计划信息和术中导航联系起来，Wanschitz等使用头戴式显示器(HMD)增强了口腔种植体规划[15]等，传统的牙种植体必须局部麻醉，不但治疗时间较长，而且伴随有牙齿的排斥反应。但随着AR导航系统软件和先进的手术器械开发出来后，就可以通过手术前计划调整和规划植入物的精确位置来进行手术，患者可以个性化选择植入的效果，这种手术创伤小，极大地缩短了手术时间。

在今后的补牙手术中，用户和牙医会利用AR技术预先设计补牙后的效果，并且这个AR软件已经由瑞士苏黎世工业科技大学学生创办的公司“Kapanu”与迪士尼研究中心合作制作出来了[16]，通过以下几个步骤就可以实现个性化补牙：

①医师用扫瞄仪把患者的口腔扫瞄，变成3D影像，然后在电脑上像PS一样修整出理想牙齿的效果，最后利用AR软件在患者的口腔上模拟出治疗或矫正后的效果，如图2所示。

图2 医师对扫描的牙齿3D影像进行修整

②患者与医师沟通，从若干个治疗方案中选出最佳的矫正或治疗方式，如决定牙齿的大小与颜色等，结果如图3所示。

图3 医师与患者协商后的补牙效果

③最后按照制定好的补牙方案给患者补上理想的牙齿，这样不仅增加了医师与患者之间的信赖度，而且使手术更加顺畅，缩短了手术时间，减少了手术风险。

4.2 牙种植体的放置

AR技术已被证明可以改善各种口腔医学手术，使用AR系统可以实现种植体植入和手术导航[17]，用于种植体植入的AR手术导航系统采用视网膜成像显示器，而不是观察监护仪，因为在手术过程中远离小型的口腔手术部位是相当危险的[18]。

有时，无用的信息会妨碍外科医师的决定，所以在种植体植入过程中，AR系统可以充当自动信息过滤器，有选择地向外科医师显示最相关的信息，从而帮助他们将注意力集中在种植体上[19]。Linet等评估了基于AR牙种植体植入的准确性，并将其与计划的外植入体位置进行比较，他们发现将手术模板与AR系统结合可以减少位置偏差，这个结果意味着AR系统的精确度仍需要提高[20]。但由于其能够减少时间和额外成本，用于牙科植入手术的AR系统被认为能够降低成本效益[21]，有待于在未来口腔医学领域更好地开发和利用。

国内有关AR技术在口腔医学治疗中的应用实例较少，2010年朱明等[22]针对20例下颌骨肥大的患者，借助AR技术，借助上海九院整形设计系统，将术前规划的预截骨平面和下颌骨的虚拟3D数字模型同时显示在快速成型实体模型上，实现了虚拟图像与实体的重叠配准，为下颌角截骨术可视化手术提供了有效的途径，为未来AR应用研究奠定了基础。

5 总结与展望

用于教育或培训的口腔模拟器非常适合AR技术，特别是解剖、手术和修复性的口腔治疗，AR口腔模拟器因具有直接反馈和客观评估功能而将成为未来口腔医学发展的重要工具，AR技术的发展给各个领域的发展提供了良好的辅助作用，不仅在教育领域应用广泛，在临床治疗中也已取得了很好地应用。我们相信，未来有关AR的培训和课程将传播并应用于每个口腔医学部门，并使他们接受完整的教育和培训。在AR辅助的手术环境中，可视化的效果结合准确的医学图像和跟踪系统，瞄准、登记和计算整个手术信息及数据，将会极大地减少手术风险，创造更加安全的手术环境。通过借助HMD或AR的其他技术就可以帮助医师更好地执行手术。根据医师的经验和完整的硬件和软件，AR技术将会使患者和医师之间建立更加信赖的关系。

同时，AR在未来医学中的应用前景巨大，据高盛报告[23]统计得出：到2025年AR与VR软件规模预期比是1/3，AR技术仍需进一步改进，尤其是在显示技术、实时处理和物理环境的校准方面。随着AR技术的成熟，将逐渐走进企业市场，在医疗保健市场，预测到2020年将有80万医师和EMT使用VR/AR技术，软件营收为12亿美元，而到2025年医师将达到340万，软件营收将达到51亿美元。因此，VR和AR不仅有潜力创造出新的市场，还将颠覆当前的市场。但是国内有关AR技术在口腔医学中应用的研究和实践较为欠缺，在今后需要加大这方面的研究，以期在国际口腔医学领域占据一席之地。