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[摘要]虛擬仿真技術正在成為現(xiàn)代教育的重要組成部分。虛擬仿真因其直觀、可操作、不受時空限制、安全性等優(yōu)勢,被視為口腔醫(yī)學教育的一種先進輔助手段。該技術可在臨床前教育中提高口腔醫(yī)學生的精細運動技能、手眼協(xié)調能力,使他們能夠在安全的環(huán)境中完善理論知識與技能操作。目前已有大量研究探索了虛擬仿真技術在口腔醫(yī)學教育中的應用,進行了有效性分析。本文主要綜述虛擬仿真技術目前在口腔醫(yī)學各個學科教育中應用的研究進展,分析目前研究存在的不足,給口腔醫(yī)學教育改革提供有益參考。

[關鍵詞]虛擬仿真;口腔醫(yī)學;教育

虛擬仿真(virtualreality,VR),也稱虛擬現(xiàn)實,是指利用計算機將虛擬組件融入現(xiàn)實生活,或通過創(chuàng)建令使用者沉浸其中的虛擬場景,進而提供視、聽、觸等感官刺激,并以此實現(xiàn)仿真的人機交互[1]。在教育領域,虛擬仿真技術的影響力日益擴大,在醫(yī)療培訓、航空飛行模擬培訓、駕駛模擬培訓以及醫(yī)療緊急情況培訓等領域卓有成效[2]。在醫(yī)療衛(wèi)生領域,虛擬仿真技術越來越多用于臨床前培訓、技能評估與手術輔助。但目前,國內口腔醫(yī)學教育仍以傳統(tǒng)模型與頭模系統(tǒng)為主,這種傳統(tǒng)模式對于學生理論知識與技能操作掌握的幫助有很多不足。虛擬仿真技術能夠克服傳統(tǒng)教學模式的各種局限,提供模擬現(xiàn)實的學習體驗,目前,越來越多的教育工作者開始探索將虛擬仿真技術應用于口腔醫(yī)學教育,國內高校開始建立虛擬仿真實驗教學中心,以便更好地提升教學質量與效率[3]。

1虛擬仿真應用于口腔醫(yī)學教育的優(yōu)勢

目前國內外高校在口腔教育領域廣泛使用頭模系統(tǒng),這種傳統(tǒng)的教學方法因其抽象性和時空局限性,不利于學生理解理論知識、培養(yǎng)臨床實踐技能和臨床思維。虛擬仿真技術因其技術特性,一定程度上克服了這些不足。首先,虛擬仿真系統(tǒng)通過計算機創(chuàng)建的虛擬實境,可以再現(xiàn)傳統(tǒng)教學模式中難以向學生展現(xiàn)的復雜抽象解剖結構與疾病發(fā)展過程。其次,虛擬仿真技術可操作性較強,一個完整的虛擬仿真系統(tǒng)除具備模型、手機和馬達等硬件設施,還在軟件層面實現(xiàn)了對系統(tǒng)中各種儀器的統(tǒng)籌協(xié)作,能夠進行準確的實時跟蹤反饋。目前,虛擬仿真可以提供多種操作課程供學生學習,包括齲損去除、牙體預備、阻滯麻醉等[1,4,5]。第三,虛擬仿真系統(tǒng)避免了學生操作技能不熟練時臨床實習的不安全性。Ziv等[6]證明在傳統(tǒng)口腔醫(yī)學教育項目中適當使用虛擬仿真可以更好地提升學生的臨床操作技能,同時避免傷害患者,減少了臨床實習不必要的醫(yī)患矛盾,有利于學生自信心的建立[7]。第四,虛擬仿真技術擺脫了傳統(tǒng)教學模式對于教師的依賴性,打破了時空局限,對于培養(yǎng)學生的學習積極性、自主性有著重要意義。Iwanaga等[8]分享在三維虛擬空間中遠程在線講授外科手術及相關解剖學的經驗,并將其與傳統(tǒng)的教學方法(即面對面課堂和在線課堂)進行比較,在新冠疫情可能長期存在的背景下,為遠程教學提供了創(chuàng)新性的解決方案。

2虛擬仿真在口腔醫(yī)學教育中的應用

得益于虛擬仿真技術在口腔教育領域的種種優(yōu)勢,國內外已有許多團隊開展了將虛擬仿真技術應用于口腔醫(yī)學教育的項目[9,10],獲得了認可與好評,客觀上也證明了該方向的廣闊前景。目前口腔醫(yī)學各個科目教學中虛擬仿真技術都有了一定的應用,現(xiàn)分述之。

2.1口腔解剖生理學

對于牙齒解剖形態(tài)與口腔頜面部軟硬組織解剖的理解是口腔醫(yī)學的基礎。目前,口腔解剖生理課程主要采用二維圖像材料進行教學。天然牙體積小,解剖結構精細,僅用二維圖像很難對不同軸面的解剖結構進行標識,虛擬仿真技術可以利用虛擬現(xiàn)實環(huán)境,呈現(xiàn)牙齒形態(tài)或解剖結構的三維空間圖像,借助軟件“放大與縮小”、“旋轉與移動”等功能,方便對于牙齒細微的解剖標志進行查看[11]。三維空間的教學效果已被證實優(yōu)于二維平面的教學[12]。Reymus等[13]研究了虛擬仿真技術在牙齒根管形態(tài)教學中的應用,其團隊比較了3D打印模型與根尖周X線片、根管系統(tǒng)CBCT重建影像、虛擬仿真學習根管系統(tǒng)的教學效果。結果顯示,學生們通過CBCT重建影像與虛擬現(xiàn)實學習的效果要優(yōu)于通過3D打印模型和二維X線片學習的效果,虛擬現(xiàn)實場景下對牙齒解剖學特征的識別和根管結構的理解更深刻,此研究展示了虛擬仿真技術應用于口腔解剖學教學的積極效果。

2.2牙體牙髓病學

牙體牙髓病學是一門實踐內容較多的專業(yè),涉及備洞、開髓、根管預備等操作?？谇会t(yī)學生只有掌握各種操作技巧,才能有效安全地對患者進行椅旁治療。目前在牙體牙髓病學教學中,塑料牙的使用非常廣泛,但其解剖結構的單一限制了學生對于復雜根管系統(tǒng)的認知,這種認知對于根管治療的訓練至關重要[14,15]。另外,離體牙由于衛(wèi)生與倫理問題,其使用也受到限制。虛擬仿真技術可以利用牙齒的CT掃描數據生成虛擬牙齒模型,作為虛擬的訓練牙提供了多樣化的根管解剖結構,彌補了傳統(tǒng)塑料牙根管大小、形狀、位置單一的不足。根管治療中,確定根管預備質量至關重要,傳統(tǒng)教學過程中通過主觀性強的目測進行根管預備的評估,Yin等[14]首次嘗試開發(fā)了一種基于虛擬仿真技術的自動評分系統(tǒng),該系統(tǒng)通過與5名牙髓專家的評分進行比較,結果顯示系統(tǒng)的評估結果與專家評估結果高度一致,這提示基于虛擬仿真技術的技能評估在牙體牙髓病學培訓中的應用充滿前景。

2.3口腔修復學

牙體預備是口腔修復學重要的操作內容,關于牙齒硬度的觸覺反饋在臨床醫(yī)生實際操作過程中至關重要,但目前廣泛用于口腔修復學臨床前培訓的塑料牙在硬度上無法與真實牙齒相比擬。Dixon等[16]證明通過牙科模擬器來模擬牙體預備過程中的觸覺反饋是有效的。已有眾多研究將虛擬仿真技術應用于口腔修復學的牙體預備教學過程中[2,17],通過各類型虛擬仿真牙醫(yī)培訓系統(tǒng)模擬對虛擬患者進行診斷和診療規(guī)劃,以及模擬牙體預備過程中口鏡反射、車針更換、高速手機的控制、醫(yī)師與患者的體位調節(jié)。得益于虛擬仿真技術提供的高分辨率的視像、逼真的觸覺和音效體驗,學生能夠在虛擬實境中進行學習,改善其學習體驗,激發(fā)學生自主學習能力。抽象概念如何形象理解是口腔修復教學過程的另一個難題,得益于數字化技術在口腔修復領域的應用,通過數字化印模技術及模型掃描技術,臨床上的任何信息均可轉移到虛擬仿真系統(tǒng)當中,各種修復體的制作流程可以得到具體形象的記錄,這些具有專業(yè)水準的素材來源可以作為臨床前教學的資料庫[18]。

2.4口腔種植學

隨著口腔種植技術的發(fā)展與臨床口腔種植需求的增加,越來越多的醫(yī)學院校將口腔種植課程納入本科教育[19]。目前國內本科階段口腔種植學課程主要依靠課堂理論講解,學生缺少動手機會[20,21]。Kusumoto等[22]采用了一種新型的種植手術模擬系統(tǒng),該系統(tǒng)包括觸覺反饋系統(tǒng)和下頜骨三維CT圖像,反饋系統(tǒng)模擬了種植手術過程中骨鉆孔的震動與手機的聲音,通過觸覺反饋裝置將一個圓柱形種植體模型植入到頜骨的三維圖像中來對種植體植入的全過程進行模擬。Zhang等[21]將虛擬仿真系統(tǒng)與頜骨模型相結合用于下頜種植手術教學,結果顯示使用虛擬仿真技術,尤其是結合下頜模型學習的學生表現(xiàn)出了更優(yōu)秀的理論成績與操作水平。虛擬仿真技術在操作過程中雖然可以提供畫面構建和觸覺反饋,但其在視覺、聽覺、觸覺方面的模擬程度仍有待加強,配合傳統(tǒng)模型的虛擬仿真系統(tǒng)有可能彌補此不足。

2.5牙周病學

牙周病學診療過程中口腔醫(yī)生會依靠觸覺來進行診斷和外科手術,目前國內口腔院校主要通過教師的模型演示來進行牙周手術教學。相較于其他學科,用于牙周探診及治療操作的模擬器要兼顧軟硬組織的狀況,增加了模擬器開發(fā)的難度。伊利諾斯大學芝加哥分校開發(fā)了一款專門用于牙周病學操作訓練與評估的牙科模擬器,通過觸覺模擬器觸摸牙齒、牙齦和結石表面,模擬真實的觸感[23]。Steinberg等[24]研究證實,基于觸覺的牙周模擬器能夠提供足夠的真實感,可以作為牙周病治療的教學工具。Luciano等[23]將虛擬現(xiàn)實牙科模擬器用于牙周病學的教學,學生通過在牙齒表面移動VR儀器,在牙根表面感受牙齦邊緣與牙周袋的觸覺,通過觸覺反饋區(qū)分不同區(qū)域的質感,并定位齦下結石的區(qū)域,從而加深對牙周疾病的認識和感知。

2.6口腔頜面外科學

在我國,口腔頜面外科專培的進展較其他?？苹騺唽？频呐嘤柭月?經驗上也相對欠缺,培訓制度尚未健全,這促使我們加快專培工作的開展[25]。外科住院醫(yī)師在做手術前除了要掌握外科操作、解剖學和外科器械的基本知識外,還應進行超額學習,預演手術過程。因此,有必要使用新的技術改革目前的口腔外科教育,虛擬仿真技術也許會是一個選擇。Zaragoza-Siqueiros等[26]報道了一種面向正頜手術(OGS)規(guī)劃的虛擬仿真集成系統(tǒng),允許臨床醫(yī)生使用專有的虛擬治療計劃軟件來進行手術規(guī)劃,幫助學生了解正頜外科手術的診斷和治療過程。Sakowitz等[27]在正頜外科教學中引入虛擬仿真患者模型,通過虛擬患者讓學生探索正頜手術病例的診斷和治療計劃,同時將他們置于一個基于行動和互動的學習環(huán)境,允許其在三維空間平面對虛擬患者的上下頜進行操作,模擬多種頜骨手術,如雙側矢狀劈裂截骨術(BSSO)、一段或兩段LeFrtoⅠ截骨術。將基于觸覺反饋的虛擬仿真系統(tǒng)應用于口腔頜面外科教學,還可進行傳統(tǒng)教學模式難以形象展示的其他手術,如拔牙、阻滯麻醉、膿腫切開等[26,28]。

3虛擬仿真技術在口腔醫(yī)學教育應用的不足

目前,虛擬仿真技術應用于口腔醫(yī)學教育的研究仍存在局限性,如研究時間過短,無法完全預測各種教學方法的長期效果等。虛擬仿真技術的一個優(yōu)勢是能提供臨床情景下的真實反饋,多數研究表明,同步反饋可以減少學生在學習中的記憶需求,使學員的注意力集中于技能操作,從而提高其運動技能的精度。然而,部分研究表明,在操作技能的學習過程中提供的不恰當反饋會使學生對此產生依賴[29],而虛擬仿真技術在教學過程中存在提供不恰當反饋的風險[5,30],這些可能的不當反饋是否會使學生產生依賴性,從而對于長期學習效果產生不良影響鮮有研究與討論。其次,臨床真實情況的復雜性使得虛擬仿真系統(tǒng)在教學情景中會與真實情況產生偏差,這種偏差來源于構建的虛擬情景精細程度不足和虛擬病例庫的缺乏,同時因其技術特點導致的操作信號的輸入與反饋信號傳出的點對點靶標模式也不能很好模擬臨床真實情景[31]。因此,對于虛擬仿真系統(tǒng)應用于口腔醫(yī)學教育長期效果的論證、虛擬情景分辨率的提高、虛擬病例庫的構建、與人工智能的結合是未來重要的研究方向。

4結語

虛擬仿真系統(tǒng)因其自身優(yōu)勢正在成為現(xiàn)代口腔醫(yī)學教育的重要組成部分。但是,目前的傳統(tǒng)教育模式仍無法被取代,關于虛擬仿真技術的特性還需充分了解,關于其長期效果的論證以及在模擬真實臨床情景的偏差仍需改進。隨著醫(yī)療衛(wèi)生與計算機信息技術的不斷發(fā)展,虛擬仿真技術會在口腔醫(yī)學教育中發(fā)揮更大的作用。

作者：王振慧 楊宏業(yè) 單位：武漢大學口腔醫(yī)學院 省部共建國家重點實驗室培育基地口腔生物醫(yī)學教育部重點實驗室 武漢大學口腔醫(yī)院修復科