楊勝濤 董 博 袁 泉 岳 莉

固定義齒修復(fù)工藝學(xué)的教學(xué)目標(biāo)之一是使學(xué)生具備制作模擬天然牙齒解剖形態(tài)、顏色及相關(guān)生物力學(xué)特征的修復(fù)體的標(biāo)準(zhǔn)技能，其中對(duì)于天然牙體形態(tài)和顏色的教學(xué)是基礎(chǔ)，瓷層堆塑則是實(shí)現(xiàn)修復(fù)體對(duì)于天然牙模擬的核心技術(shù)［1,2］。由于完整的離體牙收集難度較大，同時(shí)不易保存，傳統(tǒng)的牙體解剖形態(tài)和顏色教學(xué)多借助于二維的照片或者實(shí)體仿真模型，存在著直觀度低、受時(shí)間和空間影響較大、攜帶和存儲(chǔ)不便等不足［3］。修復(fù)體的瓷層堆塑則具有較高的經(jīng)驗(yàn)依賴性，學(xué)生不易掌握各瓷層之間的空間位置關(guān)系，往往需要進(jìn)行大量的練習(xí)以達(dá)到經(jīng)驗(yàn)的積累，然而受到教學(xué)材料及學(xué)時(shí)的限制，課堂教學(xué)效率難以得到進(jìn)一步的提高。

近年來(lái)3D虛擬仿真技術(shù)憑借沉浸感強(qiáng)、仿真度高、安全可逆等優(yōu)勢(shì)，已逐漸應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐中，并取得了良好的教學(xué)效果［4-6］。然而目前虛擬仿真技術(shù)在固定義齒修復(fù)工藝學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究仍然較少，特別是牙體顏色和修復(fù)體瓷層堆塑的3D虛擬仿真教學(xué)基本上處于空白狀態(tài)，這可能與天然牙顏色構(gòu)成及修復(fù)體瓷層堆塑具有較高的個(gè)體差異性、虛擬仿真設(shè)備難以對(duì)其進(jìn)行真實(shí)再現(xiàn)有關(guān)?；诖?，本文提供了一種對(duì)天然牙顏色及修復(fù)體瓷層堆塑進(jìn)行虛擬再現(xiàn)的方法，并成功構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的虛擬仿真模型。同時(shí)與虛擬牙列模型進(jìn)行整合，創(chuàng)建了包括牙體解剖形態(tài)教學(xué)、牙齒顏色特征虛擬教學(xué)及虛擬瓷層堆塑三個(gè)內(nèi)容的固定義齒工藝學(xué)的教學(xué)軟件，并以實(shí)際教學(xué)為例對(duì)其應(yīng)用流程進(jìn)行探討，以為虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)技術(shù)專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中的運(yùn)用提供思路。

1.虛擬仿真教學(xué)模型的構(gòu)建

1.1 虛擬仿真牙列模型的構(gòu)建 收集一套完整的仿真牙列模型，運(yùn)用倉(cāng)式掃描儀對(duì)其進(jìn)行掃描，將掃描所得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入齒科設(shè)計(jì)軟件中，參照標(biāo)準(zhǔn)天然牙列的排列位置進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)的三維空間位置排列，將確定好空間位置的牙齒模型依次以STL（Standard Tessellation Language）的標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)出獲得虛擬牙列模型。對(duì)每個(gè)虛擬模型設(shè)立“顯示/隱藏”、“放大/縮小”、“移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)”等基礎(chǔ)的三維查看功能。選擇11、13、16三個(gè)典型的虛擬牙齒模型，參照第七版口腔解剖生理學(xué)的教材內(nèi)容進(jìn)行牙齒表面解剖標(biāo)志的三維劃分，并以不同顏色對(duì)解剖標(biāo)志進(jìn)行三維標(biāo)記，同時(shí)建立解剖標(biāo)志文字命名及牙齒解剖標(biāo)志之間的響應(yīng)功能，學(xué)生點(diǎn)擊文字命名時(shí)三維模型對(duì)應(yīng)的解剖標(biāo)志進(jìn)行顏色變化以指示解剖部位（圖1）。

圖1 三維模型中文字命名與解剖標(biāo)志之間的顏色變化指示

1.2 三維真彩牙體模型的構(gòu)建 制作青年、中年、老年三個(gè)年齡段的仿真中切牙全瓷修復(fù)體，對(duì)其進(jìn)行多角度的二維照片拍攝，確保不同照片之間有一定的重疊度。運(yùn)用倉(cāng)式掃描儀掃描制作的修復(fù)體獲得三維模型數(shù)據(jù)，運(yùn)用3D軟件的“貼圖”功能將拍攝的多張二維圖片貼附到掃描的三維模型表面，成功構(gòu)建青年、中年、老年三個(gè)具有增齡性特征的真彩牙體模型（圖2），對(duì)構(gòu)建的模型設(shè)立“放大/縮小”、“旋轉(zhuǎn)/移動(dòng)”等三維查看功能。

圖2 二維照片與重建的三維真彩牙體模型

1.3 三維虛擬塑瓷模型的構(gòu)建 以A2色上頜全瓷中切牙的瓷層堆塑為例，將其制作步驟分解為“頸部瓷堆塑”、“體瓷堆塑”、“體瓷回切標(biāo)記”、“體瓷回切”、“發(fā)育葉瓷堆塑”等十八個(gè)步驟，應(yīng)用與1.2中真彩牙體模型相同的構(gòu)建方法，對(duì)每一個(gè)步驟所得的模型進(jìn)行多角度的照片拍攝和模型掃描，從而重建出瓷層堆塑的分步模型（圖3）。將獲得的分步模型進(jìn)行空間位置關(guān)系的疊加，并添加外層瓷層的“透明度調(diào)整”功能，從而可以對(duì)各瓷層的三維空間位置關(guān)系進(jìn)行虛擬指示，完成虛擬塑瓷模型的構(gòu)建。

圖3 二維照片與重建的三維塑瓷模型

2.教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用流程

以口腔醫(yī)學(xué)技術(shù)專業(yè)的固定義齒修復(fù)工藝學(xué)課程教學(xué)為例，介紹本虛擬仿真教學(xué)方法的實(shí)際應(yīng)用。

2.1 牙體解剖形態(tài)的虛擬教學(xué)

2.1.1 學(xué)時(shí)安排及教學(xué)目的 本部分內(nèi)容的虛擬教學(xué)為一個(gè)學(xué)時(shí)，主要教學(xué)目的為使學(xué)生通過(guò)虛擬牙列模型的三維學(xué)習(xí)，掌握天然牙列組成及其牙齒排列特征、上下牙列咬合關(guān)系、單顆牙體解剖形態(tài)及其命名等內(nèi)容，為后期修復(fù)體的制作打下功能學(xué)和形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。

2.1.2 具體教學(xué)流程 指導(dǎo)學(xué)生在課前預(yù)習(xí)教學(xué)軟件中的理論課件，進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)的儲(chǔ)備。授課過(guò)程中首先顯示所有牙體模型，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)“移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)”、“放大/縮小”等工具進(jìn)行天然牙列的組成、牙齒排列特征及其三維軸向位置、上下牙列的咬合關(guān)系等知識(shí)點(diǎn)的虛擬學(xué)習(xí)。然后依次隱藏上頜牙列和下頜牙列，進(jìn)行單頜牙列牙弓排列弧度、牙齒構(gòu)成及其解剖特征的學(xué)習(xí)。最后依次對(duì)單顆牙齒模型進(jìn)行顯示及放大，進(jìn)行單顆牙齒冠根比例、牙冠長(zhǎng)度、寬度、厚度比例的宏觀掌握。點(diǎn)擊11牙、13牙及16牙三個(gè)典型模型進(jìn)入單顆牙齒解剖標(biāo)志及文字命名的響應(yīng)界面，指導(dǎo)學(xué)生參照理論知識(shí)進(jìn)行相關(guān)解剖標(biāo)志的辯認(rèn)，對(duì)于不確定的解剖標(biāo)志，學(xué)生可以點(diǎn)擊解剖標(biāo)志的文字命名，牙齒模型上對(duì)應(yīng)的三維解剖部位將有顏色變化的指示，從而對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，解決了傳統(tǒng)的二維書(shū)面教學(xué)難以對(duì)三維模型進(jìn)行展示的問(wèn)題（圖4）。最后引導(dǎo)學(xué)生以11牙、13牙、16牙為參考完成剩余牙齒的解剖標(biāo)志的學(xué)習(xí)與掌握。

圖4 牙體解剖形態(tài)的虛擬教學(xué)

2.2 牙體顏色特征的虛擬教學(xué)

2.2.1 學(xué)時(shí)安排及教學(xué)目的 本部分的虛擬教學(xué)為一學(xué)時(shí)，要求學(xué)生通過(guò)三個(gè)不同年齡段人仿真中切牙牙體色彩的學(xué)習(xí)掌握天然牙顏色構(gòu)成特征及其增齡性變化規(guī)律，為仿真修復(fù)體的制作進(jìn)行顏色學(xué)儲(chǔ)備。

2.2.2 具體教學(xué)流程 指導(dǎo)學(xué)生在課前預(yù)習(xí)教學(xué)軟件中的“青年”、“中年”、“老年”牙齒的顏色特征及其仿真制作的視頻。授課過(guò)程中首先查看青年中切牙牙體模型，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)模型下方針對(duì)青年牙齒典型顏色特征的文字提示，運(yùn)用“旋轉(zhuǎn)/移動(dòng)”、“放大/縮小”等功能變換，進(jìn)行牙體明度、飽和度、色調(diào)及半透性特征、發(fā)育葉特征等顏色學(xué)指標(biāo)的學(xué)習(xí)。然后依次顯示中年牙體模型和老年牙體模型，引導(dǎo)學(xué)生在對(duì)比教學(xué)中明了不同年齡段人牙體的顏色特征及其增齡性變化規(guī)律（圖5）。

圖5 青年、中年、老年真彩牙體模型的虛擬教學(xué)

2.3 瓷層堆塑的虛擬教學(xué)

2.3.1 學(xué)時(shí)安排及教學(xué)目的 本部分內(nèi)容為兩學(xué)時(shí)，旨在讓學(xué)生通過(guò)虛擬瓷層堆塑練習(xí)掌握全瓷修復(fù)體制作的材料選擇、工藝流程及不同瓷層構(gòu)筑的空間位置關(guān)系。

2.3.2 具體教學(xué)流程 指導(dǎo)學(xué)生預(yù)先查看軟件中人上頜中切牙全瓷修復(fù)體瓷層堆塑的教學(xué)視頻。教學(xué)過(guò)程中首先完成“學(xué)習(xí)模式”下的教學(xué)，根據(jù)軟件提示依次選擇每個(gè)步驟相應(yīng)的工具和材料，依次進(jìn)行“頸部瓷堆塑”、“體瓷堆塑”、“回切標(biāo)記”、“瓷層回切”等虛擬訓(xùn)練。每一步練習(xí)完成引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)透明度調(diào)整功能調(diào)節(jié)最外層瓷層的透明度，從而明確不同瓷層之間的空間位置關(guān)系（圖6）。通過(guò)多次練習(xí)后選擇“練習(xí)模式”，此模式下軟件無(wú)相應(yīng)的提示，學(xué)生進(jìn)行虛擬操作，軟件自動(dòng)記錄學(xué)生的操作過(guò)程并自動(dòng)生成評(píng)分，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行查看，以明確操作過(guò)程中的錯(cuò)誤并及時(shí)糾正。

圖6 虛擬瓷層堆塑練習(xí)及瓷層空間位置指示

3.結(jié)果

成功構(gòu)建了包括牙體解剖形態(tài)學(xué)習(xí)、牙體色彩學(xué)習(xí)和虛擬瓷層堆塑三個(gè)主要教學(xué)內(nèi)容的虛擬仿真教學(xué)軟件（圖7），并在口腔醫(yī)學(xué)技術(shù)專業(yè)固定義齒修復(fù)工藝學(xué)課程中完成初步的應(yīng)用實(shí)踐，4個(gè)學(xué)時(shí)的授課過(guò)程均順利進(jìn)行。學(xué)生在課后的使用反饋良好，軟件自帶的題庫(kù)檢測(cè)和操作評(píng)分結(jié)果均顯示課程教學(xué)達(dá)到了滿意的效果（圖8）。相較于傳統(tǒng)的理論教學(xué)和實(shí)體模型教學(xué)，虛擬仿真教學(xué)具有形象直觀、操作靈活、學(xué)生興趣度較高等優(yōu)勢(shì)，具有一定的可行性。

圖7 創(chuàng)建的虛擬仿真教學(xué)軟件

圖8 操作評(píng)分顯示達(dá)到了良好的教學(xué)效果

4.討論

數(shù)字化教學(xué)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一，它打破了時(shí)間、空間等不可抗因素對(duì)于實(shí)踐教學(xué)的束縛，對(duì)于抽象性知識(shí)、高危及高耗能實(shí)踐教學(xué)、不可逆性實(shí)踐教學(xué)等都有一定的優(yōu)勢(shì)［7］。在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)在牙體預(yù)備、種植窩洞預(yù)備、牙周潔治、正畸術(shù)前檢查及托槽粘接等實(shí)踐教學(xué)中得到了一定應(yīng)用［8-12］。然而目前虛擬仿真技術(shù)在固定義齒修復(fù)工藝學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究相對(duì)較少，課程仍然以理論課件講解、錄制視頻教學(xué)、仿真牙列模型教學(xué)、實(shí)操演示及個(gè)人練習(xí)等傳統(tǒng)方式為主，受到教學(xué)課時(shí)、教學(xué)空間、教學(xué)耗材、輔導(dǎo)老師等硬性條件的約束，學(xué)生也難以將抽象的二維知識(shí)與三維模型進(jìn)行整合，在一定程度上降低了課堂效率。在這樣的背景下，本文探索了虛擬仿真教學(xué)在牙體形態(tài)、牙體色彩和瓷層堆塑等固定義齒修復(fù)工藝學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用，總結(jié)其優(yōu)勢(shì)與不足。

4.1 虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

4.1.1 將抽象的書(shū)面知識(shí)與三維模型進(jìn)行有機(jī)融合 天然牙體積小，解剖結(jié)構(gòu)細(xì)微而復(fù)雜，許多解剖標(biāo)志并非僅存在于一個(gè)牙體軸面上，二維書(shū)面很難對(duì)三維的解剖標(biāo)志進(jìn)行全面的指示。借助虛擬仿真軟件的模型“顯示/隱藏”、“放大/縮小”、“移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)”等功能，學(xué)生可以對(duì)細(xì)微的解剖標(biāo)志進(jìn)行更便捷的查看。針對(duì)11、13、16三顆虛擬牙齒模型建立的解剖命名與三維標(biāo)志之間的響應(yīng)功能可以精確的指示相關(guān)的解剖標(biāo)志，從而有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和掌握。

對(duì)于天然牙的顏色構(gòu)成，除了基礎(chǔ)的明度、飽和度、色調(diào)三要素，還存在著半透性、表面著色等諸多個(gè)性化特征，同時(shí)受到患者年齡與習(xí)慣等諸多因素的影響。本文運(yùn)用將二維照片貼附于三維模型表面的方法，重建了三維的真彩牙體模型，其顏色學(xué)特征與實(shí)體模型基本一致，高于口內(nèi)真彩掃描儀等獲得的色彩還原效果，可以更有效地進(jìn)行牙體顏色特征的教學(xué)。通過(guò)青年、中年、老年三個(gè)年齡段人牙齒的對(duì)比教學(xué)，更容易體現(xiàn)天然牙色彩的增齡性變化特征。

在進(jìn)行修復(fù)體的制作時(shí)，為了重建天然牙的顏色特征，往往需要在1.5mm左右的厚度范圍內(nèi)進(jìn)行多個(gè)瓷層的分層堆塑，由于未燒結(jié)的瓷層不具有透明性，學(xué)生很難掌握各瓷粉的用量及其堆塑的空間位置。借助虛擬仿真軟件中的外層瓷層的透明化功能，可以很明確地觀察到各瓷層之間的關(guān)系，從而指導(dǎo)學(xué)生將適量的瓷層堆塑于正確的位置。

4.1.2 降低了時(shí)間、空間等對(duì)教學(xué)資源的限制 傳統(tǒng)的牙體形態(tài)、顏色教學(xué)方式為實(shí)體仿真模型教學(xué)，其便攜性較低，瓷層堆塑的教學(xué)則以輔導(dǎo)老師進(jìn)行示教的方式進(jìn)行，對(duì)于教學(xué)課時(shí)、教學(xué)場(chǎng)地、教學(xué)耗材都有一定的要求。本文提出的虛擬教學(xué)軟件可以進(jìn)行線上教學(xué)，學(xué)生可以在任何時(shí)候進(jìn)入軟件進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，使得相關(guān)課程教學(xué)變得更加便捷，可以在一定程度上提升教學(xué)效率。將瓷層堆塑練習(xí)虛擬化之后，可以節(jié)約瓷粉等實(shí)驗(yàn)耗材，同時(shí)降低實(shí)驗(yàn)操作給學(xué)生帶來(lái)的安全隱患。

4.1.3 及時(shí)獲得實(shí)踐操作的評(píng)價(jià)反饋 傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生很難及時(shí)獲得對(duì)于自己操作過(guò)程的反饋與評(píng)估。而針對(duì)虛擬瓷層堆塑的練習(xí)，教學(xué)軟件會(huì)自動(dòng)記錄學(xué)生使用的工具和操作流程，并在學(xué)生操作完成后生成評(píng)分表，從而有利于學(xué)生及時(shí)進(jìn)行操作的自我評(píng)估，并及時(shí)更正。軟件的題庫(kù)練習(xí)功能可以輔助學(xué)生進(jìn)行相關(guān)理論知識(shí)的檢驗(yàn)，從而提升對(duì)于相關(guān)理論知識(shí)的掌握水平。

4.2 本教學(xué)方法的不足之處

4.2.1 虛擬模型數(shù)據(jù)較為單一 軟件中牙體形態(tài)教學(xué)部分只添加了一套牙列模型，而不同人牙列存在著形態(tài)學(xué)上的差異，需要進(jìn)一步增加典型性的牙列數(shù)據(jù)以進(jìn)行完善。同時(shí)只針對(duì)11牙、13牙、16牙三顆牙齒模型完成了解剖標(biāo)志與文字命名之間的響應(yīng)，但是不同牙齒解剖形態(tài)和命名上仍然存在較大區(qū)別，需要進(jìn)一步增加對(duì)于剩余牙齒模型的解剖命名及展示。牙體色彩教學(xué)中只選取了A2色的上中切牙作為教學(xué)模型，需要增加更多不同色調(diào)的牙齒模型以進(jìn)行對(duì)比教學(xué)。

4.2.2 智能化程度需要進(jìn)一步提升 對(duì)于虛擬瓷層堆塑的教學(xué)，由于修復(fù)體制作的影響因素較多，同時(shí)各瓷層形態(tài)均不規(guī)則且厚度不一致，本系統(tǒng)的智能度仍然較低，尚未能實(shí)現(xiàn)真正意義上的瓷層虛擬堆塑，只能針對(duì)重建的模型進(jìn)行練習(xí)，未來(lái)需要進(jìn)一步提升教學(xué)軟件的智能化程度，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的虛擬教學(xué)。

4.3 總結(jié) 虛擬仿真教學(xué)是未來(lái)教學(xué)的趨勢(shì)之一，本文對(duì)虛擬仿真技術(shù)在固定義齒修復(fù)工藝學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并取得了相對(duì)滿意的教學(xué)效果。但是對(duì)于瓷層堆塑等個(gè)性化程度較高的內(nèi)容，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全脫離傳統(tǒng)練習(xí)的虛擬教學(xué)，未來(lái)需要對(duì)教學(xué)軟件的功能進(jìn)行進(jìn)一步的完善，同時(shí)需要與傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行一定的對(duì)比研究，從而進(jìn)一步明確虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)與不足，以做進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。