VR/AR技术在口腔教学中的应用探讨*

张耀超 张琳梅

1.VR/AR技术的现状

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是多种技术的紧密结合，其中包括模拟环境、感知以及传感设备等方面［1］；使用者可借助VR设备与场景中的虚拟物体进行相互作用，即可以感受和体验相应的真实环境［2］。它的特征可归纳为以下四点，即沉浸感（immersion）、交互性（interaction）、构想性（imagination）和智能化（intelligence）。常与VR同时使用的还有增强现实技术（Augmented Reality，AR）［3］。增强现实技术利用计算机视觉方法，把虚拟图像映射并附加到真实物体上并可以进行互动。AR技术提供了一种全新的、不同于人类生物学构造所允许的感知世界的方式［4］，其特点可以归纳为三点：虚实结合、实时交互、三维注册。与VR技术不同的是，AR技术不仅能够展示真实世界的内容，也能够促使虚拟的信息内容显示出来，通过将真实与虚拟世界内容的相互补充，从而实现对真实世界内容的“增强”。目前有研究显示，VR/AR相关技术已普遍应用于口腔治疗虚拟模拟器、腹腔镜微创手术模拟器等智能医教系统。上述系统可以显著降低手术技能实训课上对于实验动物和大体标本的依赖，在有效提高教学质量的同时也大幅度降低了教学成本［5－7］。此外，研究者们正在不断开发实施VR/AR技术在临床疾病诊断、治疗及术后康复中的应用［8］。

2.VR/AR技术在口腔教学中的应用

2.1 VR/AR技术在口腔颌面外科中的应用 从传统意义上来讲，口腔颌面外科的教学是以理论教学内容为主，实际操作训练较少。理论教学的形式简单，学生缺乏课堂学习的积极主动性，而实践课程则以模型训练为主，缺乏真实感，最终导致学生临床操作能力低。有研究显示学生在正式进入实习的第一年，不良医疗事件的发生率约13.7%，此概率提示传统教学模式对患者存在极大的风险［9］。将VR/AR技术应用于口腔颌面外科的教学中，不仅可提高课堂教学的趣味性，而且可提供临床操作的真实感，因此口腔医学生的学习效率也得到显著提高。随着信息化发展，VR/AR技术不仅可以弥补口腔颌面外科教学应用中的不足，还将为口腔教育事业的改革发展带来质的飞跃。

2.1.1 在麻醉方面的应用 口腔颌面部的血管和神经走形错综复杂，因此临床中麻醉不全或麻药入血的案例较为常见。下牙槽神经阻滞麻醉的失败率很高，约为20-25%，可能失败原因有:解剖学（神经通路和下颌孔变异)、病理学（感染和炎症)、药理学（酒精中毒和某些药物使用)、生理学（恐惧和焦虑）以及技术不足（注射进针不当和过早开始治疗)。Correa等研发出一种VR培训系统，在进行下牙槽神经阻滞麻醉时，可用于评估注射位置是否准确以及进针深度是否合理，并进一步提供真实的进针体验和操作反馈［10］。国外也有学者针对下牙槽神经阻滞麻醉研发了一种牙科麻醉训练模拟器，模拟器使用VR技术和触觉设备，在麻醉进针过程中提供力的反馈，从而得到真实进针的患者触觉程序，结果显示VR模拟器的使用可有效预防病人麻醉过程中的不适和并发症，大大提高操作的安全性。此外，该模拟器可提供逼真的训练系统，相比使用大体标本和实验动物具备很大的优势［11］。

2.1.2 在牙槽外科方面的应用 在口腔牙槽外科教学中，临床前模拟手术操作一直有所欠缺，而基于VR技术开发的牙槽外科虚拟手术模拟系统弥补了这个空白，学生得以拥有无风险的临床前操作机会，以及近乎真实的视觉触觉体验。有学者基于AR技术建立了口腔颌面外科导航系统，在手术过程中，由计算机断层扫描数据重建的虚拟图像被成功叠加在患者身上，并与真实骨骼完全重叠，可以实现整形手术过程中手术区域直接可视化，有效提升了手术效果。此外，跟踪标记能实时跟踪下颌骨的运动并建立3D图像，操作简单且精确度高［12］。

2.1.3 在手术训练教学方面的应用 由于口腔颌面外科培训缺乏大体标本资源、价格昂贵且效率较低，医学生学习可能受到限制。随着视觉渲染和反馈力程序的结合发展，使得手术模拟器逐渐取代传统训练，受到各大医学院校的欢迎［13］。还有学者基于VR设计了颌面外科手术训练系统，系统支持HMD、触觉反馈、半透半反膜等自然交互设备，大大增强了实训情景的真实感［14］。另外由于实验室教学有一定的局限性，实习生无法从各个方位角度观摩手术过程，而Pulijala等使用Oculus Rift和Leap Motion设备进行正颌外科训练，实习生可以观看手术中的360度视频，实现高效化的手术教学［15］。

精确的托槽定位粘贴对于理想的正畸效果是重要的前提条件。粘贴不当的托槽会对牙齿的唇颊舌向、近远中向倾斜度产生不良后果，并进一步导致上下颌咬合关系出现问题。在传统教学中，学生既要听老师讲解又要看示教，没有充裕的时间进行思考分析，从而无法保证良好的教学效果。将VR/AR技术引入到教学中以后，在虚拟正畸托槽粘贴的教学中，操作者可以在一个几乎完全虚拟的环境中切身体验原来一些需要动画才能感受的场景［17,18］，托槽粘接在不同位置时牙齿的动态移动过程会直观地呈现，不仅可以使学生对牙体的移动有更加深刻的了解，而且可大幅提高诊疗效果。

2.3 VR/AR技术在口腔修复学中的应用 口腔修复学与口颌系统的其中任一部分都密切相关，不论是进行局部义齿、全口义齿还是固定义齿的制作，都要充分考虑咬合、咀嚼肌与关节之间的协调关系。根据VR/AR技术，可以让医生和患者可以进一步预测未来的治疗效果，且对于一些潜在手术风险做出分析，并根据此基础制定修复治疗计划，以达到更加美观的效果。

在医学美学的修复中，还要充分考虑前牙和面部口唇的协调［19］。将VR/AR技术应用到前牙美学修复中，可以有效提高诊断蜡型的临床应用价值，加强医患之间的沟通效果。Kikuchi等［20］使用了一种VR虚拟训练系统，可用于金属烤瓷冠的牙体预备培训。根据患者自身情况制定最佳的治疗方案，使患者在修复后有良好的咬合关系及正常的肌肉功能和发音，为临床美学修复的实施提供保证。

2.4 VR/AR技术在口腔种植学中的应用 目前，大多数的口腔医学院均开设了口腔种植学课程，但多数医学院仍通过理论知识讲解、图片示例及临床实践等方法进行教学，并不能为医学生提供充足的口腔种植临床实操训练机会［1］。而种植牙对口腔医师临床技能要求较高，VR/AR技术实现虚物实化，可以让操作者有身临其境的感受，因此，近年来VR/AR技术在口腔种植教学中有了更加广泛的应用前景。

Kusumoto等人研发出一种VR口腔种植系统，口腔医师在进行虚拟操作时可以获得种植机备洞手感，并从各个方向把握种植体植入的位置和轴向角度。在操作者手持操纵杆时，钻针运动的轨迹图像可同步显示。由于加入了力学传感器模块，进行颌骨钻孔时，可以实时得到力觉反馈和三维图像显示，进而指导下一步操作。基于计算机辅助设计和种植导板技术，VR口腔种植系统还可以虚拟合成引导模板，在虚拟颌骨模型上安装种植导板并进行精准定位，进而引导完成种植体植入手术。

同时，口腔医师还可校准因CT影像造成的误差，并可微调术前种植路径及定位，从而选择更合适的种植路径并实时掌握口腔种植体的植入位置。在种植过程中，可以更好的观察植入区域周围结缔组织和血管的走行方向，患者反应等情况［21］，实现自主式、体验式、探究式学习，从而提高实训效果。除此之外，手术模拟的触觉体验利用触觉反馈和视觉沉浸技术，保证虚拟环境下视觉触觉融合的逼真度［9］。

2.5 VR/AR技术在口腔黏膜病学中的应用 传统的口腔黏膜病学理论学习以课堂讲授为主，学者们还提出问题导向教学（PBL）、病例导向教学（CBL）及研究导向教学模式（RBL）［22-24］，但教学效果往往不佳。临床实习阶段，口腔黏膜病学实践时间通常较其他学科短，学生很难将复杂难懂的理论知识与丰富多变的临床实际相结合，导致口腔医学生毕业后口腔黏膜病临床问题分析与处理能力普遍较低［25］。在口腔黏膜病学理论教学阶段，相关疾病的概念、病理机制、病理变化过程等是学习的重点与难点，而AR技术则可以将以上内容通过动画演示的形式呈现，大大简化学生理论认知过程。

口腔黏膜病学实验教学内容少，且形式单一，而临床相关操作练习缺乏真实感，难以达到训练目标。将VR/AR技术用于口腔黏膜病学的相关操作中可以提高学生临床操作的真实体验感。临床工作中多数口腔黏膜病的确诊都需要进行组织病理活检，有研究者提出借助VR技术演示并指导学生进行虚拟操作，从病损部位选择、消毒局麻、切取并缝合，学生均在虚拟场景下自主操作，教师在线点评，可进一步使学生的实践操作标准化，同时也提高了学生参与实践学习的积极性和主动性［26］。此外还可通过VR/AR技术模拟各种口腔黏膜病的病变特征，让学生体验临床用药，并通过VR/AR教学评估系统评判治疗是否得当。

3.VR/AR技术在我国口腔医学教育中的应用现状及未来展望

3.1 应用现状 国内有关VR/AR技术的硬件设备及软件开发仍然较慢，随着越来越多的医学院校引入第三方VR/AR工具系统，将VR/AR技术教学与传统教学进行融合，其在口腔医学教育中的应用探索已越来越广泛。目前已有多种VR模拟系统应用于口腔教学中，例如口腔种植学、口腔颌面外科学、口腔修复学、牙体牙髓病学和牙周病学等多门课程［27］。已有研究证明，DentSim数字化牙科实训系统［28］、穆格Simodont数字化虚拟仿真牙医培训系统［29］可以大大提高医学生必备的精准手眼协调能力，帮助学生掌握窝洞制备和牙体预备的基本方法，通过逼真的学习体验有效提升了教学质量。

3.2 未来展望VR/AR在未来医学中的应用前景广阔，但是目前VR/AR技术在教学中的应用仍然存在不足，普通授课教师普遍不具备专业的计算机建模能力，要依托专业的团队制作模型周期长、软硬件的开发创新所需成本较高。而随着信息技术的发展必然会推动VR/AR技术与人工智能、大数据和5G网络等高新科技元素结合的深度变革，近年来出现的ARCore、ARKit等手机扫描建模技术，有力的弥补了教师在建模方面的能力缺陷。在持续创新发展的医学教育过程中，依托VR/AR技术搭建的平台，其与医学各学科的深度融合，将为教育创新之路开辟出崭新的局面。