周學東，張凌琳，葉 玲，項 濤，王 亞

（四川大學 華西口腔醫(yī)學院實驗教學中心，四川 成都 610041）

虛擬仿真，也稱虛擬實境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用計算機技術生成一個逼真的具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，通過使用各種交互設備，同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使操作者產(chǎn)生身臨其境的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數(shù)字化人機接口技術［1］。該技術由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（JaronLanier）在80年代初提出，最早源于美國軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)［2］。90年代初在商業(yè)領域得到進一步發(fā)展。目前虛擬仿真技術的應用領域日益廣泛，除在軍事作戰(zhàn)模擬，飛機、船舶、車輛現(xiàn)實虛擬駕駛訓練，飛機、導彈、輪船虛擬制造，以及在城市規(guī)劃、地理信息、室內設計、文物保護等現(xiàn)實虛擬仿真模擬外，其在醫(yī)學生物領域的應用也被廣泛關注。本文結合四川大學華西口腔醫(yī)學院虛擬仿真技術在口腔醫(yī)學人才培養(yǎng)方面的應用，對虛擬仿真技術在口腔醫(yī)學教育領域的應用現(xiàn)狀及展望作一介紹。

1 虛擬仿真技術在醫(yī)學教育領域應用的必要性

醫(yī)學虛擬仿真實驗教學是依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象的新型教學方式。學生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果。教育部根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作［3］。

虛擬仿真技術在醫(yī)學教育領域的應用是促進醫(yī)學教育生動化的需要。三維虛擬仿真軟件和虛擬課堂系統(tǒng)相結合，打破了時空局限性，為學生提供了真正的“開放性教學環(huán)境”［4］。傳統(tǒng)醫(yī)學教育難以直接展示人體結構、疾病發(fā)生及發(fā)展過程等內容，教學缺乏生動性，難以形象化，不利于學生更好地掌握醫(yī)學知識。虛擬仿真三維軟件技術建立的人體結構模型，使學生通過人機交互，在模型內部“漫游”，能夠非常直觀、輕松地學習人體解剖結構。不僅調動了學生的學習興趣，而且將抽象的內容具體化、形象化，給學生留下深刻的記憶，也給教員提供了方便，大大提高了教學質量。

虛擬仿真技術在醫(yī)學教育領域的應用是提高醫(yī)學專業(yè)實踐性的需要。醫(yī)學是一門實踐性很強的學科，實驗和實習貫穿整個教學過程。實驗教學環(huán)境的優(yōu)劣對學好這門課程至關重要。學生只有通過足夠的驗證性實驗和一定數(shù)量的綜合實驗才能獲得必要的綜合技能。為醫(yī)學教學打造的各種三維虛擬互動軟件和虛擬課堂系統(tǒng)的問世，使得教學模具具有重復性和可逆性，學生得以有效培訓一些無創(chuàng)性的操作方法，這對提高醫(yī)學教學質量起到了很大的促進作用。

虛擬仿真技術在醫(yī)學教育領域的應用是醫(yī)學教育順應社會發(fā)展的需要。隨著社會的發(fā)展，患者自我保護意識加強，醫(yī)患關系矛盾日益凸顯。這就要求學生在進入臨床實踐前必須盡可能地熟練掌握各種操作技巧，因此需要在臨床前的技能訓練中給學生提供更真實、更先進的模擬環(huán)境進行各種臨床操作技巧的訓練。應運而生的虛擬現(xiàn)實技術為教師、學生提供了一個無創(chuàng)性、無損毀性、無危險性的訓練方式，通過學生在虛擬模型上的操作，完成對醫(yī)學生基本技能的訓練，為臨床實習打下堅實的基礎。

2 虛擬仿真技術在口腔醫(yī)學教育領域應用的必然性

目前，國內外口腔醫(yī)學高等院校進行臨床前技能培訓主要應用仿頭模訓練系統(tǒng)。但這種仿頭模訓練系統(tǒng)無法將患者在治療過程中的疼痛、不適等感受反饋給操作者，使學生及時糾正不良操作，缺乏臨床感；其次該系統(tǒng)使用的是塑料牙，質地遠不及真牙，不能體會真牙的操作感；再者，該訓練模式只能進行牙體硬組織疾病等部分常見口腔疾病的治療和操作訓練，難以模擬口腔軟組織疾病等其他口腔常見疾病，也不能進行拔牙、牙周根尖周手術及牙槽外科手術等操作訓練。綜合來看，仿頭模的模擬訓練項目較局限，給操作者帶來的體驗真實感不強，臨床感不高，具有一定的局限性，不能完全適應日益發(fā)展的教學要求。因此，運用虛擬仿真技術進行虛擬實驗教學是口腔醫(yī)學教育發(fā)展的必然趨勢。

3 虛擬仿真技術在口腔醫(yī)學教育領域的應用現(xiàn)狀

將虛擬現(xiàn)實技術與口腔教學相結合，在口腔教學領域是一次革命性的突破，歐美國家已有近20所高校使用了該技術。目前該技術在我國口腔醫(yī)學教育領域也有了初步的嘗試和應用。國內一些知名院校已在各專業(yè)課程的教學過程中逐步借助虛擬仿真技術來實現(xiàn)特定的教學功能，改進或替代傳統(tǒng)的教學方式，其教學效果獲得了師生的認可與好評，實現(xiàn)了教學質量的提升［5］。目前虛擬仿真技術在口腔教學中的應用主要有以下幾方面：

（1）在口腔解剖生理學教學中，應用虛擬仿真三維成像技術建立虛擬解剖實驗室，其原理是以CT、MRI斷層掃描、人體切片、實物標本掃描等數(shù)據(jù)為基礎，應用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)在計算機上重建逼真的實物圖像、器官組織內部的結構等各種虛擬解剖模型［6］，從而建立虛擬口腔解剖標本的數(shù)據(jù)庫，并作為口腔解剖生理教學的虛擬解剖實驗室對學生開放。學生可對該虛擬仿真解剖實驗室的虛擬三維模型進行立體或剖面觀察，還可通過網(wǎng)絡終端對虛擬解剖實驗室進行遠程訪問，實現(xiàn)自主學習。

（2）在口腔種植學、口腔修復學等學科的教學中，利用虛擬仿真技術實現(xiàn)口腔種植設計方案和口腔修復設計方案的虛擬三維圖像模擬，并通過計算機軟件對設計方案進行力學系統(tǒng)和生物學合理性的分析和評估，實現(xiàn)在口腔醫(yī)學教學過程中對治療方案和手術過程進行虛擬圖像模擬和治療效果評估的教學功能。

（3）在口腔疾病基本操作訓練方面，虛擬仿真技術的應用能較傳統(tǒng)模具訓練的教學方式實現(xiàn)更強大、更逼真的功能。目前部分口腔醫(yī)學院校已著手建設口腔醫(yī)學臨床前技能訓練的虛擬仿真實驗室，利用虛擬仿真三維成像技術和高仿真機器人實現(xiàn)臨床診療過程的高仿真模擬和學生實際動手操作能力的訓練，整個過程無風險性、可重復、實驗成本低，并可根據(jù)教學需要進行病案制定和實驗項目的靈活組合，具有高度仿真性和操作性強的特點。

4 虛擬仿真技術在華西口腔醫(yī)學院教學中的應用

四川大學華西口腔醫(yī)學院實驗教學起源于1917年，開創(chuàng)了中國口腔醫(yī)學實驗教學的先河。華西口腔實驗教學中心經(jīng)過百年錘煉和不斷革新，現(xiàn)已成為教學理念先進、教學特色鮮明、教學體系科學完善、師資隊伍一流、教學成果顯著的口腔醫(yī)學人才培養(yǎng)實驗教學的國際知名品牌，成為引領我國口腔實驗教學發(fā)展的方向，已成為具有強大示范輻射作用的國內領先的國家級口腔醫(yī)學基礎實驗教學示范中心（下稱示范中心）。隨著醫(yī)學教育的發(fā)展需求，我院與時俱進，以示范中心為依托，根據(jù)高等教育信息化建設和開展虛擬仿真實驗的指導思想，應用數(shù)字化技術和高仿真技術，在示范中心的平臺上專門建設虛擬實驗教學中心?，F(xiàn)階段我院虛擬仿真實驗教學中心主要包含以下3個平臺。

4.1 數(shù)字化3D虛擬口腔解剖實習平臺

數(shù)字化3D虛擬口腔解剖實習平臺是基于3D技術可視化人體工程構建的牙體解剖學及相關教學的應用軟件而實現(xiàn)。該軟件按照國人牙體形態(tài)結構和特征完成人的虛擬口腔構建和制作，利用AMBERCTC 3D引擎建立三維牙體圖像，既可以進行三維旋轉，以觀察牙體不同面的外形，還可在不同平面進行切割，觀察牙體的內部構造。該軟件可通過網(wǎng)絡版和光盤版實現(xiàn)相關課程的實驗教學和學生自學、復習。其直觀的視覺體驗，不僅可以廣泛應用于口腔解剖生理學及相關的實驗教學，還能進一步擴展到其他口腔臨床學科，如口腔內科學、口腔頜面外科學、口腔修復學和口腔正畸學的實驗教學、病案討論和治療方案設計等多方面應用，解決在實驗教學中真牙收集困難的實際問題，并能提供大范圍的教學應用，保障人才培養(yǎng)規(guī)模不斷擴大的需求。

4.2 穆格數(shù)字化虛擬口腔技能培訓系統(tǒng)

數(shù)字化虛擬口腔技能培訓系統(tǒng)由3D圖形生成工業(yè)計算機、實時觸感生成計算機、教學課程示范計算機，以及學生操控終端和相應應用軟件組成。應用軟件包括模擬臨床病例、口腔常用器械和操作評估體系等系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理是：運用虛擬仿真技術和力反饋觸覺系統(tǒng)建立了一套能模擬臨床治療真實場景的力學感受系統(tǒng)，能模擬出正?？谇唤M織、離體牙的3D圖像，以及口腔常見疾病的軟、硬組織3D圖像，還可根據(jù)不同的治療方案選擇不同的虛擬工具，操作者在手持手柄時能感受到虛擬工具與虛擬3D牙體接觸時的作用力與反作用力，獲得和現(xiàn)實中手持工具操作時相同的力學感受，從而能達到模擬訓練臨床操作的效果［7］。此外，該機能模擬大部分口腔常見疾病的治療過程，并且能模擬出仿頭模難以實現(xiàn)的口腔軟組織疾病，以及活體組織在治療過程中的出血等實時反應。不僅模擬疾病種類多、效果逼真、操作手感真實，而且能解決目前牙體標本和疾病模型供應缺乏、實驗替代材料與真實疾病組織相差較大、學生在操作中難以獲得臨床病例真實感受的難題，以及直接對臨床患者進行實驗操作風險系數(shù)大的問題，更好地滿足目前的教學需求［8］。

利用該系統(tǒng)能開設出傳統(tǒng)實驗狀態(tài)下難以開展的、具有臨床高風險的實驗項目，如牙體窩洞預備、開髓、根管治療、根尖手術、拔牙術、口腔修復牙體預備、牙種植等多種難度較大的臨床操作技能訓練的實驗教學項目［9］。學生在訓練過程中能熟練掌握牙科手機力度控制和各種牙科器械的使用，并在牙科治療的各個具體項目上都能得到良好的技能訓練，為臨床實習打下堅實的基礎，解決在專業(yè)課實驗教學中難以實現(xiàn)“身臨其境”的難題。

4.3 口腔醫(yī)學仿真機器人實習機

口腔醫(yī)學機器人訓練機是一種臨床前技能訓練和臨床實習的高仿真模擬訓練設備，不僅有對學生進行必備臨床技能培訓的功能，還能模擬臨床患者疼痛、嘔吐等實時反應，甚至能模擬因操作不當造成患者不愉快等真實反應：如從患者眼睛上面移動物品時，能模擬出患者的恐怖感；操作者不慎碰到胸和肩膀時模擬出患者的不快反應；在設備口腔內安裝了表現(xiàn)嘔吐的反射傳感器，來訓練對敏感患者的操作治療。同時學生還可以通過對機器人的問診、解釋治療過程等語言交流工作學習與患者進行交流，完成學生接待患者時的“態(tài)度、習慣、接待方法”等重要方面的培養(yǎng)。通過仿真人的動作、語言、表情多種反饋信息，學生可以改良自身操作手法和與患者交流的語言，能夠達到在沒有教師的指導下，可以通過影像回放來重新冷靜地審視自己，實現(xiàn)自我改善、自我學習的目的。

5 結束語

虛擬仿真實驗教學中心能實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗不具備或難以完成的教學功能，在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，為醫(yī)學人才培養(yǎng)提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目。從華西口腔實驗教學目前已開展的部分虛擬仿真實驗項目的教學效果看，師生對該技術的接受程度高，該技術的應用能調動學生的學習積極性，深受學生歡迎。未來虛擬仿真技術的發(fā)展方向還會向實現(xiàn)更加逼真的現(xiàn)實環(huán)境、更好的人機交互體會、更高的現(xiàn)場感方面發(fā)展。隨著人們對虛擬仿真技術的逐漸了解，以及它在各個行業(yè)的普遍應用給人們帶來的極大方便，虛擬仿真技術勢必會得到更快的發(fā)展。這種技術革新是不可逆轉的趨勢，它將隨著時間的推移日臻完善，并且會運用得更加廣泛。

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