三维面部扫描数字化测量系统在口腔颌面外科教学中的应用

卢炜敏　邝海　李鸿艺

【摘要】本文分析口腔颌面外科学教学在二维化理论教学、传统实验教学、传统临床教学等方面的局限性，阐明三维数字化测量系统与口腔颌面外科教学的结合点，阐述在实验课教学和临床实习中运用三维数字化测量系统优化教学的策略。

【关键词】三维光学扫描数字化测量系统 口腔颌面外科 教学

【中图分类号】G64 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）18-0154-04

医学教学强调理论与实践相结合，教学一般按照理论学习、实验课教学、临床实习三个阶段梯度推进。口腔颌面外科学作为口腔医学的重要组成部分，多结合临床见习与实习开展理论教学活动，这要求医学生具有较强的空间想象力并结合扎实的临床实践能力。而传统的口腔颌面外科教学较少安排三维空间结构方面的教学内容，使学生难于充分理解并掌握相关知识点，容易使学生陷入被动接受知识的状态，拉长口腔医学人才培养过程，也会使学生之间分化增大。

目前，数字化教学被广泛应用于口腔临床前和临床教育中，为满足教学的需要，缓解现有矛盾，笔者所在教学团队运用面部软组织数据采集和测量分析的三维光学扫描技术，将三维面部扫描数字化测量系统引入理论课教学以及实验课和临床见习教学中，以期提升口腔颌面外科教学的效率，为该课程的教学改革做出有益的尝试。

一、口腔颌面外科学教学的局限性

随着科技的进步，传统的口腔颌面外科教学方法正面临着挑战。其最主要的缺点是三维的颌面部解剖空间结构二维化，增加了理论、实验、临床教学的难度。其次是传统的实验教学、临床教学耗费过多的时间、人力资源，事倍功半，造成医学生实际应用及临床思维能力不足，难以学以致用，缺乏稳定扎实的动手能力。此外，传统教学强调教师的传授和指导，但现代教育更注重培养学生的自主学习和跨学科合作能力。

（一）二维化理论教学的局限性

传统口腔颌面外科学理论课方法多为讲授式、教师主导型、单一化学习，教师大多借助二维化的教学方式如图片、视频等开展教学。而二维化教学存在诸多局限性，一是视觉信息有限。学习口腔颌面解剖结构、手术步骤等知识时，相比于三维视觉呈现，二维图像无法提供完整的空间感知和立体的图像，不利于学生对解剖结构和手术过程的全面理解。三维数字化测量系统可以通过扫描颌面部解剖结构，生成三维模型，使学生更好地理解和记忆复杂的解剖结构和手术技术。还可将扫描的模型、头颈部CT数据进行融合，进行虚拟手术，提供手术过程中的三维视觉变化情况。二是缺乏立体感和真实感，学生只能从平面图像中获得信息。这可能导致学生对解剖结构的空间关系和手术操作的路径理解不够清晰，影响手术技术的学习和应用。三是缺乏交互性和实践机会，在二维教学中，学生通常是被动地接受教師的讲解和展示，导致降低学生的学习兴趣和参与度，限制对手术技术和步骤的实际应用能力的培养。而使用三维教学，学生可以自主选择观察角度、放大缩小图像、操作模型等，有助于增强学生的学习兴趣和主动性。二维化的理论教学由于缺乏“主角视角”的临床阶段，不仅增加了学生学习外科知识的难度，而且加大了学生之间的分化，甚至学生进入临床后需花更多的时间适应临床工作。

（二）传统实验教学的局限性

口腔颌面外科学是一门实践科学，离不开实验教学。其在培养学生临床思维能力、实际操作能力和提高学生综合素质等方面具有重要的作用，它不仅是对理论课的复习，而且是让学生获得对理论课感性认识的重要途径之一。在传统的实验课教学流程中，学生首先在教师的带领下复习口腔颌面外科相关的理论知识，包括解剖学、临床操作要点、手术技术等内容，再观看教操作过程或预先录制的图像或视频进行学习。接着学生会进行实验准备工作，包括准备所需的实验设备、材料和仪器等。然后学生按照实验教学的要求，进行口腔颌面外科手术模拟或相关实验。在学生操作过程中，教师监督指导学生，确保学生操作的准确性和安全性，同时提供必要的技术支持和反馈。在教师示教的时候，观摩示教过程的视野有限，且受到观看角度的影响，不能保证每位学生都能清晰、完整地看到示教过程。其次是学生的实验准备工作耗费一定的课时，存在二维化理论教学的局限。同时，实验操作的示教或是多媒体学习、实验准备过程中占用的教学时间较多，缩短了学生的练习时间，大大降低了实验操作学习的有效性，因此传统的教学方法会给学生的理论知识学习带来困难，同时造成学生操作技能的缺陷。

（三）传统临床教学的局限性

对于缺乏临床经验的实习医生，传统的口腔颌面外科临床教学往往是从临床观摩开始，学生会跟随教师到门诊或手术室观摩实际的临床工作，观察和学习教师在临床环境下的诊疗过程、手术操作技术以及与患者交流的方法。在观摩后，教师会与学生一起回顾观摩的病例，并进行讨论和讲解。最后是临床实践，在教师的指导下，学生以助手角色，协助教师进行一些常见的手术或独立完成一些简单的操作。这种以教师为主导的临床学习，易使学生临床实习内容变为整理病历、给患者换药等重复简单的操作，而不断重复的工作易导致疲劳、紧张和反应迟钝，不利于医学生掌握临床技能。手术方案的设计及操作往往由上级医生完成，医学生动手机会少，对手术过程往往感到抽象而难以理解、掌握。在短暂的实习时间和传统的带教模式下，学生很难接触到大量病例，也无法对术后疗效进行长时间追踪随访。因此，如何在有限的学习期间掌握相关知识、培养临床思维，是目前口腔颌面外科医生教育的难点之一。

二、利用三维数字化测量系统优化口腔颌面外科教学

基于上述教学现状，广西医科大学口腔医学院软件团队联合杭州某科技股份有限公司，针对临床上较为先进的三维面部扫描技术，共同自主开发数字化测量系统，以促进临床和教学技术的进步。

（一）三维数字化测量系统与口腔颌面外科教学的结合点

该测量系统设计的基本框架包括四个模块：面部测量模块、多期数据管理模块、面形比对模块及报告生成模块。面部测量是该软件的核心功能，课题组根据医学规范结合临床医生的经验，设定了AI自动化测量工具，特征点模板约定了测量系统中依赖的人脸特征点标准，测量模板由一系列基于特征点的尺寸信息组成，根据不同的临床应用场景，可以定制不同的测量模板（如正畸相关测量、三庭五眼相关测量、额眼部测量、鼻部测量等）。对于每个面部扫描数据而言，第一类是通过AI方式或者手动标注的方式确定特征点并选定测量模板，之后所有相应的测量尺寸都会自动测量、计算并标注出来；第二类是自由测量工具，用户可依据自己的实际需要测量。同一例患者不同时期的数据可在多期数据管理模块中随时调用，并在面型比对模块中进行对比，所有测量结果在报告生成模块中导出。在临床和教学中，教学团队已在唇腭裂、正颌外科等多个不同场景中进行了应用。

同时，扫描仪自带的三维数字化系统可以作为传统教学的补助工具，在理论课进行实时运用，建立虚拟三维数字化模型，可以完整、多角度、多方向地展示各个解剖部位或面部畸形的三维空间结构，使概念知识不再局限于照片的二维图式，也可以克服文字阅读的枯燥，消除学生的畏难情绪。

（二）在实验课教学中运用三维数字化测量系统

在实验课教学中运用三维数字化测量系统，我院主要有两条路径。一是将该系统作为实验课教学内容中的三维影像诊断的手段。利用三维数字化测量系统，提供颌面部软组织及骨骼结构的三维模型，向学生展示更详细和准确的解剖信息。教师可以直接在三维模型进行描绘构建，展示参考点定位及相关参数的测量过程，指导学生诊断疾病和制订治疗计划。示教完成后学生可自行在电脑上操作，这不仅有利学生更好掌握常用标志点，而且提高描迹和定点的精确度，有助于理解病情，提高疾病诊断能力。

二是将该系统作为实验课程的病例分析库，如可以建立不同类型的颌面部创伤典型案例库、颌面部先天畸形典型案例库。学生可以通过该系统回顾患者不同病因造成的面部缺损类型或先天畸形案例，观察细微结构，利用测量工具分析患者的病情，或者利用AI重构技术，查看患者可能有的正常面容，有助于加强学生理解不同治疗的效果及其意义。

（三）在临床实习中运用三维数字化测量系统

临床实习阶段是口腔医学生直接参与管理及治疗病患的阶段。但是由于临床经验严重缺乏，难以独立完成诊断、制订治疗方案、手术效果评估等环节，而使用三维数字化测量系统，在多个亚学科领域内帮助他们更好地提高临床工作能力，与患者进行有效的沟通，顺利将专业理论知识与临床工作接轨，为培养临床型学生发挥不可替代的作用。

1.优化颌面部畸形诊断的教学

这是三维数字化测量系统最基本的应用。在临床教学中，带教老师通过面诊或二维照片评估病患颌面部畸形。而缺乏临床经验的医学生并不一定能直接对面部畸形的做出充分正确的诊断，甚至忽略一些隐蔽性的畸形，造成漏诊，而且二维照片并不能够提供定量的数据，不利于医学生正确定位畸形并评估其严重程度。三维测量技术则通过计算机分析处理，获得人眼所不能直接获得的经过量化的物体参数，将患者的颅面部标志点的体积、面积、线性距离或角度的人体测量值和比例与种族、性别相同、特定年龄段的正常人群的参考值进行比较，对畸形进行诊断量化，并可评估是否存在畸形、畸形严重程度、畸形的区域、其他畸形不明显但可能具有重要诊断价值的微小缺陷等。这有助于学生制定高效精准、私人定制化的诊疗方案。同时，由学生操作建立个性化档案系统，进行纵向对比，即收集同一个患者面部软组织的纵向生长数据，监测生长发育期的患者是处于异常或正常的生长模式，通过分析数据掌握患者的颌面畸形情况，提高数字化诊疗效率。

2.优化正颌外科方案设计的教学

在正颌外科方案设计中，医学生通过运用数字化三维技术收集资料、数据分析、做出诊断，设计虚拟手术方案。利用计算机技术将牙颌面畸形患者的CBCT数据以DICOM标准格式导入，并与患者的牙列及面部软组织三维扫描图像融合，通过相关软件在虚拟环境中进行三维头影测量分析以及虚拟截骨和移动，在计算机上完成正颌手术的模拟。利用虚拟手术系统进行手术方案教学，教学内容变得直观、生动，学生对手术设计方案接受度更高，从而缩短因教学需要而延长的手术时间，突破手术时受到视野影响而观察不清楚的限制，提高计算机辅助外科模拟手术教学的可行性。同时在手术模拟训练方面，虚拟手术不直接接触患者，这也降低以病患作为手术练习对象所存在的风险，减少了医患矛盾。特别是正颌外科方向的研究生，利用该系统进行数字化手术方案设计，预测正颌效果，并辅助上级医生完成手术，“第一视角”参与感大大加强，提高临床工作能力。

3.优化唇腭裂的序列治疗的教学

唇腭裂严重影响面部外观，治疗周期长，需要该方向研究生对颌面部组织连贯性三维变化具备理解能力与审美意识。在临床教学中，团队在初期唇裂手术前即对睡眠中的婴幼儿进行面部扫描获取患者整体颌面部及鼻唇部的三维数据。随着依次完成唇裂、腭裂、牙槽突裂及正颌手术，团队也依次采集颌面部三维数据，并建立数据化教学库。这有利于学生对唇腭裂患儿在生长过程中，由于手术方式、瘢痕、裂隙类型等造成的颌骨和软组织的在多个方向可能出现的生长发育障碍有一个连续性的认识，加深学生对唇腭裂序列治疗内容的理解与反思。教师还可借助数据形式传授给学生软组织变化的知识，提高学生对手术对软组织影响的认识，形成一个量化的意识，为其日后手术设计的合理性和提高手术美观效果提供帮助。这种连续动态的观察分析对唇腭裂序列治疗的数字化教学极其重要，也有助于医学生设计和改良手术方案。

4.优化口腔颌面缺损数字化修复技术的教学

由于颌面部肿瘤切除或外伤等原因，造成的大范围颌面部缺损，直接破坏患者的生理功能和面部外觀。数字化修复技术是目前较新的修复颌面部缺损的临床技术，如数字化赝复体或数字化皮瓣。但是在教学部分因技术限制很难开展，在过去仅体现在理论课阶段。对于外伤或面部表面的癌症如唇癌、外生性颊癌通过扫描获取软组织表面成像后，医学生可利用该系统进行数字化皮瓣或赝复体的设计。数字化教学模式可以真正做到沉浸式教学，极大提高学生积极性，避免了因传统赝复技术入门门槛高给教学带来的困难，提高了学生独立自主设计手术计划的能力，真正实现颌面部缺损的精确复位、精确修复，进一步提高颌面部缺损成功率和综合疗效。

综上所述，使用三维数字化测量系统对促进口腔颌面外科的教学具有较大优势，能使教学过程更加便捷化，课堂形式更加自主化，学习方式更加多元化，数据处理更加智能化。同时能提升教师数字化智慧教学胜任力，成长为数字化智慧型新教师。但仍存在部分局限性：一是目前初代版本的软件的功能尚较为基础，与国外软件有一定差距；二是数字化教学在区内外多个医学院校之间发展不平衡，外校考入的研究生适应该软件需要一个过程。三维数字化测量系统在教学的应用使教学团队在口腔领域的国产化软件开发中积累了一定的经验，也对后续的改进工作充满信心。为紧跟我国“十四五”规划提出的“加快数字化发展，建设数字中国”战略的步伐，团队将利用好数字化口腔带来的新技术，在后续工作中根据反馈对该软件进行调整升级，补充完善更具实用性的功能，并进一步推广该软件在全国口腔教学领域的应用。

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注：本文系广西研究生教育创新计划学位与研究生教育改革课题资助（JGY2019056）、中华口腔医学会西部口腔医学临床科研基金项目（CSA-W2020-03）的研究成果之一。

作者简介：卢炜敏（1995— ），广西梧州人，研究生学历，住院医师，主要研究方向为唇腭裂序列治疗；邝海（1967— ），广西百色人，博士研究生，主任医师，主要研究方向为口腔颌面部畸形；李鸿艺（1985— ），通讯作者，广西柳州人，博士，副主任医师，主要研究方向为唇腭裂序列治疗及面部畸形整形术。

（责编 罗异丰）