虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育的應(yīng)用

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[摘要]虛擬仿真技術(shù)正在成為現(xiàn)代教育的重要組成部分。虛擬仿真因其直觀、可操作、不受時(shí)空限制、安全性等優(yōu)勢,被視為口腔醫(yī)學(xué)教育的一種先進(jìn)輔助手段。該技術(shù)可在臨床前教育中提高口腔醫(yī)學(xué)生的精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能、手眼協(xié)調(diào)能力,使他們能夠在安全的環(huán)境中完善理論知識(shí)與技能操作。目前已有大量研究探索了虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用,進(jìn)行了有效性分析。本文主要綜述虛擬仿真技術(shù)目前在口腔醫(yī)學(xué)各個(gè)學(xué)科教育中應(yīng)用的研究進(jìn)展,分析目前研究存在的不足,給口腔醫(yī)學(xué)教育改革提供有益參考。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真;口腔醫(yī)學(xué);教育

虛擬仿真(virtualreality,VR),也稱虛擬現(xiàn)實(shí),是指利用計(jì)算機(jī)將虛擬組件融入現(xiàn)實(shí)生活,或通過創(chuàng)建令使用者沉浸其中的虛擬場景,進(jìn)而提供視、聽、觸等感官刺激,并以此實(shí)現(xiàn)仿真的人機(jī)交互[1]。在教育領(lǐng)域,虛擬仿真技術(shù)的影響力日益擴(kuò)大,在醫(yī)療培訓(xùn)、航空飛行模擬培訓(xùn)、駕駛模擬培訓(xùn)以及醫(yī)療緊急情況培訓(xùn)等領(lǐng)域卓有成效[2]。在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域,虛擬仿真技術(shù)越來越多用于臨床前培訓(xùn)、技能評(píng)估與手術(shù)輔助。但目前,國內(nèi)口腔醫(yī)學(xué)教育仍以傳統(tǒng)模型與頭模系統(tǒng)為主,這種傳統(tǒng)模式對(duì)于學(xué)生理論知識(shí)與技能操作掌握的幫助有很多不足。虛擬仿真技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)教學(xué)模式的各種局限,提供模擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn),目前,越來越多的教育工作者開始探索將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)教育,國內(nèi)高校開始建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,以便更好地提升教學(xué)質(zhì)量與效率[3]。

1虛擬仿真應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)教育的優(yōu)勢

目前國內(nèi)外高校在口腔教育領(lǐng)域廣泛使用頭模系統(tǒng),這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法因其抽象性和時(shí)空局限性,不利于學(xué)生理解理論知識(shí)、培養(yǎng)臨床實(shí)踐技能和臨床思維。虛擬仿真技術(shù)因其技術(shù)特性,一定程度上克服了這些不足。首先,虛擬仿真系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的虛擬實(shí)境,可以再現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)模式中難以向?qū)W生展現(xiàn)的復(fù)雜抽象解剖結(jié)構(gòu)與疾病發(fā)展過程。其次,虛擬仿真技術(shù)可操作性較強(qiáng),一個(gè)完整的虛擬仿真系統(tǒng)除具備模型、手機(jī)和馬達(dá)等硬件設(shè)施,還在軟件層面實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)中各種儀器的統(tǒng)籌協(xié)作,能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)跟蹤反饋。目前,虛擬仿真可以提供多種操作課程供學(xué)生學(xué)習(xí),包括齲損去除、牙體預(yù)備、阻滯麻醉等[1,4,5]。第三,虛擬仿真系統(tǒng)避免了學(xué)生操作技能不熟練時(shí)臨床實(shí)習(xí)的不安全性。Ziv等[6]證明在傳統(tǒng)口腔醫(yī)學(xué)教育項(xiàng)目中適當(dāng)使用虛擬仿真可以更好地提升學(xué)生的臨床操作技能,同時(shí)避免傷害患者,減少了臨床實(shí)習(xí)不必要的醫(yī)患矛盾,有利于學(xué)生自信心的建立[7]。第四,虛擬仿真技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)教學(xué)模式對(duì)于教師的依賴性,打破了時(shí)空局限,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、自主性有著重要意義。Iwanaga等[8]分享在三維虛擬空間中遠(yuǎn)程在線講授外科手術(shù)及相關(guān)解剖學(xué)的經(jīng)驗(yàn),并將其與傳統(tǒng)的教學(xué)方法(即面對(duì)面課堂和在線課堂)進(jìn)行比較,在新冠疫情可能長期存在的背景下,為遠(yuǎn)程教學(xué)提供了創(chuàng)新性的解決方案。

2虛擬仿真在口腔醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

得益于虛擬仿真技術(shù)在口腔教育領(lǐng)域的種種優(yōu)勢,國內(nèi)外已有許多團(tuán)隊(duì)開展了將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)教育的項(xiàng)目[9,10],獲得了認(rèn)可與好評(píng),客觀上也證明了該方向的廣闊前景。目前口腔醫(yī)學(xué)各個(gè)科目教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)都有了一定的應(yīng)用,現(xiàn)分述之。

2.1口腔解剖生理學(xué)

對(duì)于牙齒解剖形態(tài)與口腔頜面部軟硬組織解剖的理解是口腔醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)。目前,口腔解剖生理課程主要采用二維圖像材料進(jìn)行教學(xué)。天然牙體積小,解剖結(jié)構(gòu)精細(xì),僅用二維圖像很難對(duì)不同軸面的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)識(shí),虛擬仿真技術(shù)可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境,呈現(xiàn)牙齒形態(tài)或解剖結(jié)構(gòu)的三維空間圖像,借助軟件“放大與縮小”、“旋轉(zhuǎn)與移動(dòng)”等功能,方便對(duì)于牙齒細(xì)微的解剖標(biāo)志進(jìn)行查看[11]。三維空間的教學(xué)效果已被證實(shí)優(yōu)于二維平面的教學(xué)[12]。Reymus等[13]研究了虛擬仿真技術(shù)在牙齒根管形態(tài)教學(xué)中的應(yīng)用,其團(tuán)隊(duì)比較了3D打印模型與根尖周X線片、根管系統(tǒng)CBCT重建影像、虛擬仿真學(xué)習(xí)根管系統(tǒng)的教學(xué)效果。結(jié)果顯示,學(xué)生們通過CBCT重建影像與虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)的效果要優(yōu)于通過3D打印模型和二維X線片學(xué)習(xí)的效果,虛擬現(xiàn)實(shí)場景下對(duì)牙齒解剖學(xué)特征的識(shí)別和根管結(jié)構(gòu)的理解更深刻,此研究展示了虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于口腔解剖學(xué)教學(xué)的積極效果。

2.2牙體牙髓病學(xué)

牙體牙髓病學(xué)是一門實(shí)踐內(nèi)容較多的專業(yè),涉及備洞、開髓、根管預(yù)備等操作。口腔醫(yī)學(xué)生只有掌握各種操作技巧,才能有效安全地對(duì)患者進(jìn)行椅旁治療。目前在牙體牙髓病學(xué)教學(xué)中,塑料牙的使用非常廣泛,但其解剖結(jié)構(gòu)的單一限制了學(xué)生對(duì)于復(fù)雜根管系統(tǒng)的認(rèn)知,這種認(rèn)知對(duì)于根管治療的訓(xùn)練至關(guān)重要[14,15]。另外,離體牙由于衛(wèi)生與倫理問題,其使用也受到限制。虛擬仿真技術(shù)可以利用牙齒的CT掃描數(shù)據(jù)生成虛擬牙齒模型,作為虛擬的訓(xùn)練牙提供了多樣化的根管解剖結(jié)構(gòu),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)塑料牙根管大小、形狀、位置單一的不足。根管治療中,確定根管預(yù)備質(zhì)量至關(guān)重要,傳統(tǒng)教學(xué)過程中通過主觀性強(qiáng)的目測進(jìn)行根管預(yù)備的評(píng)估,Yin等[14]首次嘗試開發(fā)了一種基于虛擬仿真技術(shù)的自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng),該系統(tǒng)通過與5名牙髓專家的評(píng)分進(jìn)行比較,結(jié)果顯示系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果與專家評(píng)估結(jié)果高度一致,這提示基于虛擬仿真技術(shù)的技能評(píng)估在牙體牙髓病學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用充滿前景。

2.3口腔修復(fù)學(xué)

牙體預(yù)備是口腔修復(fù)學(xué)重要的操作內(nèi)容,關(guān)于牙齒硬度的觸覺反饋在臨床醫(yī)生實(shí)際操作過程中至關(guān)重要,但目前廣泛用于口腔修復(fù)學(xué)臨床前培訓(xùn)的塑料牙在硬度上無法與真實(shí)牙齒相比擬。Dixon等[16]證明通過牙科模擬器來模擬牙體預(yù)備過程中的觸覺反饋是有效的。已有眾多研究將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于口腔修復(fù)學(xué)的牙體預(yù)備教學(xué)過程中[2,17],通過各類型虛擬仿真牙醫(yī)培訓(xùn)系統(tǒng)模擬對(duì)虛擬患者進(jìn)行診斷和診療規(guī)劃,以及模擬牙體預(yù)備過程中口鏡反射、車針更換、高速手機(jī)的控制、醫(yī)師與患者的體位調(diào)節(jié)。得益于虛擬仿真技術(shù)提供的高分辨率的視像、逼真的觸覺和音效體驗(yàn),學(xué)生能夠在虛擬實(shí)境中進(jìn)行學(xué)習(xí),改善其學(xué)習(xí)體驗(yàn),激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。抽象概念如何形象理解是口腔修復(fù)教學(xué)過程的另一個(gè)難題,得益于數(shù)字化技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用,通過數(shù)字化印模技術(shù)及模型掃描技術(shù),臨床上的任何信息均可轉(zhuǎn)移到虛擬仿真系統(tǒng)當(dāng)中,各種修復(fù)體的制作流程可以得到具體形象的記錄,這些具有專業(yè)水準(zhǔn)的素材來源可以作為臨床前教學(xué)的資料庫[18]。

2.4口腔種植學(xué)

隨著口腔種植技術(shù)的發(fā)展與臨床口腔種植需求的增加,越來越多的醫(yī)學(xué)院校將口腔種植課程納入本科教育[19]。目前國內(nèi)本科階段口腔種植學(xué)課程主要依靠課堂理論講解,學(xué)生缺少動(dòng)手機(jī)會(huì)[20,21]。Kusumoto等[22]采用了一種新型的種植手術(shù)模擬系統(tǒng),該系統(tǒng)包括觸覺反饋系統(tǒng)和下頜骨三維CT圖像,反饋系統(tǒng)模擬了種植手術(shù)過程中骨鉆孔的震動(dòng)與手機(jī)的聲音,通過觸覺反饋裝置將一個(gè)圓柱形種植體模型植入到頜骨的三維圖像中來對(duì)種植體植入的全過程進(jìn)行模擬。Zhang等[21]將虛擬仿真系統(tǒng)與頜骨模型相結(jié)合用于下頜種植手術(shù)教學(xué),結(jié)果顯示使用虛擬仿真技術(shù),尤其是結(jié)合下頜模型學(xué)習(xí)的學(xué)生表現(xiàn)出了更優(yōu)秀的理論成績與操作水平。虛擬仿真技術(shù)在操作過程中雖然可以提供畫面構(gòu)建和觸覺反饋,但其在視覺、聽覺、觸覺方面的模擬程度仍有待加強(qiáng),配合傳統(tǒng)模型的虛擬仿真系統(tǒng)有可能彌補(bǔ)此不足。

2.5牙周病學(xué)

牙周病學(xué)診療過程中口腔醫(yī)生會(huì)依靠觸覺來進(jìn)行診斷和外科手術(shù),目前國內(nèi)口腔院校主要通過教師的模型演示來進(jìn)行牙周手術(shù)教學(xué)。相較于其他學(xué)科,用于牙周探診及治療操作的模擬器要兼顧軟硬組織的狀況,增加了模擬器開發(fā)的難度。伊利諾斯大學(xué)芝加哥分校開發(fā)了一款專門用于牙周病學(xué)操作訓(xùn)練與評(píng)估的牙科模擬器,通過觸覺模擬器觸摸牙齒、牙齦和結(jié)石表面,模擬真實(shí)的觸感[23]。Steinberg等[24]研究證實(shí),基于觸覺的牙周模擬器能夠提供足夠的真實(shí)感,可以作為牙周病治療的教學(xué)工具。Luciano等[23]將虛擬現(xiàn)實(shí)牙科模擬器用于牙周病學(xué)的教學(xué),學(xué)生通過在牙齒表面移動(dòng)VR儀器,在牙根表面感受牙齦邊緣與牙周袋的觸覺,通過觸覺反饋區(qū)分不同區(qū)域的質(zhì)感,并定位齦下結(jié)石的區(qū)域,從而加深對(duì)牙周疾病的認(rèn)識(shí)和感知。

2.6口腔頜面外科學(xué)

在我國,口腔頜面外科專培的進(jìn)展較其他專科或亞專科的培訓(xùn)略慢,經(jīng)驗(yàn)上也相對(duì)欠缺,培訓(xùn)制度尚未健全,這促使我們加快專培工作的開展[25]。外科住院醫(yī)師在做手術(shù)前除了要掌握外科操作、解剖學(xué)和外科器械的基本知識(shí)外,還應(yīng)進(jìn)行超額學(xué)習(xí),預(yù)演手術(shù)過程。因此,有必要使用新的技術(shù)改革目前的口腔外科教育,虛擬仿真技術(shù)也許會(huì)是一個(gè)選擇。Zaragoza-Siqueiros等[26]報(bào)道了一種面向正頜手術(shù)(OGS)規(guī)劃的虛擬仿真集成系統(tǒng),允許臨床醫(yī)生使用專有的虛擬治療計(jì)劃軟件來進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃,幫助學(xué)生了解正頜外科手術(shù)的診斷和治療過程。Sakowitz等[27]在正頜外科教學(xué)中引入虛擬仿真患者模型,通過虛擬患者讓學(xué)生探索正頜手術(shù)病例的診斷和治療計(jì)劃,同時(shí)將他們置于一個(gè)基于行動(dòng)和互動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境,允許其在三維空間平面對(duì)虛擬患者的上下頜進(jìn)行操作,模擬多種頜骨手術(shù),如雙側(cè)矢狀劈裂截骨術(shù)(BSSO)、一段或兩段LeFrtoⅠ截骨術(shù)。將基于觸覺反饋的虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于口腔頜面外科教學(xué),還可進(jìn)行傳統(tǒng)教學(xué)模式難以形象展示的其他手術(shù),如拔牙、阻滯麻醉、膿腫切開等[26,28]。

3虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育應(yīng)用的不足

目前,虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)教育的研究仍存在局限性,如研究時(shí)間過短,無法完全預(yù)測各種教學(xué)方法的長期效果等。虛擬仿真技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢是能提供臨床情景下的真實(shí)反饋,多數(shù)研究表明,同步反饋可以減少學(xué)生在學(xué)習(xí)中的記憶需求,使學(xué)員的注意力集中于技能操作,從而提高其運(yùn)動(dòng)技能的精度。然而,部分研究表明,在操作技能的學(xué)習(xí)過程中提供的不恰當(dāng)反饋會(huì)使學(xué)生對(duì)此產(chǎn)生依賴[29],而虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)過程中存在提供不恰當(dāng)反饋的風(fēng)險(xiǎn)[5,30],這些可能的不當(dāng)反饋是否會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生依賴性,從而對(duì)于長期學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生不良影響鮮有研究與討論。其次,臨床真實(shí)情況的復(fù)雜性使得虛擬仿真系統(tǒng)在教學(xué)情景中會(huì)與真實(shí)情況產(chǎn)生偏差,這種偏差來源于構(gòu)建的虛擬情景精細(xì)程度不足和虛擬病例庫的缺乏,同時(shí)因其技術(shù)特點(diǎn)導(dǎo)致的操作信號(hào)的輸入與反饋信號(hào)傳出的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)靶標(biāo)模式也不能很好模擬臨床真實(shí)情景[31]。因此,對(duì)于虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)教育長期效果的論證、虛擬情景分辨率的提高、虛擬病例庫的構(gòu)建、與人工智能的結(jié)合是未來重要的研究方向。

4結(jié)語

虛擬仿真系統(tǒng)因其自身優(yōu)勢正在成為現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)教育的重要組成部分。但是,目前的傳統(tǒng)教育模式仍無法被取代,關(guān)于虛擬仿真技術(shù)的特性還需充分了解,關(guān)于其長期效果的論證以及在模擬真實(shí)臨床情景的偏差仍需改進(jìn)。隨著醫(yī)療衛(wèi)生與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬仿真技術(shù)會(huì)在口腔醫(yī)學(xué)教育中發(fā)揮更大的作用。

作者：王振慧 楊宏業(yè) 單位：武漢大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院 省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地口腔生物醫(yī)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科