趙思銘，趙曉含，張 杰，王黨校，王曉燕△

(1.北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院，牙體牙髓科 國(guó)家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 口腔數(shù)字醫(yī)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081; 2.北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191)

齲病是口腔中最常見且高發(fā)的疾病，臨床上對(duì)齲病的治療，首要步驟是徹底地清創(chuàng)，去凈腐質(zhì)，同時(shí)注意生物學(xué)原則，盡量保存正常的牙體組織[1]，這是治療成功的前提和關(guān)鍵。去凈腐質(zhì)的臨床標(biāo)準(zhǔn)包括視診其顏色，牙本質(zhì)無明顯著色，有光澤；探診其硬度，牙本質(zhì)質(zhì)地堅(jiān)硬，尖探診不能探入。探診硬度是判斷的關(guān)鍵，教學(xué)中常出現(xiàn)的問題是學(xué)生對(duì)于齲壞組織和健康牙體組織的識(shí)別能力不足，在去腐過程中，未能徹底去凈齲壞組織，需要在離體牙上多加練習(xí)，以獲得識(shí)別的技能。當(dāng)前，收集離體牙的難度越來越大，這與培訓(xùn)中離體牙多多益善的目標(biāo)產(chǎn)生矛盾；對(duì)于離體牙的切削操作具有不可重復(fù)性，學(xué)生無法在同一顆離體牙上反復(fù)對(duì)比去凈腐質(zhì)前后齲壞區(qū)域探診硬度的變化；且因各離體牙具有唯一性和特異性，導(dǎo)致學(xué)生接受的培訓(xùn)并非完全一致，而學(xué)生培訓(xùn)的效果與其用于培訓(xùn)的離體牙有一定關(guān)系。離體牙的需求量、可重復(fù)操作性和標(biāo)準(zhǔn)一致性，是教學(xué)中亟待解決的關(guān)鍵問題。虛擬牙科培訓(xùn)系統(tǒng)具有可重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)化一致性等特點(diǎn)，可以在一定程度上解決教學(xué)中的這一問題。近年來，國(guó)內(nèi)外有多款虛擬牙科培訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用于口腔專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域，如荷蘭的Simodont Dental Trainer系統(tǒng)[MOOG Inc. & ACTA (Academic Centre for Dentistry Amsterdam), 荷蘭]可以用于模擬牙科鉆削、去腐、窩洞充填、冠橋牙體預(yù)備等[2]；英國(guó)的HapTEL系統(tǒng) (The Kings College London & University of Reading,英國(guó))可用于培訓(xùn)牙體直接充填修復(fù)操作中的去腐、洞型預(yù)備[3]；瑞典的Forsslund 系統(tǒng) (Forsslund Systems AB, 瑞典)可應(yīng)用于牙體切削和智齒拔除操作[4]；哈佛牙醫(yī)學(xué)院的Virtual Reality Dental Training System (VRDTS)可用于模擬牙體切削和窩洞充填[4]；北京航空航天大學(xué)的iDental(后更名為UniDental)系統(tǒng)可用于牙體切削、牙周檢查治療等[5-7],但現(xiàn)有的各系統(tǒng)在模擬的真實(shí)度上均存在或多或少的缺陷[5-6]，且尚未見著重于探查識(shí)別齲壞的模擬系統(tǒng)。本研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)牙科模擬系統(tǒng)UniDental進(jìn)行齲壞識(shí)別軟件開發(fā)，旨在應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)本科生臨床前期齲壞識(shí)別教學(xué)，提高學(xué)生識(shí)別齲壞組織的能力。

1 資料與方法

1.1 齲壞識(shí)別軟件的開發(fā)

基于眾繪科技的UniDental系統(tǒng)(圖1)開發(fā)齲壞識(shí)別軟件。由于牙齒齲壞組織由表及里，硬度的增加或粗糙度的減小都并非是均勻變化的[1]，需建立抽象齲洞模型(圖2)：(1)將齲洞由表及里，人為分成淺、中、深3層；(2)賦予每層內(nèi)部以相同的硬度值，淺、中、深層硬度逐漸增大，淺層軟、中層韌、深層硬，其中深層的硬度值設(shè)定為正常牙本質(zhì)硬度；(3)賦予每層內(nèi)部以相同的粗糙度值，淺、中、深層粗糙度逐漸減小，匹配相應(yīng)硬度的牙本質(zhì)，深層的粗糙度設(shè)定為正常牙本質(zhì)粗糙度。各層牙本質(zhì)硬度和粗糙度的值由臨床經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)師預(yù)設(shè)。受試者可操作力反饋手柄(可提供最大5 N的力反饋)，在圖3所示軟件操作界面中切換硬度和粗糙度探查項(xiàng)目，分別選擇淺、中、深層，使用虛擬探針探查患牙牙合面中央黑色齲壞區(qū)域，進(jìn)行垂直向硬度探查和水平向粗糙度探查操作，探查時(shí)使用手柄逐漸用力達(dá)該層力反饋預(yù)設(shè)值，分別感受相應(yīng)的硬度和粗糙度，若操作力度超過預(yù)設(shè)值，手柄會(huì)抖動(dòng)提醒操作者減小力度，若操作力度大于手柄5 N極值時(shí)會(huì)出現(xiàn)落空感。

圖1 UniDental系統(tǒng)

1.2 受試者

受試者為北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院2014級(jí)口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)本科生，共計(jì)64 人，受試者參與實(shí)驗(yàn)時(shí)處于本科生臨床前期教學(xué)階段齲壞牙去腐培訓(xùn)系列課程中，已進(jìn)行相應(yīng)理論和部分操作培訓(xùn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

受試者操作UniDental系統(tǒng)齲壞識(shí)別軟件，分別在齲洞的淺層、中層、深層進(jìn)行垂直向硬度探查和水平向粗糙度探查操作培訓(xùn)。完成培訓(xùn)后進(jìn)行問卷調(diào)查，評(píng)價(jià)該齲壞識(shí)別軟件：(1)問卷中以評(píng)分1 ～ 5分對(duì)力反饋效果進(jìn)行評(píng)級(jí)，1分表示非常不真實(shí)，2分表示比較不真實(shí)，3分表示一般，4分表示比較真實(shí)，5分表示非常真實(shí)；(2)以評(píng)分1 ～ 5分對(duì)齲壞識(shí)別能力的提高幫助度進(jìn)行評(píng)級(jí)，1分表示完全沒幫助，2分表示幫助較小，3分表示一般，4分表示比較有幫助，5分表示非常有幫助；(3)選擇個(gè)人傾向的教學(xué)模式，包括傳統(tǒng)離體牙教學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、兩者都要3個(gè)選項(xiàng)。

圖2 抽象齲洞模型 圖3 齲壞識(shí)別軟件界面

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 20軟件,對(duì)力反饋真實(shí)度和對(duì)齲壞識(shí)別能力提高幫助度評(píng)分進(jìn)行秩和檢驗(yàn)(Kruskal-Wallis test)，P<0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 力反饋真實(shí)度

力反饋真實(shí)度評(píng)分結(jié)果(表1)顯示各層硬度和粗糙度及其層間變化梯度的力反饋真實(shí)性，數(shù)據(jù)由中位數(shù)和各評(píng)分例數(shù)百分比組成。發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)力反饋真實(shí)度的評(píng)分中位數(shù)均為4，表示比較真實(shí)。通過各層硬度探查評(píng)分對(duì)硬度變化梯度進(jìn)行秩和檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3層硬度評(píng)分結(jié)果對(duì)硬度變化梯度評(píng)分的影響均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。通過各層粗糙度探查評(píng)分對(duì)粗糙度變化梯度評(píng)分進(jìn)行秩和檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)淺、中層粗糙度評(píng)分結(jié)果對(duì)粗糙度變化梯度評(píng)分的影響有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

2.2 對(duì)齲壞識(shí)別能力的提高幫助度

對(duì)齲壞識(shí)別能力的提高幫助度結(jié)果(表1)中位數(shù)為4，表示比較有幫助。將各層的力反饋真實(shí)度評(píng)分對(duì)能力提高幫助度進(jìn)行秩和檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硬度相關(guān)的4組數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果影響有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

2.3 教學(xué)模式的選擇

90.4%的學(xué)生支持傳統(tǒng)離體牙教學(xué)模式，1.6%(1位)學(xué)生認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更好， 7.8%(5位)的學(xué)生希望兩種模式同時(shí)進(jìn)行。

3 討論

UniDental系統(tǒng)使用的力反饋手柄的外形和設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，標(biāo)準(zhǔn)的口腔臨床齲壞探查操作中，術(shù)者右手以執(zhí)筆式握持牙科探針，以無名指作為支點(diǎn)支于患牙鄰近硬組織，操作時(shí)探針尖端作用于牙體組織表面。實(shí)驗(yàn)中使用的力反饋手柄，其力反饋連接點(diǎn)位于手柄前部、接近尖端(并非尖端)， 術(shù)者握持部位在連接點(diǎn)之后，操作時(shí)阻力出現(xiàn)的部位較口腔內(nèi)真實(shí)操作時(shí)更靠近手部，而非尖端，會(huì)在一定程度上影響操作者的手感。此外，力反饋手柄能提供最大5 N的力反饋，操作力超過最大值，手柄會(huì)出現(xiàn)反饋力突然消失的現(xiàn)象，而正常牙本質(zhì)硬度約為68 KHN(Knoop hardness number)， 使用尖探針探診(尖端直徑0.5 mm)，正常牙本質(zhì)可以承受的最大探診力度遠(yuǎn)超過5 N[6]，雖然軟件中預(yù)設(shè)的深層(正常牙本質(zhì))硬度力反饋值為最大值5 N，仍遠(yuǎn)小于實(shí)際值。故當(dāng)受試者按照已有的離體牙上操作經(jīng)驗(yàn)使用逐漸增大并超過5 N的力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反饋力逐漸增大又突然消失落空的現(xiàn)象，這一不佳的體驗(yàn)影響硬度的真實(shí)度評(píng)分。這個(gè)問題擬通過升級(jí)力反饋手柄硬件來改善，新的硬件能提供最大10 N的反饋力，但具體的測(cè)試效果尚待進(jìn)一步研究。另外,對(duì)于手柄的外形，其握持柄部的直徑約為牙科探針的 2.5倍，手感上的差異也會(huì)導(dǎo)致體驗(yàn)性下降，外形的改進(jìn)有待于工業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善。

從硬度測(cè)試的結(jié)果來看，隨著深度增加，各層探診硬度增大，雖然中位數(shù)顯示結(jié)果均為比較真實(shí)，但由于前述手柄力反饋?zhàn)畲笾档娜毕?，深層硬度的評(píng)分影響了硬度變化梯度的評(píng)分，而對(duì)于淺、中層，雖然硬度的力反饋模擬可以更接近真實(shí)牙體組織，但手柄能提供的垂直向探診感受不是實(shí)際中的探入軟物感以及取出探針時(shí)無阻力，而是一種探入時(shí)手柄會(huì)輕度下沉模擬扎入軟物感，反向取出探針?biāo)矔r(shí)有輕度黏滯感[8]。這一感受差異可能是導(dǎo)致淺層、中層硬度測(cè)試真實(shí)值不佳的原因，故硬度探查的真實(shí)度對(duì)齲壞識(shí)別能力的提高幫助度有影響，后續(xù)需要進(jìn)一步改進(jìn)軟件算法，改善體驗(yàn)。

從粗糙度測(cè)試的結(jié)果來看，中位數(shù)顯示結(jié)果均為比較真實(shí)，但淺層、中層粗糙度評(píng)分影響粗糙度變化梯度評(píng)分結(jié)果。隨著深度增加，各層的探診粗糙度變小。深層為正常牙本質(zhì)，粗糙度最小，軟件容易模擬其光滑感；而淺層、中層齲壞部分，其粗糙度在力反饋手柄上體現(xiàn)為黏滯感，這一感受與在真實(shí)牙體組織上探診的粗糙感存在一定差別。另外，齲壞和正常牙本質(zhì)粗糙度可設(shè)定的力值區(qū)間較小，故模擬難度較大，這一問題需在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步提高賦值的精確度來改善體驗(yàn)。

表1 問卷調(diào)查評(píng)分表

問卷結(jié)果顯示該實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生齲壞識(shí)別能力的提高比較有幫助。傳統(tǒng)離體牙教學(xué)方式對(duì)離體牙的依賴性高，但離體牙具有唯一性、不可復(fù)制性，對(duì)其切削操作后不可恢復(fù)，因此學(xué)生無法反復(fù)體會(huì)齲洞各深度的硬度、粗糙度變化，尤其是如何掌握去凈最后一薄層韌牙本質(zhì)前后的硬度和粗糙度的變化[9]，是臨床前期教學(xué)和臨床教學(xué)中的難點(diǎn)[10]。并且離體牙具有特異性，學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容掌握程度的好壞與其使用的離體牙的質(zhì)量和數(shù)量存在一定關(guān)系。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)恰好可以彌補(bǔ)這一不足，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可重復(fù)性，讓學(xué)生可以在軟件上反復(fù)體會(huì)去腐過程中各層硬度、粗糙度的梯度變化，且所有學(xué)生可以接受同樣的標(biāo)準(zhǔn)化訓(xùn)練，因此該訓(xùn)練有利于學(xué)生齲壞識(shí)別能力的提高。

另外，教學(xué)模式選擇的結(jié)果顯示，90.4%的受試者傾向于延續(xù)傳統(tǒng)離體牙教學(xué)模式。分析原因：(1)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還存在很多不足，包括力反饋的真實(shí)性、操作界面的真實(shí)性等；(2)學(xué)生對(duì)于新的教學(xué)模式的適應(yīng)程度各不相同，初次接觸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，個(gè)別學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)接受的能力有限，包括手柄的使用和軟件中三維空間感的體會(huì)[6]，導(dǎo)致其無法掌握正確操作方法來感受不同的力反饋效果，回顧其問卷，給出的評(píng)分較低，一定程度上影響了整體結(jié)果；(3)齲壞識(shí)別的能力是一種臨床經(jīng)驗(yàn)和操作水平積累的體現(xiàn)，口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)的特殊性決定了它不可能脫離臨床實(shí)際操作，目前傳統(tǒng)的離體牙教學(xué)模式能創(chuàng)造更接近臨床實(shí)際的條件，給學(xué)生提供相應(yīng)的模擬訓(xùn)練。1.6%的應(yīng)試者選擇虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)模式，7.8%的受試者希望同時(shí)接受兩種模式培訓(xùn)。

綜上所述，雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仍不夠完美，不能取代傳統(tǒng)教學(xué)，但希望它可作為傳統(tǒng)離體牙教學(xué)模式的補(bǔ)充應(yīng)用于臨床前期教學(xué)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，模擬真實(shí)度的進(jìn)一步提高，能在口腔專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。