虚拟仿真技术在口腔医学教育的应用

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[摘要]虚拟仿真技术正在成为现代教育的重要组成部分。虚拟仿真因其直观、可操作、不受时空限制、安全性等优势,被视为口腔医学教育的一种先进辅助手段。该技术可在临床前教育中提高口腔医学生的精细运动技能、手眼协调能力,使他们能够在安全的环境中完善理论知识与技能操作。目前已有大量研究探索了虚拟仿真技术在口腔医学教育中的应用,进行了有效性分析。本文主要综述虚拟仿真技术目前在口腔医学各个学科教育中应用的研究进展,分析目前研究存在的不足,给口腔医学教育改革提供有益参考。

[关键词]虚拟仿真;口腔医学;教育

虚拟仿真(virtualreality,VR),也称虚拟现实,是指利用计算机将虚拟组件融入现实生活,或通过创建令使用者沉浸其中的虚拟场景,进而提供视、听、触等感官刺激,并以此实现仿真的人机交互[1]。在教育领域,虚拟仿真技术的影响力日益扩大,在医疗培训、航空飞行模拟培训、驾驶模拟培训以及医疗紧急情况培训等领域卓有成效[2]。在医疗卫生领域,虚拟仿真技术越来越多用于临床前培训、技能评估与手术辅助。但目前,国内口腔医学教育仍以传统模型与头模系统为主,这种传统模式对于学生理论知识与技能操作掌握的帮助有很多不足。虚拟仿真技术能够克服传统教学模式的各种局限,提供模拟现实的学习体验,目前,越来越多的教育工作者开始探索将虚拟仿真技术应用于口腔医学教育,国内高校开始建立虚拟仿真实验教学中心,以便更好地提升教学质量与效率[3]。

1虚拟仿真应用于口腔医学教育的优势

目前国内外高校在口腔教育领域广泛使用头模系统,这种传统的教学方法因其抽象性和时空局限性,不利于学生理解理论知识、培养临床实践技能和临床思维。虚拟仿真技术因其技术特性,一定程度上克服了这些不足。首先,虚拟仿真系统通过计算机创建的虚拟实境,可以再现传统教学模式中难以向学生展现的复杂抽象解剖结构与疾病发展过程。其次,虚拟仿真技术可操作性较强,一个完整的虚拟仿真系统除具备模型、手机和马达等硬件设施,还在软件层面实现了对系统中各种仪器的统筹协作,能够进行准确的实时跟踪反馈。目前,虚拟仿真可以提供多种操作课程供学生学习,包括龋损去除、牙体预备、阻滞麻醉等[1,4,5]。第三,虚拟仿真系统避免了学生操作技能不熟练时临床实习的不安全性。Ziv等[6]证明在传统口腔医学教育项目中适当使用虚拟仿真可以更好地提升学生的临床操作技能,同时避免伤害患者,减少了临床实习不必要的医患矛盾,有利于学生自信心的建立[7]。第四,虚拟仿真技术摆脱了传统教学模式对于教师的依赖性,打破了时空局限,对于培养学生的学习积极性、自主性有着重要意义。Iwanaga等[8]分享在三维虚拟空间中远程在线讲授外科手术及相关解剖学的经验,并将其与传统的教学方法(即面对面课堂和在线课堂)进行比较,在新冠疫情可能长期存在的背景下,为远程教学提供了创新性的解决方案。

2虚拟仿真在口腔医学教育中的应用

得益于虚拟仿真技术在口腔教育领域的种种优势,国内外已有许多团队开展了将虚拟仿真技术应用于口腔医学教育的项目[9,10],获得了认可与好评,客观上也证明了该方向的广阔前景。目前口腔医学各个科目教学中虚拟仿真技术都有了一定的应用,现分述之。

2.1口腔解剖生理学

对于牙齿解剖形态与口腔颌面部软硬组织解剖的理解是口腔医学的基础。目前,口腔解剖生理课程主要采用二维图像材料进行教学。天然牙体积小,解剖结构精细,仅用二维图像很难对不同轴面的解剖结构进行标识,虚拟仿真技术可以利用虚拟现实环境,呈现牙齿形态或解剖结构的三维空间图像,借助软件“放大与缩小”、“旋转与移动”等功能,方便对于牙齿细微的解剖标志进行查看[11]。三维空间的教学效果已被证实优于二维平面的教学[12]。Reymus等[13]研究了虚拟仿真技术在牙齿根管形态教学中的应用,其团队比较了3D打印模型与根尖周X线片、根管系统CBCT重建影像、虚拟仿真学习根管系统的教学效果。结果显示,学生们通过CBCT重建影像与虚拟现实学习的效果要优于通过3D打印模型和二维X线片学习的效果,虚拟现实场景下对牙齿解剖学特征的识别和根管结构的理解更深刻,此研究展示了虚拟仿真技术应用于口腔解剖学教学的积极效果。

2.2牙体牙髓病学

牙体牙髓病学是一门实践内容较多的专业,涉及备洞、开髓、根管预备等操作。口腔医学生只有掌握各种操作技巧,才能有效安全地对患者进行椅旁治疗。目前在牙体牙髓病学教学中,塑料牙的使用非常广泛,但其解剖结构的单一限制了学生对于复杂根管系统的认知,这种认知对于根管治疗的训练至关重要[14,15]。另外,离体牙由于卫生与伦理问题,其使用也受到限制。虚拟仿真技术可以利用牙齿的CT扫描数据生成虚拟牙齿模型,作为虚拟的训练牙提供了多样化的根管解剖结构,弥补了传统塑料牙根管大小、形状、位置单一的不足。根管治疗中,确定根管预备质量至关重要,传统教学过程中通过主观性强的目测进行根管预备的评估,Yin等[14]首次尝试开发了一种基于虚拟仿真技术的自动评分系统,该系统通过与5名牙髓专家的评分进行比较,结果显示系统的评估结果与专家评估结果高度一致,这提示基于虚拟仿真技术的技能评估在牙体牙髓病学培训中的应用充满前景。

2.3口腔修复学

牙体预备是口腔修复学重要的操作内容,关于牙齿硬度的触觉反馈在临床医生实际操作过程中至关重要,但目前广泛用于口腔修复学临床前培训的塑料牙在硬度上无法与真实牙齿相比拟。Dixon等[16]证明通过牙科模拟器来模拟牙体预备过程中的触觉反馈是有效的。已有众多研究将虚拟仿真技术应用于口腔修复学的牙体预备教学过程中[2,17],通过各类型虚拟仿真牙医培训系统模拟对虚拟患者进行诊断和诊疗规划,以及模拟牙体预备过程中口镜反射、车针更换、高速手机的控制、医师与患者的体位调节。得益于虚拟仿真技术提供的高分辨率的视像、逼真的触觉和音效体验,学生能够在虚拟实境中进行学习,改善其学习体验,激发学生自主学习能力。抽象概念如何形象理解是口腔修复教学过程的另一个难题,得益于数字化技术在口腔修复领域的应用,通过数字化印模技术及模型扫描技术,临床上的任何信息均可转移到虚拟仿真系统当中,各种修复体的制作流程可以得到具体形象的记录,这些具有专业水准的素材来源可以作为临床前教学的资料库[18]。

2.4口腔种植学

随着口腔种植技术的发展与临床口腔种植需求的增加,越来越多的医学院校将口腔种植课程纳入本科教育[19]。目前国内本科阶段口腔种植学课程主要依靠课堂理论讲解,学生缺少动手机会[20,21]。Kusumoto等[22]采用了一种新型的种植手术模拟系统,该系统包括触觉反馈系统和下颌骨三维CT图像,反馈系统模拟了种植手术过程中骨钻孔的震动与手机的声音,通过触觉反馈装置将一个圆柱形种植体模型植入到颌骨的三维图像中来对种植体植入的全过程进行模拟。Zhang等[21]将虚拟仿真系统与颌骨模型相结合用于下颌种植手术教学,结果显示使用虚拟仿真技术,尤其是结合下颌模型学习的学生表现出了更优秀的理论成绩与操作水平。虚拟仿真技术在操作过程中虽然可以提供画面构建和触觉反馈,但其在视觉、听觉、触觉方面的模拟程度仍有待加强,配合传统模型的虚拟仿真系统有可能弥补此不足。

2.5牙周病学

牙周病学诊疗过程中口腔医生会依靠触觉来进行诊断和外科手术,目前国内口腔院校主要通过教师的模型演示来进行牙周手术教学。相较于其他学科,用于牙周探诊及治疗操作的模拟器要兼顾软硬组织的状况,增加了模拟器开发的难度。伊利诺斯大学芝加哥分校开发了一款专门用于牙周病学操作训练与评估的牙科模拟器,通过触觉模拟器触摸牙齿、牙龈和结石表面,模拟真实的触感[23]。Steinberg等[24]研究证实,基于触觉的牙周模拟器能够提供足够的真实感,可以作为牙周病治疗的教学工具。Luciano等[23]将虚拟现实牙科模拟器用于牙周病学的教学,学生通过在牙齿表面移动VR仪器,在牙根表面感受牙龈边缘与牙周袋的触觉,通过触觉反馈区分不同区域的质感,并定位龈下结石的区域,从而加深对牙周疾病的认识和感知。

2.6口腔颌面外科学

在我国,口腔颌面外科专培的进展较其他专科或亚专科的培训略慢,经验上也相对欠缺,培训制度尚未健全,这促使我们加快专培工作的开展[25]。外科住院医师在做手术前除了要掌握外科操作、解剖学和外科器械的基本知识外,还应进行超额学习,预演手术过程。因此,有必要使用新的技术改革目前的口腔外科教育,虚拟仿真技术也许会是一个选择。Zaragoza-Siqueiros等[26]报道了一种面向正颌手术(OGS)规划的虚拟仿真集成系统,允许临床医生使用专有的虚拟治疗计划软件来进行手术规划,帮助学生了解正颌外科手术的诊断和治疗过程。Sakowitz等[27]在正颌外科教学中引入虚拟仿真患者模型,通过虚拟患者让学生探索正颌手术病例的诊断和治疗计划,同时将他们置于一个基于行动和互动的学习环境,允许其在三维空间平面对虚拟患者的上下颌进行操作,模拟多种颌骨手术,如双侧矢状劈裂截骨术(BSSO)、一段或两段LeFrtoⅠ截骨术。将基于触觉反馈的虚拟仿真系统应用于口腔颌面外科教学,还可进行传统教学模式难以形象展示的其他手术,如拔牙、阻滞麻醉、脓肿切开等[26,28]。

3虚拟仿真技术在口腔医学教育应用的不足

目前,虚拟仿真技术应用于口腔医学教育的研究仍存在局限性,如研究时间过短,无法完全预测各种教学方法的长期效果等。虚拟仿真技术的一个优势是能提供临床情景下的真实反馈,多数研究表明,同步反馈可以减少学生在学习中的记忆需求,使学员的注意力集中于技能操作,从而提高其运动技能的精度。然而,部分研究表明,在操作技能的学习过程中提供的不恰当反馈会使学生对此产生依赖[29],而虚拟仿真技术在教学过程中存在提供不恰当反馈的风险[5,30],这些可能的不当反馈是否会使学生产生依赖性,从而对于长期学习效果产生不良影响鲜有研究与讨论。其次,临床真实情况的复杂性使得虚拟仿真系统在教学情景中会与真实情况产生偏差,这种偏差来源于构建的虚拟情景精细程度不足和虚拟病例库的缺乏,同时因其技术特点导致的操作信号的输入与反馈信号传出的点对点靶标模式也不能很好模拟临床真实情景[31]。因此,对于虚拟仿真系统应用于口腔医学教育长期效果的论证、虚拟情景分辨率的提高、虚拟病例库的构建、与人工智能的结合是未来重要的研究方向。

4结语

虚拟仿真系统因其自身优势正在成为现代口腔医学教育的重要组成部分。但是,目前的传统教育模式仍无法被取代,关于虚拟仿真技术的特性还需充分了解,关于其长期效果的论证以及在模拟真实临床情景的偏差仍需改进。随着医疗卫生与计算机信息技术的不断发展,虚拟仿真技术会在口腔医学教育中发挥更大的作用。

作者：王振慧 杨宏业 单位：武汉大学口腔医学院 省部共建国家重点实验室培育基地口腔生物医学教育部重点实验室 武汉大学口腔医院修复科