馬 賽 殷 琦 王 富 高 婧 方 明 張 凌 董 巖 田 敏 牛麗娜
口腔醫(yī)學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科。合格的口腔醫(yī)生不但要有扎實(shí)的理論知識(shí)基礎(chǔ)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐R床思辨能力,還要具有高水平的精細(xì)操作能力[1]。精細(xì)操作能力的培養(yǎng)依賴于長(zhǎng)期、大量、反復(fù)的訓(xùn)練[2]。然而,多數(shù)口腔治療操作屬于有創(chuàng)的、不可逆的操作,難以在患者口內(nèi)直接進(jìn)行訓(xùn)練。過(guò)去,口腔醫(yī)學(xué)臨床前實(shí)踐教學(xué)中,學(xué)生主要通過(guò)觀察和模擬教師的操作,在模型或離體牙上進(jìn)行練習(xí)。但是,這種訓(xùn)練方式與臨床實(shí)際存在巨大差距,學(xué)生無(wú)法真實(shí)感受到患者體位、口腔內(nèi)狹小空間及臨近軟硬組織對(duì)實(shí)際操作的影響,難以幫助學(xué)生順利完成臨床前訓(xùn)練與臨床實(shí)習(xí)之間的過(guò)渡[3]。
口腔仿真實(shí)踐訓(xùn)練系統(tǒng)是能夠模擬臨床實(shí)際操作環(huán)境,進(jìn)而輔助臨床前操作訓(xùn)練的專業(yè)教學(xué)工具。利用口腔仿真訓(xùn)練系統(tǒng),學(xué)生可以在臨床實(shí)習(xí)前通過(guò)大量訓(xùn)練掌握常用基本操作技能,如醫(yī)患體位調(diào)節(jié)、支點(diǎn)選擇、口鏡牽拉和反射、組織保護(hù)、牙體預(yù)備等,實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)與臨床操作間的平滑過(guò)渡[4]。下面就口腔仿真系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。
近年來(lái)在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展及數(shù)字化趨勢(shì)的推動(dòng)下,以虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化口腔模擬器在口腔實(shí)踐訓(xùn)練中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展[5]。VR技術(shù)最早于20世紀(jì)80年代由美國(guó)人Jaron Lanier提出,它集人工智能、計(jì)算機(jī)圖形、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等為一體,通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出用戶可以沉浸并感知的三維虛擬世界,是當(dāng)前科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
1.1 數(shù)字化口腔模擬器的發(fā)展歷程(圖1)
圖1 口腔醫(yī)學(xué)教育史中數(shù)字化口腔模擬器的發(fā)展與應(yīng)用歷程
VR在口腔實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用最早可以追溯于2000年前后[6,7]。早期的VR訓(xùn)練系統(tǒng)中,學(xué)生可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)控制計(jì)算機(jī)中的虛擬高速手機(jī),在虛擬牙齒上完成窩洞預(yù)備的訓(xùn)練。雖然此類(lèi)虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)與臨床實(shí)際存在較大差距,但它對(duì)硬件沒(méi)有特殊要求,因此可以實(shí)現(xiàn)線上開(kāi)放共享,學(xué)生可遠(yuǎn)程自主學(xué)習(xí),不受上課時(shí)間及場(chǎng)地限制,具有一定的優(yōu)勢(shì)[8]。
受到航天領(lǐng)域虛擬仿真訓(xùn)練的啟發(fā),學(xué)者們?cè)赩R口腔模擬器中加入了觸覺(jué)傳感功能,學(xué)生可以利用操縱桿模擬口腔器械進(jìn)行操作,同時(shí)得到觸覺(jué)反饋,獲得接近真實(shí)的模擬仿真訓(xùn)練[9]。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展,現(xiàn)代數(shù)字化口腔模擬器在結(jié)合觸覺(jué)傳感的基礎(chǔ)上還增加了實(shí)時(shí)反饋功能、操作支點(diǎn)及腳踏板組件,形成了帶有力學(xué)-視覺(jué)-聽(tīng)覺(jué)多元反饋的綜合手部技能訓(xùn)練系統(tǒng)[10],為口腔醫(yī)學(xué)生精細(xì)操作能力訓(xùn)練提供了全新的途徑[11]。
口腔虛擬患者是利用三維掃描及其他捕獲技術(shù)獲取患者多源圖像或數(shù)據(jù),如顏面部軟組織圖像、牙列圖像、骨組織或軟組織圖像以及下頜運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)等,構(gòu)建的口腔復(fù)合虛擬圖像[12]。近年來(lái),虛擬患者在口腔臨床及教學(xué)中的應(yīng)用獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院與北京航空航天大學(xué)合作,以個(gè)性化虛擬患者為基礎(chǔ)三維圖像,將混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Mixed Reality,MR)與觸覺(jué)傳感技術(shù)相結(jié)合,在實(shí)體頭顱模型中構(gòu)建了虛擬的口腔環(huán)境(包括軟組織、硬組織)及器械。與傳統(tǒng)數(shù)字化口腔模擬器相比,這種新型模擬器(UniDental)結(jié)合了實(shí)體頭顱模型,因此在訓(xùn)練中學(xué)生可以通過(guò)調(diào)節(jié)自己的體位改變操作視角,具有更貼近臨床的仿真效果[13]。
雖然目前大部分?jǐn)?shù)字化口腔模擬器主要用于牙體硬組織磨切訓(xùn)練,但其在種植、拔牙、頜面外科手術(shù)、牙周治療以及正畸治療等方面的應(yīng)用也逐漸得到關(guān)注。例如,在種植操作訓(xùn)練方面,我國(guó)學(xué)者周勇、陳江將真實(shí)患者的CT數(shù)據(jù)和外科手術(shù)工具相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件,結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器,自主研發(fā)了基于VR技術(shù)的種植培訓(xùn)系統(tǒng)。但是目前該培訓(xùn)系統(tǒng)僅能用于有限種植流程的培訓(xùn)且缺乏觸覺(jué)反饋功能,因此仍需進(jìn)一步優(yōu)化[14]。除此以外,北京航空航天大學(xué)與四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院學(xué)者進(jìn)行合作,初步研發(fā)了能夠全流程模擬種植窩洞預(yù)備的基于觸覺(jué)反饋的模擬器,進(jìn)一步提高了數(shù)字化口腔模擬器在種植手術(shù)操作培訓(xùn)中的仿真效果[15]。在正畸教學(xué)領(lǐng)域,數(shù)字化模擬器的應(yīng)用還處于起步階段。目前,我國(guó)學(xué)者已經(jīng)嘗試構(gòu)建了具有觸覺(jué)反饋功能的用于托槽粘接訓(xùn)練的模擬仿真系統(tǒng),但其在教學(xué)中的應(yīng)用效果仍有待證實(shí)[16]。
1.2 常見(jiàn)數(shù)字化口腔模擬器的應(yīng)用場(chǎng)景和特點(diǎn)(表1)
表1 常見(jiàn)基于觸覺(jué)反應(yīng)的數(shù)字化口腔模擬器及其特點(diǎn)
以由美國(guó)Moog公司與荷蘭阿姆斯特丹牙科學(xué)術(shù)中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基于觸覺(jué)反饋系統(tǒng)的Simodont為代表的數(shù)字化口腔模擬器可以提供高保真虛擬仿真訓(xùn)練,為牙體預(yù)備以及手持器械模擬操作提供逼真的力學(xué)反饋,同時(shí)可以進(jìn)行左右手渦輪機(jī)磨切和口鏡下的操作練習(xí),并通過(guò)高性能圖像與音效合成提供逼真的練習(xí)體驗(yàn)[17]。該系統(tǒng)的“手部靈巧度訓(xùn)練”模塊設(shè)計(jì)了由易到難的數(shù)種不同的目標(biāo)形狀,學(xué)生可以通過(guò)這一模塊訓(xùn)練手部靈巧度、手眼協(xié)調(diào)力、三維空間評(píng)估、操作支點(diǎn)選擇、口鏡使用、鏡像操作、車(chē)針選擇等能力。該系統(tǒng)還可以進(jìn)行去齲備洞、開(kāi)髓、全冠預(yù)備和固定橋預(yù)備的操作訓(xùn)練,幫助學(xué)生掌握基本操作步驟和方法,同時(shí)加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)和治療原則的認(rèn)識(shí)和理解。牙體預(yù)備訓(xùn)練結(jié)束后,系統(tǒng)可以將學(xué)生的預(yù)備結(jié)果與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照,從而給予客觀量化評(píng)價(jià),幫助學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并糾正。除此以外,該訓(xùn)練系統(tǒng)中還包含了不同病例,學(xué)生需要先閱讀病史并結(jié)合口腔檢查和輔助檢查結(jié)果做出診斷,制定出正確的治療計(jì)劃,隨后才能選擇合適的治療器械進(jìn)行模擬操作,可輔助培養(yǎng)學(xué)生的臨床思維,提升綜合能力。教師還可以通過(guò)掃描臨床真實(shí)病例資料創(chuàng)建定制化的模擬病例,對(duì)系統(tǒng)自帶病例庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)充。目前,開(kāi)發(fā)者還在嘗試在該系統(tǒng)中加入牙周和牙髓治療相關(guān)訓(xùn)練模塊,進(jìn)一步擴(kuò)大模擬訓(xùn)練的范圍。
由伊利諾伊大學(xué)研發(fā)的PerioSim系統(tǒng)可用于牙周探診、牙石探查和牙周潔治等牙周治療相關(guān)訓(xùn)練。Steinburg AD等人的研究證實(shí)PerioSim系統(tǒng)可有效提高學(xué)生的牙周探針和刮治等基本技能水平[18]。
iDental是由北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院與北京航空航天大學(xué)合作研發(fā)的首款國(guó)產(chǎn)基于力學(xué)反饋傳感器的口腔模擬器。目前,產(chǎn)品化的iDental訓(xùn)練系統(tǒng)主要用于牙周探診、齦上潔治、齦下刮治等牙周治療的培訓(xùn)[19]。通過(guò)iDental訓(xùn)練,受訓(xùn)者能掌握牙周操作所需要的力量、方向、幅度、角度和運(yùn)動(dòng)軌跡等精細(xì)動(dòng)作技能。另外,此系統(tǒng)能實(shí)時(shí)記錄受訓(xùn)者操作過(guò)程的數(shù)據(jù),進(jìn)而支持通過(guò)回放和分析進(jìn)行量化評(píng)價(jià)和考核,調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。當(dāng)前,iDental在去齲、窩洞制備、全冠預(yù)備等方面的應(yīng)用仍在研發(fā)中[20,21]。
VirTeaSy是由法國(guó)學(xué)者研發(fā)的口模擬訓(xùn)練系統(tǒng),除了能用于常規(guī)備洞和充填模擬訓(xùn)練外[22,23],該系統(tǒng)還具有VirTeaSy Scan Implant 種植手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)和VirTeaSy Implant Pro種植手術(shù)模擬系統(tǒng),可用于種植模擬訓(xùn)練[24]。VirTeaSy Scan Implant可訓(xùn)練學(xué)生根據(jù)放射影像合理選擇種植體(形狀、直徑、長(zhǎng)度)并規(guī)劃種植位點(diǎn)(位置、方向和深度)。VirTeaSy Implant Pro則可模擬種植手術(shù)過(guò)程,訓(xùn)練學(xué)生的種植操作技能。當(dāng)學(xué)生在種植備洞中出現(xiàn)位置、角度和深度錯(cuò)誤,或因操作不當(dāng)導(dǎo)致備洞區(qū)域牙槽骨溫度過(guò)高時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒。另外,該系統(tǒng)還可以通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)顯示學(xué)生的操作過(guò)程,利于教師觀察并實(shí)時(shí)給予指導(dǎo)。
Voxel-Man系統(tǒng)是主要用于根尖外科手術(shù)的仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[25]。該系統(tǒng)提供基礎(chǔ)、進(jìn)階和考試三種應(yīng)用模式?;A(chǔ)模式中,病變區(qū)域和周?chē)P(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)(如下頜神經(jīng)管)被用鮮艷的顏色標(biāo)記出來(lái),可以幫助學(xué)生記憶和理解術(shù)區(qū)的解剖特征。當(dāng)手術(shù)器械與重要解剖結(jié)構(gòu)距離過(guò)近時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)給予提醒。
1.3 數(shù)字化口腔模擬器的優(yōu)缺點(diǎn)相比于傳統(tǒng)頭顱模型訓(xùn)練系統(tǒng),數(shù)字化口腔模擬器完全依賴虛擬仿真技術(shù),在以下三個(gè)方面具有一定優(yōu)勢(shì)[26]。第一,無(wú)耗材問(wèn)題,可進(jìn)行無(wú)限次訓(xùn)練而不增加額外成本,有利于學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)能力,通過(guò)合理反復(fù)訓(xùn)練提高操作能力。第二,操作結(jié)束后能針對(duì)操作結(jié)果給予客觀反饋,幫助學(xué)生反思操作中的錯(cuò)誤并在后續(xù)訓(xùn)練中進(jìn)行修正,有助于學(xué)生自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練。第三,無(wú)需實(shí)體渦輪機(jī)等器械,不會(huì)產(chǎn)生氣溶膠,降低相關(guān)傳染性疾病傳播風(fēng)險(xiǎn),也可避免渦輪機(jī)操作不當(dāng)帶來(lái)的危險(xiǎn),方便學(xué)生自主安全完成訓(xùn)練[27]。
目前的數(shù)字化口腔模擬器主要存在以下不足[28]。首先,初始安裝成本較高,且每一種系統(tǒng)的軟件功能有限,僅能用于少數(shù)特定口腔操作的訓(xùn)練;其次,訓(xùn)練在操作臺(tái)進(jìn)行,難以還原口腔內(nèi)外的真實(shí)場(chǎng)景,且牙體硬組織切割手感與真實(shí)情況有一定差距,仿真程度有限;第三,訓(xùn)練結(jié)果的評(píng)價(jià)僅關(guān)注最終作品的外形、尺寸,無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)學(xué)生操作過(guò)程中的問(wèn)題,如姿勢(shì)問(wèn)題、支點(diǎn)問(wèn)題、車(chē)針?lè)较騿?wèn)題等給予指導(dǎo)。因此許多學(xué)者認(rèn)為,全數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)目前仍不能完全取代傳統(tǒng)的頭顱模型仿真訓(xùn)練模式,只能作為輔助手段,與傳統(tǒng)實(shí)踐訓(xùn)練相結(jié)合才能最大的發(fā)揮優(yōu)勢(shì)[29]。
最早的頭顱模型由法國(guó)醫(yī)生Oswald Fergus在1894年發(fā)明,由一根金屬支架、兩個(gè)銅制上下頜支架和上下頜牙列模型構(gòu)成(圖2)[30]。從此以后,頭顱模型不斷被改進(jìn),直至今日依然是口腔醫(yī)學(xué)實(shí)踐教學(xué)中不可或缺的工具。
圖2 口腔實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域第一個(gè)頭顱模型
傳統(tǒng)仿真頭顱模型雖然具有較高的仿真性,但也具有很多缺點(diǎn)。第一,學(xué)生訓(xùn)練效果的評(píng)價(jià)依賴于教師的主觀判斷,缺乏客觀性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性;第二,對(duì)實(shí)習(xí)模型和人工牙的磨切為不可逆操作,且手機(jī)等設(shè)備需不斷維護(hù),反復(fù)訓(xùn)練成本較高[31]。第三,仿真度有待進(jìn)一步提高,例如模型牙不能完全模擬牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)的硬度、強(qiáng)度等機(jī)械性能指標(biāo),其磨切手感與臨床實(shí)際仍有一定差距;頭顱模型的橡膠面罩與人體臉頰質(zhì)感、活動(dòng)度不同;缺少舌頭及口底組織,難以模擬實(shí)際臨床患者舌頭和口底組織對(duì)治療的干擾。
在數(shù)字化技術(shù)的推動(dòng)下,學(xué)者們將傳統(tǒng)頭顱模型與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合,形成了由電腦、追蹤系統(tǒng)和仿真頭模系統(tǒng)三部分組成的、虛實(shí)結(jié)合的交互式仿真頭顱模型訓(xùn)練系統(tǒng)。所謂“虛”,指此類(lèi)系統(tǒng)可通過(guò)虛擬技術(shù)實(shí)時(shí)追蹤并成像;所謂“實(shí)”,指其像傳統(tǒng)仿真頭模一樣,可在仿真牙列的人工牙上進(jìn)行各種口腔實(shí)踐訓(xùn)練[32,33]。例如,我國(guó)自主研發(fā)并商品化的迪凱爾艾知星口腔技能訓(xùn)練及實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng),在訓(xùn)練過(guò)程中能夠通過(guò)文字與動(dòng)畫(huà)一步一步引導(dǎo)學(xué)生在頭顱模型上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化練習(xí),同時(shí)實(shí)時(shí)顯示牙列及手機(jī)的虛擬圖像;訓(xùn)練結(jié)束后,系統(tǒng)會(huì)對(duì)預(yù)備過(guò)程與結(jié)果進(jìn)行客觀評(píng)估[34]。
交互式仿真頭顱模型兼具了傳統(tǒng)仿真頭顱模型和數(shù)字化口腔模擬器的優(yōu)點(diǎn),在口腔實(shí)踐訓(xùn)練中具有以下優(yōu)勢(shì)[35]。第一,高度模擬臨床操作的實(shí)際過(guò)程,學(xué)生在將“患者”調(diào)節(jié)到合適位置后,在正確的體位下,通過(guò)口鏡的輔助,利用高速渦輪機(jī)和車(chē)針對(duì)模型牙齒進(jìn)行磨切。通過(guò)訓(xùn)練,學(xué)生不但能掌握牙體預(yù)備的步驟、方法,還能學(xué)會(huì)正確的治療姿勢(shì)、體位、支點(diǎn)選擇和高速手機(jī)與車(chē)針的使用。第二,虛擬仿真技術(shù)的融合使得學(xué)生的預(yù)備過(guò)程的三維虛擬模型能夠?qū)崟r(shí)顯示在電腦屏幕上,方便學(xué)生實(shí)時(shí)對(duì)照理想預(yù)備體外形發(fā)現(xiàn)自身操作中的問(wèn)題,也方便教師及時(shí)給予指導(dǎo)和幫助。操作結(jié)束后,系統(tǒng)能通過(guò)數(shù)字建模顯示預(yù)備體的不同剖面,幫助學(xué)生從不同剖面評(píng)估預(yù)備結(jié)果。同時(shí),系統(tǒng)還可以對(duì)學(xué)生的操作過(guò)程和操作結(jié)果(預(yù)備量、預(yù)備外形、肩臺(tái)位置與外形)給予綜合客觀評(píng)估,幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到自身的不足與優(yōu)勢(shì),并在后續(xù)訓(xùn)練中重點(diǎn)改善,同時(shí)幫助教師了解學(xué)生操作的共性和個(gè)性問(wèn)題,進(jìn)而目的明確地給予重點(diǎn)講解和個(gè)別輔導(dǎo)。
目前交互式仿真頭顱模型的缺點(diǎn)主要在于初始投入成本及后續(xù)維護(hù)與耗材成本較大,在經(jīng)費(fèi)有限的情況下,不允許學(xué)生通過(guò)大量、反復(fù)練習(xí)提高操作水平。
伴隨著信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合工作的推進(jìn),我國(guó)各項(xiàng)口腔醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)入快車(chē)道,各種新型智慧實(shí)踐教學(xué)手段不斷涌現(xiàn)并完善。但是,傳統(tǒng)頭顱模型仿真系統(tǒng)與現(xiàn)代虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)。如何將現(xiàn)有智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段合理融入到口腔醫(yī)學(xué)教學(xué)體系中,最大程度發(fā)揮不同教學(xué)工具的優(yōu)勢(shì),是口腔教學(xué)工作人員必須深入思考的關(guān)鍵問(wèn)題[36-38]。例如,從口腔醫(yī)學(xué)生成長(zhǎng)的系統(tǒng)規(guī)劃方面考慮,可以利用數(shù)字化口腔模擬器可大量反復(fù)訓(xùn)練的優(yōu)勢(shì),通過(guò)基本形狀窩洞預(yù)備模塊,對(duì)一、二年級(jí)未進(jìn)入口腔專業(yè)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生進(jìn)行雙手協(xié)調(diào)性、手腳協(xié)調(diào)性、神經(jīng)肌肉控制能力、手部靈巧度和鏡像操作能力的鍛煉;對(duì)三年級(jí)開(kāi)始口腔基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生,可以利用數(shù)字化口腔模擬器進(jìn)行窩洞制備、全冠預(yù)備等訓(xùn)練,幫助學(xué)生對(duì)相關(guān)臨床操作獲得直觀認(rèn)識(shí);對(duì)于四年級(jí)開(kāi)始口腔臨床專業(yè)課的學(xué)生,則可以利用傳統(tǒng)仿真頭顱模型或交互式仿真頭顱模型,在更接近臨床實(shí)際的情況下進(jìn)行基本操作技能的訓(xùn)練。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,各種智慧教學(xué)手段的出現(xiàn)為口腔仿真模擬實(shí)踐教學(xué)提供了新的選擇。然而,目前虛擬仿真等智慧教學(xué)工具只能作為輔助手段,而無(wú)法完全取代傳統(tǒng)依賴頭顱模型的實(shí)踐教學(xué)方式。教學(xué)工作人員需要通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方式,將傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)手段與虛擬教學(xué)手段有機(jī)融合,將多平臺(tái)、多技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用,形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的教學(xué)新模式,才能最大程度拓展教學(xué)資源、提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。