虚拟现实技术结合动作捕捉系统在刷牙宣教教学中的应用

2023-05-29林育华詹婧彧李金军

口腔材料器械杂志 2023年2期

林育华詹婧彧黎瑞施敏李金军

（上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔预防科，上海交通大学口腔医学院，国家口腔医学中心，国家口腔疾病临床医学研究中心，上海市口腔医学重点实验室，上海市口腔医学研究所，上海 200011）

刷牙宣教是口腔保健宣教中重要的一部分[1]，每个口腔医学生和医生都需掌握刷牙宣教，且刷牙宣教是口腔执业医师操作考试的内容[2]。目前刷牙宣教的教学方式是在刷牙模型上示范和操作，很难记录每次操作的结果，无法重现每次操作，缺乏趣味性。随着虚拟现实技术和动作捕捉技术的发展，我校结合这些新科学技术的手段，研发了基于MR 和动作捕捉系统的刷牙虚拟仿真实验教学系统，并应用于日常教学中。

基于MR 和动作捕捉系统的刷牙虚拟仿真实验教学系统是利用虚拟仿真教学方式以及操作演示模块，让学员分解动作、获得效果反馈，加深对颤动、拂刷等动作要领的理解，达到掌握正确刷牙方法的教学目的。该系统硬件包含光学定位仪、牙模、牙刷、电脑和服务器，软件包含理论学习、视频演示、操作练习和考核。该系统可以记录刷牙的过程，可以重现之前的操作，方便纠正错误的动作。本研究将该系统应用于实际教学过程，探索该系统是否适合刷牙宣教教学，学生能否通过该系统进行自学，学生是否更感兴趣。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象和分组

选取上海交通大学医学院附属第九人民医院第一年刚入学的口腔规培生36 名，随机分为A、B 两组，A 组19 人，B 组17 人。

1.2 方法

A 组教师采用传统教学法，即ppt 讲课和模型进行示范教学，学生练习，教学前和教学后进行技能考核。B 组学生采用软件教学法，即采用基于MR 和动作捕捉系统的刷牙虚拟仿真实验教学系统进行学习，教学前和教学后进行实践技能考核。实践技能考核教师均持有国家执业医师实践技能考试考官证，采用相同标准对学员进行考核。两位教师均通过标准一致性检验（kappa＞0.8）。最后，通过问卷调查进行教学效果评价。该问卷为结构化问卷，包括学习目标、学习兴趣、技能掌握程度和教师讲课质量评价等方面。

基于MR 和动作捕捉系统的刷牙虚拟仿真实验教学系统的介绍：

本套系统硬件部分包含12 个摄像头，1 套电脑，1 个大屏幕，（我校采用的动作捕捉摄像头为 OptiTrack -Prime 13W），软件部分包含刷牙教学操作系统和动捕软件系统。刷牙教学操作系统包含：实验目的、实验介绍、学习模块和测试模块。其中学习模块包含：理论学习、视频播放和操作练习（包含网页版练习和动捕版练习）。测试模块分为网页版测试和动捕版测试，见图1～6。

图1 硬件部分

图2 软件界面

图3 网页版练习模块

图4 动捕版练习模式

图5 网页版测试界面

1.3 统计学分析

采用SPSS 22.0 进行数据处理，计量资料以均数±标准差表示，实践技能考核结果成绩组间比较采用独立样本t检验。问卷调查结果比较采用卡方检验。

2 结果

2.1 实践考核结果

两组学生实践考核结果见表1，A 组的教学前实践考核平均成绩为（70.8±18.63）分，B 组教学前实践考核平均成绩为(63.6±15.98）分，两者差异无统计学意义（P＞0.05）。A 组的教学后实践考核平均成绩为（92.7±5.36）分，提高了30.9%，B 组教学后实践考核平均成绩为(91.2±6.55）分，提高了43.4%，两组教学后成绩均比教学前显著提高（P＜0.05），但两者之间差异无统计学意义（P＞0.05）。以此可见，两种教学方法均能有效提高学生的实践考核水平，且两种方法之间效果相似，无明显区别。

表1 实践考核结果（分，±s)

2.2 问卷调查结果

在教学完成后，所有受试者均完成了问卷调查，结果见表2。结果显示，学习目标两组学员均认为教学目标清晰明确，差异无统计学意义（P＞0.05），学习兴趣度有统计学差异，软件教学法组更有兴趣（P＜0.05），自觉技能掌握程度差异无统计学意义（P＞0.05），讲课质量差异无统计学意义（P＞0.05）。

表2 两种不同教学方法的效果评价(人)

虚拟仿真软件教学可以大大激发学生的兴趣，加强他们的主观能动性。受试者认为两种教学方法均能让自己掌握相应技能，同时也对教学质量满意。

3 讨论

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[3]。

近年来虚拟现实技术在口腔教学领域逐渐得到应用，目前成熟的产品有日进的simodont、迪凯尔的艾知星、众绘的UniDental 等[4]。其中可以分为两大类：一类为力反馈设备结合3D 图像，代表的产品有simodont 和UniDental；另一类为通过导航仪实时捕捉标记点的影像，从而计算出标记点的精确坐标，做到实时跟踪器械与牙模，代表的产品有迪凯尔的艾知星[5]。而我校的基于MR 和动作捕捉系统的刷牙虚拟仿真实验教学系统属于第二类。动作捕捉系统多数应用于电影拍摄[6]，我校的这套系统属于国内首次在口腔教学领域的应用。

利用虚拟仿真技术在口腔实践教学领域可以使教学的形式更加生动，更加具有吸引力。在本次的教学研究中，学生明显对基于MR 和动作捕捉系统的刷牙虚拟仿真实验教学系统更感兴趣，更能激发学生的学习热情。而且利用此教学系统相比较于传统的教学方式可以更好展示操作者的操作过程，利于学生相互之间纠正动作。通过本次研究，可以发现使用基于MR 和动作捕捉系统的刷牙虚拟仿真实验教学系统对于学生的技能掌握效果与传统教学没有差异。学生通过软件系统自学可以达到教学目标。

利用虚拟仿真技术可以打破空间的限制，学习者可以在任意有网络的地方，通过网络学习。在疫情期间，以基于MR 和动作捕捉系统的刷牙虚拟仿真实验教学系统为基础，开展基于虚拟技术的线上刷牙宣教实践活动，用于普通人群的刷牙宣教，获得第36 届上海市青少年科技创新大赛三等奖。

当然基于MR 和动作捕捉系统的刷牙虚拟仿真实验教学系统也存在一些问题，比如在设备运行前，需要对设备进行校准，需要专业人员操作；动作捕捉系统对于光线要求高，需要没有反光的场地，同时操作者身上不能有反光的材质，这些都会影响动作捕捉系统的精度，从而影响动作捕捉系统的多场景应用。