張菊芳

陜西師范大學(xué)教育學(xué)院， 西安 710062

我國經(jīng)濟(jì)增長和人口老齡化使口腔健康的影響引起全社會高度關(guān)注，數(shù)據(jù)顯示，從1983年開始，我國每10年左右就開展一次全國口腔健康流行病學(xué)調(diào)查，到2015年已經(jīng)開展了4次[1]。然而，在老年人群中，“人老脫牙”被認(rèn)為是正常的現(xiàn)象。但日本有學(xué)者提出：“80歲老人應(yīng)該還可以有20顆牙”，并且2001年世界衛(wèi)生組織正式提出“8020計(jì)劃”，呼吁人們把80歲仍然有20顆牙齒作為人生目標(biāo)[2]。但是現(xiàn)狀不容樂觀：一方面當(dāng)今全球口腔疾病盛行，超過60%的學(xué)齡兒童和全世界近100%的成年人患有齲齒。其中，35～44歲的成年人口中，近20%患有嚴(yán)重的牙齒疾病，65～74歲的人口中，牙齒的總脫落率高達(dá)近30%；另一方面，口腔醫(yī)療費(fèi)用昂貴。據(jù)調(diào)查，2016年全球口腔醫(yī)療設(shè)備市場價(jià)為23.99億美元，比2015年高4%，到2020年市場預(yù)期將高達(dá)290.9億美元。由此可見，口腔醫(yī)學(xué)治療的需求在持續(xù)增加[3]。

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，且口腔醫(yī)學(xué)具有視野狹小，不易觀察等醫(yī)學(xué)特征。所以，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與口腔醫(yī)學(xué)治療相結(jié)合具有極高的研究價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。文章從口腔醫(yī)學(xué)的特點(diǎn)出發(fā)，研究口腔醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)和手術(shù)治療的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)人員提供教育教學(xué)和臨床培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的延伸，是近年來發(fā)展起來的新型技術(shù)，它借助光電顯示技術(shù)、交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)等產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對象，并通過注冊技術(shù)將虛擬對象準(zhǔn)確地放置在真實(shí)的環(huán)境中，使用戶處于一種虛實(shí)混合的環(huán)境[4]。第一個(gè)被認(rèn)可為AR系統(tǒng)的是由Sutherland于1968年使用頭戴顯示器(HMD)開發(fā)的[5]，迄今為止，AR已引起不同領(lǐng)域的極大關(guān)注，如用于工業(yè)、旅游、教育、文物復(fù)原、醫(yī)學(xué)、市場營銷、建筑等多個(gè)領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代的星際迷航系列就預(yù)測了AR在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的未來應(yīng)用[6]，并且外科醫(yī)師就是AR的早期使用者。

AR技術(shù)的具體應(yīng)用原理就是實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度，結(jié)合相應(yīng)的圖像技術(shù)，將屏幕上虛擬的對象融入到現(xiàn)實(shí)世界中并進(jìn)行互動，如圖1所示[7]。

圖1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用原理

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢

在口腔醫(yī)學(xué)中，AR正發(fā)揮著其獨(dú)特的優(yōu)勢：一方面，AR解決了傳統(tǒng)口腔教學(xué)演示過程復(fù)雜、工作量大、耗時(shí)較長等弊端，有效節(jié)省了教育資源，緩解了學(xué)生對解剖的心理障礙；另一方面，AR系統(tǒng)與術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航結(jié)合，可以有效地預(yù)測手術(shù)結(jié)果、降低潛在的醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)，既改善了傳統(tǒng)口腔的治療環(huán)境，又提高了口腔治療的效率，同時(shí)AR投影圖像可以清晰地顯現(xiàn)患者病癥，說服力極強(qiáng)。

2.1 AR技術(shù)有助于口腔醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)

AR技術(shù)功能強(qiáng)大，對于口腔醫(yī)學(xué)相關(guān)人員的技能提升發(fā)揮著重要作用。如利用AR技術(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)可以讓初學(xué)者在模擬患者或者3D牙齒模型上反復(fù)操練，通過真實(shí)的力反饋來切實(shí)感受在真實(shí)牙體或骨組織上的操作。此外，AR在現(xiàn)場解剖時(shí)也有特別的優(yōu)勢，通過使用增強(qiáng)的鏡像圖像來顯現(xiàn)用戶自己身體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其當(dāng)尸體資源缺乏時(shí)，AR技術(shù)的價(jià)值就會更加明顯。例如：醫(yī)學(xué)人員可通過AR全息眼鏡來查看人體器官、肌肉組織、骨骼的結(jié)構(gòu)。在口腔醫(yī)學(xué)中，通過三維視圖就會對口腔頜面部的解剖結(jié)構(gòu)了然于胸。如：凱斯西儲大學(xué)和克利夫蘭診所(case west- ern reserve university and cleveland clinic)聯(lián)合打造的健康教育校園[8]，就是借助AR技術(shù)讓學(xué)生通過微軟的HoloLens圖像來學(xué)習(xí)人體的器官和系統(tǒng)的。三維全息圖像技術(shù)具有幫助學(xué)生掌握解剖學(xué)知識的巨大優(yōu)勢，在講解口腔系統(tǒng)時(shí)，全息圖可以先顯示人的整個(gè)口腔，繼而逐步進(jìn)入口腔內(nèi)部，輕松略去皮膚，留下口腔的器官，包括牙、舌等，它們會實(shí)時(shí)的根據(jù)身體的位置變化發(fā)生移動，需要時(shí)還可以借助文字帶上各自的標(biāo)簽。

2.2 AR技術(shù)將改善口腔醫(yī)學(xué)臨床治療效果

口腔醫(yī)學(xué)手術(shù)的關(guān)鍵在于術(shù)前計(jì)劃和術(shù)中精確導(dǎo)航，對此口腔醫(yī)學(xué)人員可以借助AR系統(tǒng)的頭戴式顯示器(HMD)，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)地跟蹤與注冊，進(jìn)而提高醫(yī)者的自信、保障患者的安全。同時(shí)，考慮到在植入物安裝過程中，患者處于局部麻醉狀態(tài)，有時(shí)會出現(xiàn)患者頭部不自主移動的情況，針對這種情況，HMD可以讓醫(yī)師自由移動，而且疊加的圖像能夠三維顯示而沒有滯后。同時(shí)，能夠?qū)⒀例X的定位、規(guī)模和深度知覺進(jìn)行高質(zhì)量的校準(zhǔn)，極大地避免手術(shù)誤差[9]。

此外，傳統(tǒng)的種植牙治療一般需局部麻醉，利用手術(shù)刀治療后需等待3～4個(gè)月，直至傷口愈合才能安裝假牙，由于牙齒的排斥，也會導(dǎo)致閉塞功能障礙發(fā)生，但利用AR導(dǎo)航系統(tǒng)和先進(jìn)的手術(shù)器械，就可以方便、精確地進(jìn)行手術(shù)前計(jì)劃調(diào)整和植入物的位置規(guī)劃，再加上這種手術(shù)創(chuàng)傷小，手術(shù)時(shí)間也可極大地縮短。

3 AR技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

目前，在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基于AR技術(shù)的教學(xué)和培訓(xùn)應(yīng)用比較廣泛。其中，醫(yī)百科技有限公司(EPED)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)化口腔醫(yī)學(xué)模擬器(CDS-100)和穆格西蒙多(Moog Simodont)口腔醫(yī)學(xué)訓(xùn)練師系統(tǒng)[3]最為出名。

其中，由醫(yī)百科技有限公司(EPED)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)化口腔醫(yī)學(xué)模擬器(CDS-100)是一個(gè)應(yīng)用了AR等新技術(shù)的口腔醫(yī)學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)為口腔醫(yī)學(xué)學(xué)生和需要自我提高的口腔醫(yī)師提供了最佳的計(jì)算機(jī)培訓(xùn)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)有：

①提供AR光學(xué)定位系統(tǒng)和實(shí)時(shí)三維位置，能準(zhǔn)確反饋口腔的角度和深度；

②豐富的軟件課程，包括口腔手術(shù)以及牙髓病、牙冠病、牙橋和牙髓病，可為學(xué)生提供自學(xué)和簡單的數(shù)字指導(dǎo)及模擬練習(xí)；

③課程可以個(gè)性化定制和設(shè)計(jì)，也可以針對特定項(xiàng)目進(jìn)行升級；

④蘊(yùn)含豐富的配件，包括牙齒模型、真實(shí)牙齒、不同品牌的鉆頭、人體模型椅子、無影燈和姿勢評估系統(tǒng)等。

若在這個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上植入實(shí)時(shí)的成像系統(tǒng)(IR- IS)，學(xué)生就可以接受完整的口腔醫(yī)學(xué)教育，還有豐富的口腔醫(yī)學(xué)種植學(xué)和臨床治療相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。隨著目標(biāo)結(jié)構(gòu)化臨床考試(OSCE)系統(tǒng)納入口腔醫(yī)學(xué)課程，教師可以通過計(jì)算機(jī)化的目標(biāo)評估系統(tǒng)對學(xué)生進(jìn)行評估，主要借助數(shù)字報(bào)告評估學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，以逐步深化學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)。除此之外，學(xué)生還可以通過評估報(bào)告中的圖表和描述輕松自學(xué)，探討如何改善臨床實(shí)踐和提高實(shí)踐的精確度。

而穆格西蒙多(Moog Simodont)口腔醫(yī)學(xué)訓(xùn)練師系統(tǒng)可以幫助學(xué)生更快地取得進(jìn)步，也幫助教師有效地教學(xué)并跟蹤學(xué)生的進(jìn)度、建構(gòu)教學(xué)案例等，學(xué)生的學(xué)習(xí)由軟件和教師共同追蹤和評估。該系統(tǒng)與阿姆斯特丹牙醫(yī)學(xué)術(shù)中心(ACTA)合作，將借助AR實(shí)現(xiàn)觸覺方面的專業(yè)知識與口腔醫(yī)學(xué)教育方面的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，幫助學(xué)生更高效地練習(xí)和學(xué)習(xí)。

此外，牙科學(xué)院的羅杰教授也通過AR技術(shù)來向?qū)W生展示3D模型，通過讓學(xué)生將雕刻作品與參考模型進(jìn)行比較，使學(xué)生能夠輕松通過掃描自定義的標(biāo)記隨時(shí)隨地地訪問3D牙齒模型。同時(shí)，AR技術(shù)簡化了羅杰教授和學(xué)生之間的溝通，進(jìn)一步闡明了教科書中的圖像和文字[10]。

國內(nèi)孟祥軍等[11]探討了基于AR技術(shù)的醫(yī)學(xué)課本APP的開發(fā)與設(shè)計(jì)，他們認(rèn)為應(yīng)用AR技術(shù)將極大地改進(jìn)傳統(tǒng)課本中二維醫(yī)療器械的諸多缺點(diǎn)，利用可視化、可交互的三維圖片將使學(xué)生更清晰、透徹地理解課本內(nèi)容，極大地增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 AR技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)臨床治療中的應(yīng)用

AR可以在口腔醫(yī)學(xué)手術(shù)中實(shí)時(shí)追蹤。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)變得更加成熟，越來越多的AR產(chǎn)品和設(shè)備在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)運(yùn)而生，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備不僅允許用戶組合醫(yī)療信息和醫(yī)療數(shù)據(jù)，還將這些數(shù)據(jù)以可視化的形式呈現(xiàn)出來，它可以提供更清晰的信息，使口腔醫(yī)學(xué)手術(shù)治療提高安全性和降低風(fēng)險(xiǎn)[12]，如牙科植入手術(shù)和牙種植體的放置應(yīng)用就證明了這一點(diǎn)。

4.1 牙科植入手術(shù)

牙科植入手術(shù)中已經(jīng)有很多的AR系統(tǒng)輔助治療，為了讓外科醫(yī)師能夠?qū)⒆⒁饬性诨颊呱砩?，Yam- aguchi等[13]開發(fā)了一種基于視網(wǎng)膜投影的系統(tǒng)，同樣，Ploder等[14]將植入物的術(shù)前放射學(xué)數(shù)據(jù)、計(jì)劃信息和術(shù)中導(dǎo)航聯(lián)系起來，Wanschitz等使用頭戴式顯示器(HMD)增強(qiáng)了口腔種植體規(guī)劃[15]等，傳統(tǒng)的牙種植體必須局部麻醉，不但治療時(shí)間較長，而且伴隨有牙齒的排斥反應(yīng)。但隨著AR導(dǎo)航系統(tǒng)軟件和先進(jìn)的手術(shù)器械開發(fā)出來后，就可以通過手術(shù)前計(jì)劃調(diào)整和規(guī)劃植入物的精確位置來進(jìn)行手術(shù)，患者可以個(gè)性化選擇植入的效果，這種手術(shù)創(chuàng)傷小，極大地縮短了手術(shù)時(shí)間。

在今后的補(bǔ)牙手術(shù)中，用戶和牙醫(yī)會利用AR技術(shù)預(yù)先設(shè)計(jì)補(bǔ)牙后的效果，并且這個(gè)AR軟件已經(jīng)由瑞士蘇黎世工業(yè)科技大學(xué)學(xué)生創(chuàng)辦的公司“Kapanu”與迪士尼研究中心合作制作出來了[16]，通過以下幾個(gè)步驟就可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化補(bǔ)牙：

①醫(yī)師用掃瞄儀把患者的口腔掃瞄，變成3D影像，然后在電腦上像PS一樣修整出理想牙齒的效果，最后利用AR軟件在患者的口腔上模擬出治療或矯正后的效果，如圖2所示。

圖2 醫(yī)師對掃描的牙齒3D影像進(jìn)行修整

②患者與醫(yī)師溝通，從若干個(gè)治療方案中選出最佳的矯正或治療方式，如決定牙齒的大小與顏色等，結(jié)果如圖3所示。

圖3 醫(yī)師與患者協(xié)商后的補(bǔ)牙效果

③最后按照制定好的補(bǔ)牙方案給患者補(bǔ)上理想的牙齒，這樣不僅增加了醫(yī)師與患者之間的信賴度，而且使手術(shù)更加順暢，縮短了手術(shù)時(shí)間，減少了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 牙種植體的放置

AR技術(shù)已被證明可以改善各種口腔醫(yī)學(xué)手術(shù)，使用AR系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)種植體植入和手術(shù)導(dǎo)航[17]，用于種植體植入的AR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)采用視網(wǎng)膜成像顯示器，而不是觀察監(jiān)護(hù)儀，因?yàn)樵谑中g(shù)過程中遠(yuǎn)離小型的口腔手術(shù)部位是相當(dāng)危險(xiǎn)的[18]。

有時(shí)，無用的信息會妨礙外科醫(yī)師的決定，所以在種植體植入過程中，AR系統(tǒng)可以充當(dāng)自動信息過濾器，有選擇地向外科醫(yī)師顯示最相關(guān)的信息，從而幫助他們將注意力集中在種植體上[19]。Linet等評估了基于AR牙種植體植入的準(zhǔn)確性，并將其與計(jì)劃的外植入體位置進(jìn)行比較，他們發(fā)現(xiàn)將手術(shù)模板與AR系統(tǒng)結(jié)合可以減少位置偏差，這個(gè)結(jié)果意味著AR系統(tǒng)的精確度仍需要提高[20]。但由于其能夠減少時(shí)間和額外成本，用于牙科植入手術(shù)的AR系統(tǒng)被認(rèn)為能夠降低成本效益[21]，有待于在未來口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更好地開發(fā)和利用。

國內(nèi)有關(guān)AR技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)治療中的應(yīng)用實(shí)例較少，2010年朱明等[22]針對20例下頜骨肥大的患者，借助AR技術(shù)，借助上海九院整形設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將術(shù)前規(guī)劃的預(yù)截骨平面和下頜骨的虛擬3D數(shù)字模型同時(shí)顯示在快速成型實(shí)體模型上，實(shí)現(xiàn)了虛擬圖像與實(shí)體的重疊配準(zhǔn)，為下頜角截骨術(shù)可視化手術(shù)提供了有效的途徑，為未來AR應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。

5 總結(jié)與展望

用于教育或培訓(xùn)的口腔模擬器非常適合AR技術(shù)，特別是解剖、手術(shù)和修復(fù)性的口腔治療，AR口腔模擬器因具有直接反饋和客觀評估功能而將成為未來口腔醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要工具，AR技術(shù)的發(fā)展給各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了良好的輔助作用，不僅在教育領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在臨床治療中也已取得了很好地應(yīng)用。我們相信，未來有關(guān)AR的培訓(xùn)和課程將傳播并應(yīng)用于每個(gè)口腔醫(yī)學(xué)部門，并使他們接受完整的教育和培訓(xùn)。在AR輔助的手術(shù)環(huán)境中，可視化的效果結(jié)合準(zhǔn)確的醫(yī)學(xué)圖像和跟蹤系統(tǒng)，瞄準(zhǔn)、登記和計(jì)算整個(gè)手術(shù)信息及數(shù)據(jù)，將會極大地減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，創(chuàng)造更加安全的手術(shù)環(huán)境。通過借助HMD或AR的其他技術(shù)就可以幫助醫(yī)師更好地執(zhí)行手術(shù)。根據(jù)醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)和完整的硬件和軟件，AR技術(shù)將會使患者和醫(yī)師之間建立更加信賴的關(guān)系。

同時(shí)，AR在未來醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景巨大，據(jù)高盛報(bào)告[23]統(tǒng)計(jì)得出：到2025年AR與VR軟件規(guī)模預(yù)期比是1/3，AR技術(shù)仍需進(jìn)一步改進(jìn)，尤其是在顯示技術(shù)、實(shí)時(shí)處理和物理環(huán)境的校準(zhǔn)方面。隨著AR技術(shù)的成熟，將逐漸走進(jìn)企業(yè)市場，在醫(yī)療保健市場，預(yù)測到2020年將有80萬醫(yī)師和EMT使用VR/AR技術(shù)，軟件營收為12億美元，而到2025年醫(yī)師將達(dá)到340萬，軟件營收將達(dá)到51億美元。因此，VR和AR不僅有潛力創(chuàng)造出新的市場，還將顛覆當(dāng)前的市場。但是國內(nèi)有關(guān)AR技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的研究和實(shí)踐較為欠缺，在今后需要加大這方面的研究，以期在國際口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。