淺談口腔虛擬仿真實操訓練系統的發展現狀*

馬 賽 殷 琦 王 富 高 婧 方 明 張 凌 董 巖 田 敏 牛麗娜

口腔醫學是一門實踐性極強的學科。合格的口腔醫生不但要有扎實的理論知識基礎和嚴謹的臨床思辨能力，還要具有高水平的精細操作能力[1]。精細操作能力的培養依賴于長期、大量、反復的訓練[2]。然而，多數口腔治療操作屬于有創的、不可逆的操作，難以在患者口內直接進行訓練。過去，口腔醫學臨床前實踐教學中，學生主要通過觀察和模擬教師的操作，在模型或離體牙上進行練習。但是，這種訓練方式與臨床實際存在巨大差距，學生無法真實感受到患者體位、口腔內狹小空間及臨近軟硬組織對實際操作的影響，難以幫助學生順利完成臨床前訓練與臨床實習之間的過渡[3]。

口腔仿真實踐訓練系統是能夠模擬臨床實際操作環境，進而輔助臨床前操作訓練的專業教學工具。利用口腔仿真訓練系統，學生可以在臨床實習前通過大量訓練掌握常用基本操作技能，如醫患體位調節、支點選擇、口鏡牽拉和反射、組織保護、牙體預備等，實現理論學習與臨床操作間的平滑過渡[4]。下面就口腔仿真系統的發展現狀進行綜述。

1.數字化口腔模擬器（Digital Dental Simulator）

近年來在計算機技術發展及數字化趨勢的推動下，以虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術為基礎的數字化口腔模擬器在口腔實踐訓練中的應用得到了快速發展[5]。VR技術最早于20世紀80年代由美國人Jaron Lanier提出，它集人工智能、計算機圖形、計算機仿真技術等為一體，通過計算機模擬出用戶可以沉浸并感知的三維虛擬世界，是當前科技領域的研究熱點。

1.1 數字化口腔模擬器的發展歷程（圖1）

圖1 口腔醫學教育史中數字化口腔模擬器的發展與應用歷程

VR在口腔實踐教學領域的應用最早可以追溯于2000年前后[6，7]。早期的VR訓練系統中，學生可以通過鼠標和鍵盤控制計算機中的虛擬高速手機，在虛擬牙齒上完成窩洞預備的訓練。雖然此類虛擬仿真訓練系統與臨床實際存在較大差距，但它對硬件沒有特殊要求，因此可以實現線上開放共享，學生可遠程自主學習，不受上課時間及場地限制，具有一定的優勢[8]。

受到航天領域虛擬仿真訓練的啟發，學者們在VR口腔模擬器中加入了觸覺傳感功能，學生可以利用操縱桿模擬口腔器械進行操作，同時得到觸覺反饋，獲得接近真實的模擬仿真訓練[9]。經過十幾年的發展，現代數字化口腔模擬器在結合觸覺傳感的基礎上還增加了實時反饋功能、操作支點及腳踏板組件，形成了帶有力學-視覺-聽覺多元反饋的綜合手部技能訓練系統[10]，為口腔醫學生精細操作能力訓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獲取患者多源圖像或數據，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動軌跡數據等，構建的口腔復合虛擬圖像[12]。近年來，虛擬患者在口腔臨床及教學中的應用獲得了越來越多的關注。北京大學口腔醫學院與北京航空航天大學合作，以個性化虛擬患者為基礎三維圖像，將混合現實技術（Mixed Reality，MR）與觸覺傳感技術相結合，在實體頭顱模型中構建了虛擬的口腔環境（包括軟組織、硬組織）及器械。與傳統數字化口腔模擬器相比，這種新型模擬器（UniDental）結合了實體頭顱模型，因此在訓練中學生可以通過調節自己的體位改變操作視角，具有更貼近臨床的仿真效果[13]。

雖然目前大部分數字化口腔模擬器主要用于牙體硬組織磨切訓練，但其在種植、拔牙、頜面外科手術、牙周治療以及正畸治療等方面的應用也逐漸得到關注。例如，在種植操作訓練方面，我國學者周勇、陳江將真實患者的CT數據和外科手術工具相關數據導入虛擬現實軟件，結合虛擬現實頭戴式顯示器，自主研發了基于VR技術的種植培訓系統。但是目前該培訓系統僅能用于有限種植流程的培訓且缺乏觸覺反饋功能，因此仍需進一步優化[14]。除此以外，北京航空航天大學與四川大學華西口腔醫學院學者進行合作，初步研發了能夠全流程模擬種植窩洞預備的基于觸覺反饋的模擬器，進一步提高了數字化口腔模擬器在種植手術操作培訓中的仿真效果[15]。在正畸教學領域，數字化模擬器的應用還處于起步階段。目前，我國學者已經嘗試構建了具有觸覺反饋功能的用于托槽粘接訓練的模擬仿真系統，但其在教學中的應用效果仍有待證實[16]。

1.2 常見數字化口腔模擬器的應用場景和特點（表1）

表1 常見基于觸覺反應的數字化口腔模擬器及其特點

以由美國Moog公司與荷蘭阿姆斯特丹牙科學術中心聯合開發的基于觸覺反饋系統的Simodont為代表的數字化口腔模擬器可以提供高保真虛擬仿真訓練，為牙體預備以及手持器械模擬操作提供逼真的力學反饋，同時可以進行左右手渦輪機磨切和口鏡下的操作練習，并通過高性能圖像與音效合成提供逼真的練習體驗[17]。該系統的“手部靈巧度訓練”模塊設計了由易到難的數種不同的目標形狀，學生可以通過這一模塊訓練手部靈巧度、手眼協調力、三維空間評估、操作支點選擇、口鏡使用、鏡像操作、車針選擇等能力。該系統還可以進行去齲備洞、開髓、全冠預備和固定橋預備的操作訓練，幫助學生掌握基本操作步驟和方法，同時加深學生對相關理論知識和治療原則的認識和理解。牙體預備訓練結束后，系統可以將學生的預備結果與預設標準進行對照，從而給予客觀量化評價，幫助學生及時發現錯誤并糾正。除此以外，該訓練系統中還包含了不同病例，學生需要先閱讀病史并結合口腔檢查和輔助檢查結果做出診斷，制定出正確的治療計劃，隨后才能選擇合適的治療器械進行模擬操作，可輔助培養學生的臨床思維，提升綜合能力。教師還可以通過掃描臨床真實病例資料創建定制化的模擬病例，對系統自帶病例庫進行擴充。目前，開發者還在嘗試在該系統中加入牙周和牙髓治療相關訓練模塊，進一步擴大模擬訓練的范圍。

由伊利諾伊大學研發的PerioSim系統可用于牙周探診、牙石探查和牙周潔治等牙周治療相關訓練。Steinburg AD等人的研究證實PerioSim系統可有效提高學生的牙周探針和刮治等基本技能水平[18]。

iDental是由北京大學口腔醫學院與北京航空航天大學合作研發的首款國產基于力學反饋傳感器的口腔模擬器。目前，產品化的iDental訓練系統主要用于牙周探診、齦上潔治、齦下刮治等牙周治療的培訓[19]。通過iDental訓練，受訓者能掌握牙周操作所需要的力量、方向、幅度、角度和運動軌跡等精細動作技能。另外，此系統能實時記錄受訓者操作過程的數據，進而支持通過回放和分析進行量化評價和考核，調動學生的積極性和主動性。當前，iDental在去齲、窩洞制備、全冠預備等方面的應用仍在研發中[20，21]。

VirTeaSy是由法國學者研發的口模擬訓練系統，除了能用于常規備洞和充填模擬訓練外[22，23]，該系統還具有VirTeaSy Scan Implant 種植手術規劃系統和VirTeaSy Implant Pro種植手術模擬系統，可用于種植模擬訓練[24]。VirTeaSy Scan Implant可訓練學生根據放射影像合理選擇種植體（形狀、直徑、長度）并規劃種植位點（位置、方向和深度）。VirTeaSy Implant Pro則可模擬種植手術過程，訓練學生的種植操作技能。當學生在種植備洞中出現位置、角度和深度錯誤，或因操作不當導致備洞區域牙槽骨溫度過高時，系統會發出警報提醒。另外，該系統還可以通過顯示屏實時顯示學生的操作過程，利于教師觀察并實時給予指導。

Voxel-Man系統是主要用于根尖外科手術的仿真模擬訓練系統[25]。該系統提供基礎、進階和考試三種應用模式?；A模式中，病變區域和周圍關鍵解剖結構（如下頜神經管）被用鮮艷的顏色標記出來，可以幫助學生記憶和理解術區的解剖特征。當手術器械與重要解剖結構距離過近時，系統會發出警報給予提醒。

1.3 數字化口腔模擬器的優缺點相比于傳統頭顱模型訓練系統，數字化口腔模擬器完全依賴虛擬仿真技術，在以下三個方面具有一定優勢[26]。第一，無耗材問題，可進行無限次訓練而不增加額外成本，有利于學生根據自身學習能力，通過合理反復訓練提高操作能力。第二，操作結束后能針對操作結果給予客觀反饋，幫助學生反思操作中的錯誤并在后續訓練中進行修正，有助于學生自主學習訓練。第三，無需實體渦輪機等器械，不會產生氣溶膠，降低相關傳染性疾病傳播風險，也可避免渦輪機操作不當帶來的危險，方便學生自主安全完成訓練[27]。

目前的數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，且每一種系統的軟件功能有限，僅能用于少數特定口腔操作的訓練；其次，訓練在操作臺進行，難以還原口腔內外的真實場景，且牙體硬組織切割手感與真實情況有一定差距，仿真程度有限；第三，訓練結果的評價僅關注最終作品的外形、尺寸，無法實時對學生操作過程中的問題，如姿勢問題、支點問題、車針方向問題等給予指導。因此許多學者認為，全數字化虛擬仿真技術目前仍不能完全取代傳統的頭顱模型仿真訓練模式，只能作為輔助手段，與傳統實踐訓練相結合才能最大的發揮優勢[29]。

2.基于頭顱模型的虛擬口腔模擬器

最早的頭顱模型由法國醫生Oswald Fergus在1894年發明，由一根金屬支架、兩個銅制上下頜支架和上下頜牙列模型構成（圖2）[30]。從此以后，頭顱模型不斷被改進，直至今日依然是口腔醫學實踐教學中不可或缺的工具。

圖2 口腔實踐教學領域第一個頭顱模型

傳統仿真頭顱模型雖然具有較高的仿真性，但也具有很多缺點。第一，學生訓練效果的評價依賴于教師的主觀判斷，缺乏客觀性、準確性和實時性；第二，對實習模型和人工牙的磨切為不可逆操作，且手機等設備需不斷維護，反復訓練成本較高[31]。第三，仿真度有待進一步提高，例如模型牙不能完全模擬牙釉質、牙本質的硬度、強度等機械性能指標，其磨切手感與臨床實際仍有一定差距；頭顱模型的橡膠面罩與人體臉頰質感、活動度不同；缺少舌頭及口底組織，難以模擬實際臨床患者舌頭和口底組織對治療的干擾。

在數字化技術的推動下，學者們將傳統頭顱模型與虛擬仿真技術相結合，形成了由電腦、追蹤系統和仿真頭模系統三部分組成的、虛實結合的交互式仿真頭顱模型訓練系統。所謂“虛”，指此類系統可通過虛擬技術實時追蹤并成像；所謂“實”，指其像傳統仿真頭模一樣，可在仿真牙列的人工牙上進行各種口腔實踐訓練[32，33]。例如，我國自主研發并商品化的迪凱爾艾知星口腔技能訓練及實時評估系統，在訓練過程中能夠通過文字與動畫一步一步引導學生在頭顱模型上進行標準化練習，同時實時顯示牙列及手機的虛擬圖像；訓練結束后，系統會對預備過程與結果進行客觀評估[34]。

交互式仿真頭顱模型兼具了傳統仿真頭顱模型和數字化口腔模擬器的優點，在口腔實踐訓練中具有以下優勢[35]。第一，高度模擬臨床操作的實際過程，學生在將“患者”調節到合適位置后，在正確的體位下，通過口鏡的輔助，利用高速渦輪機和車針對模型牙齒進行磨切。通過訓練，學生不但能掌握牙體預備的步驟、方法，還能學會正確的治療姿勢、體位、支點選擇和高速手機與車針的使用。第二，虛擬仿真技術的融合使得學生的預備過程的三維虛擬模型能夠實時顯示在電腦屏幕上，方便學生實時對照理想預備體外形發現自身操作中的問題，也方便教師及時給予指導和幫助。操作結束后，系統能通過數字建模顯示預備體的不同剖面，幫助學生從不同剖面評估預備結果。同時，系統還可以對學生的操作過程和操作結果（預備量、預備外形、肩臺位置與外形）給予綜合客觀評估，幫助學生認識到自身的不足與優勢，并在后續訓練中重點改善，同時幫助教師了解學生操作的共性和個性問題，進而目的明確地給予重點講解和個別輔導。

目前交互式仿真頭顱模型的缺點主要在于初始投入成本及后續維護與耗材成本較大，在經費有限的情況下，不允許學生通過大量、反復練習提高操作水平。

3.口腔虛擬仿真系統在實踐教學應用中的設計與思考

伴隨著信息技術與高等教育實驗教學深度融合工作的推進，我國各項口腔醫學虛擬仿真實驗教學項目建設進入快車道，各種新型智慧實踐教學手段不斷涌現并完善。但是，傳統頭顱模型仿真系統與現代虛擬仿真教學系統各有優缺點。如何將現有智慧實驗教學手段合理融入到口腔醫學教學體系中，最大程度發揮不同教學工具的優勢，是口腔教學工作人員必須深入思考的關鍵問題[36-38]。例如，從口腔醫學生成長的系統規劃方面考慮，可以利用數字化口腔模擬器可大量反復訓練的優勢，通過基本形狀窩洞預備模塊，對一、二年級未進入口腔專業課程學習的學生進行雙手協調性、手腳協調性、神經肌肉控制能力、手部靈巧度和鏡像操作能力的鍛煉；對三年級開始口腔基礎課程學習的學生，可以利用數字化口腔模擬器進行窩洞制備、全冠預備等訓練，幫助學生對相關臨床操作獲得直觀認識；對于四年級開始口腔臨床專業課的學生，則可以利用傳統仿真頭顱模型或交互式仿真頭顱模型，在更接近臨床實際的情況下進行基本操作技能的訓練。

4.結語

隨著計算機技術的高速發展，各種智慧教學手段的出現為口腔仿真模擬實踐教學提供了新的選擇。然而，目前虛擬仿真等智慧教學工具只能作為輔助手段，而無法完全取代傳統依賴頭顱模型的實踐教學方式。教學工作人員需要通過虛實結合的方式，將傳統實踐教學手段與虛擬教學手段有機融合，將多平臺、多技術聯合應用，形成優勢互補的教學新模式，才能最大程度拓展教學資源、提高實踐教學質量。