田 也，陳金龍

（四川大學華西口腔醫(yī)院，四川 成都 610041）

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality,VR）技術(shù)是通過計算機生成三維可視化的圖像，讓使用者能高度沉浸于虛擬場景中全方位地獲取信息[1]。而增強現(xiàn)實（Augmented Reality,AR）在很多技術(shù)方面與虛擬現(xiàn)實相同，但也有明顯的本質(zhì)區(qū)別，其目的并不是構(gòu)建一個完全虛擬的環(huán)境，而是將計算機生成的圖像疊加到現(xiàn)實世界的圖像上[2]。換言之，使用者可通過機器看到周圍環(huán)境的物理視圖，然后通過疊加虛擬圖像，使我們能感受到真實的物理環(huán)境變得更為生動和立體。平板電腦、手機、AR眼鏡和其他經(jīng)過優(yōu)化的可穿戴設(shè)備均可作為運行AR應用程序的硬件載體。

近年來，虛擬/增強現(xiàn)實技術(shù)在娛樂、科技等相關(guān)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，各種科技產(chǎn)品層出不窮，醫(yī)療健康領(lǐng)域也不例外。1965年，Robert Mann首次將醫(yī)學虛擬系統(tǒng)用于骨科醫(yī)生住院醫(yī)師培訓中。20世紀80年代后期，頭戴式顯示器作為可穿戴式設(shè)備用于醫(yī)學中的虛擬現(xiàn)實可視化。雖然期間也出現(xiàn)過關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)缺點的報道，包括惡心、頭暈、視力暫時受損以及缺乏臨場感[3]，但隨著各類影像技術(shù)的進步和硬件設(shè)備的改進，增強現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應用，為臨床醫(yī)生提供了額外的指導信息。與此同時，增強現(xiàn)實技術(shù)也開始在教育領(lǐng)域中有所應用[4]?？谇唤馄收n教學的內(nèi)容是讓口腔醫(yī)學生對復雜的頜面部解剖結(jié)構(gòu)有準確的認知，是培養(yǎng)臨床操作技能的基礎(chǔ)。解剖學教學的關(guān)鍵在于幫助學生在腦海中建立解剖結(jié)構(gòu)的模型，使其了解不同結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系。傳統(tǒng)的解剖學教學主要依賴課本文字、解剖圖譜、教學模具以及尸體解剖等，學生在接觸尸體解剖前主要靠憑空想象，在接觸尸體解剖后又容易手忙腳亂，很難達到理想的學習效果。筆者在此介紹一種基于增強現(xiàn)實技術(shù)的教學方式，以期將復雜的、抽象的頜面部解剖結(jié)構(gòu)以三維可視化的形式呈現(xiàn)，用于頜面部解剖的教學，從而達到革新教學方式、提高教學質(zhì)量和效率的目的。

1 對象和方法

1.1 教學對象

隨機選取四川大學華西口腔醫(yī)學院2016級口腔專業(yè)五年制20名本科三年級的學生作為教學對象，所有學生均學習過系統(tǒng)解剖學課程，但尚未學習口腔解剖生理學課程。通過抽簽的方式隨機分為實驗組和對照組，每組10人。兩組學生性別、年齡經(jīng)非參數(shù)檢驗、t檢驗對比，無顯著性差異（P＞0.05）。

1.2 制作基于增強現(xiàn)實技術(shù)的頜面部解剖教學模型

基于韓國“VisibleKoreanHuman”數(shù)據(jù)庫[5]，獲取原始解剖數(shù)據(jù)模型，導入FEIAmira-avizo軟件進行3D模型的重建，使用AutodeskMaya軟件進行糾錯和優(yōu)化，并對表面進行平滑處理，導出二進制STL格式文件，其后導入平板電腦終端（由斯坦福大學臨床解剖系MatthewHasel友情提供其團隊自主研發(fā)的AR工具系統(tǒng)）。

1.3 研究方法

教學內(nèi)容選用口腔面頸部局部解剖章節(jié)，學習時長均限制為30分鐘。實驗組采用增強現(xiàn)實技術(shù)的頜面部解剖教學模型進行授課，對照組采用傳統(tǒng)授課模式，兩組均由同一高年資講師進行指導。具體如下：實驗組：結(jié)合本次授課內(nèi)容形成面頸部解剖模塊，運用三維解剖軟件增強現(xiàn)實功能，將解剖生理內(nèi)容實時嵌入。學生利用平板電腦、手機的攝像頭掃描教師提供的標志完成注冊，然后通過全方位觀察3D頜面部圖像，對照提供的相應教材文字內(nèi)容學習。對照組：學生通過解剖圖譜對照提供的相應教材文字內(nèi)容學習。

1.4 評價指標

課堂教學結(jié)束后，兩組學生采用隨堂測驗及教學評價的方式對教學效果進行評估。在考核之后，兩組學生均對涉及教學效果的各個方面進行考量，對不同教學模式進行問卷評價。每項調(diào)查內(nèi)容按1～5共5個級別打分（1完全不符，5完全符合）。結(jié)果使用SPSS26、GraphPadPrism 8.0軟件作圖并統(tǒng)計分析。

2 研究結(jié)果

2.1 口腔學生學習頜面部解剖學的積極性和滿意度比較

利用增強現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合頜面部解剖教學的需求，依托平板電腦作為硬件平臺，可清晰呈現(xiàn)預載的頭頸部解剖模型。實驗組學生可全方位、多角度地觀察各個解剖結(jié)構(gòu)及其毗鄰關(guān)系，通過可視化的手段代替學生的主觀想象。問卷評價統(tǒng)計結(jié)果顯示，利用增強現(xiàn)實技術(shù)模型進行授課的實驗組學生與利用傳統(tǒng)模式進行授課的對照組學生相比，課堂中采用三維解剖軟件對課程內(nèi)容進行整合，可以更好地調(diào)動學習興趣及積極性，參與感更強（P＜0.05）；教學內(nèi)容設(shè)計方面重點更為突出（P＜0.05）；相比于解剖圖譜，實驗組教學資料能在后續(xù)實習操作中準確找到相應解剖結(jié)構(gòu)（P＜0.05）。總體來說，實驗組學生對增強現(xiàn)實技術(shù)的教學方法滿意度更高（P＜0.05），但實驗組學生自我評價對面頸部解剖結(jié)構(gòu)和層次準確掌握程度上無顯著差異（P＞0.05），見表 1。

表1 調(diào)查問卷結(jié)果（±s，分）

表1 調(diào)查問卷結(jié)果（±s，分）

問題平均分P值對照組 實驗組教學資料有趣味性、啟發(fā)性教學資料清晰展現(xiàn)面頸部結(jié)構(gòu)和毗鄰解剖關(guān)系教學活動參與感強，積極性高教學內(nèi)容合理，重點突出對面頸部解剖結(jié)構(gòu)和層次已準確掌握能在后續(xù)實習操作中準確找到相應解剖結(jié)構(gòu)對該教學方式的教學效果十分滿意3.60±0.70 3.40±0.70 3.10±0.88 3.30±0.48 3.80±0.92 3.70±0.82 3.20±0.42 4.70±0.67 4.50±0.70 4.20±0.74 4.40±0.82 4.50±0.53 4.60±0.52 4.60±0.70 0.002 1 0.004 5 0.020 2 0.035 3 0.051 1 0.009 0＜0.001

2.2 口腔學生頜面部解剖學的學習效果評價

與傳統(tǒng)的教學方式（對照組）相比，增強現(xiàn)實技術(shù)（實驗組）的應用更有利于學生直觀了解口腔頜面部解剖結(jié)構(gòu)，尤其在學習頜面部骨性結(jié)構(gòu)、毗鄰關(guān)系、關(guān)節(jié)運動、肌肉起止和空間關(guān)系、血管神經(jīng)分布等方面可促進學生的理解掌握，增強學生解決實際問題的能力及教學效果。實驗組學生與對照組相比，隨堂測驗成績更高（P＜0.05），見圖 1。

圖1 學生隨堂測驗分數(shù)

3 討論

3.1 增強現(xiàn)實技術(shù)醫(yī)學應用的發(fā)展現(xiàn)狀

解剖學是大多數(shù)VR/AR應用于教育領(lǐng)域的經(jīng)典范例[3]。研究人體解剖的VR/AR應用程序開發(fā)中的第一步是構(gòu)建包含人類圖像和信息的大型在線數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫主要收集大量CT/MRI掃描數(shù)據(jù)。第一個數(shù)據(jù)庫于1991年于科羅拉多大學創(chuàng)建，稱為“可視化人類項目（visiblehumanproject）”，包含 7 000 多例數(shù)字解剖圖像，目前在美國國家醫(yī)學圖書館平臺免費開放。隨后出現(xiàn)了其他類似的模型，包括本文中使用的韓國數(shù)據(jù)庫“Visible Korean Human”及中國數(shù)據(jù)庫“Chinese Visible Human”等。這些數(shù)據(jù)庫模型中包含的大量數(shù)據(jù)標本，很好地滿足了解剖學教學的需求。解剖學是需要長期學習、不斷積累的，尤其是頭頸部解剖，其結(jié)構(gòu)復雜、孔隙多、交通廣泛，血管和神經(jīng)支配亦錯綜復雜，入門掌握的難度很大。而增強現(xiàn)實技術(shù)通過三維可視化使復雜的解剖結(jié)構(gòu)學習不再單純依賴學生的空間想象，且大大增強了學習的樂趣，成為一種較好的學習工具。除了基礎(chǔ)的解剖學教學，增強現(xiàn)實技術(shù)的應用甚至能做到以4D的形式（在空間和時間維度上）展示器官發(fā)育的變化[6]。一些可穿戴的增強現(xiàn)實硬件設(shè)備，如谷歌眼鏡、愛普生智能眼鏡及更為先進的微軟Hololens可以將虛擬形成的3D圖像投影到真實環(huán)境上的眼鏡。這些設(shè)備將眼鏡與跟蹤相機和傳感器系統(tǒng)結(jié)合在一起，通過相機捕獲現(xiàn)實世界圖像，可以獲得更好的沉浸感和交互感。但其缺點也顯而易見，即成本高昂。而本文中用平板電腦作為增強現(xiàn)實應用的硬件載體，具有更好的普適性。

隨著虛擬仿真和增強現(xiàn)實技術(shù)的高速發(fā)展以及其結(jié)合產(chǎn)生的混合現(xiàn)實的應運而生，未來除視覺、觸覺外，亦可能整合嗅覺刺激，將氣味用作模擬醫(yī)學診斷工具，甚至可以更真實地再現(xiàn)壓力條件（例如在戰(zhàn)場中或在手術(shù)室中）。同時，醫(yī)學信息學也在不斷發(fā)展，醫(yī)療數(shù)據(jù)將有更高的分辨率，盡管VR/AR技術(shù)已經(jīng)取得了重大發(fā)展，但是仍然需要更快的處理速度、更高的分辨率、更好的方案設(shè)計以及更先進的觸覺設(shè)備，以實現(xiàn)更高的還原度[7]。

3.2 增強現(xiàn)實技術(shù)提升口腔醫(yī)學教學效果的評價

在評價教學效果方面，筆者選用了隨堂測驗結(jié)合學生成績測評的方法，從結(jié)果可知，結(jié)合增強現(xiàn)實教學的實驗組學生掌握情況和自我評價均優(yōu)于對照組使用傳統(tǒng)解剖圖譜的學習效果（P＜0.05）。此處選擇的教學階段為解剖學的入門階段，其反映出的結(jié)果未必能全面反映整個學習階段。有學者研究VR/AR仿真系統(tǒng)對某特定技能學習效果的有效性，其評價體系中盡量納入學習的整個階段，通過技能習得的水平與付出的努力程度（學習時間、頻次）繪制學習曲線。通常，如果期望學習曲線具有較高的平穩(wěn)性，就意味著用這種方法獲得技能的最終水平很高，初期曲線上升陡峭的話則意味著提高技能的難度較低。在VR/AR模擬器中學習的受訓者，其學習曲線表現(xiàn)為初期陡峭，后期則較平穩(wěn)地維持在相對低的高度，這意味著受訓者能很快地掌握技能，但是單純依靠VR/AR很難達到較高的水平[8]。筆者設(shè)計的學習場景很大程度上歸于新手的入門期，所以取得了較好的結(jié)果。而后期要更好地掌握，則需要轉(zhuǎn)移到其他的教育環(huán)境中，即回歸到尸體解剖的實操訓練和臨床見習、實習中[9]。當然，這種情況會在增強現(xiàn)實技術(shù)更進一步發(fā)展后有所改善。