虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用

周學(xué)東，張凌琳，葉 玲，項 濤，王 亞

（四川大學(xué) 華西口腔醫(yī)學(xué)院實驗教學(xué)中心，四川 成都 610041）

虛擬仿真，也稱虛擬實境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用計算機(jī)技術(shù)生成一個逼真的具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使操作者產(chǎn)生身臨其境的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)［1］。該技術(shù)由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（JaronLanier）在80年代初提出，最早源于美國軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)［2］。90年代初在商業(yè)領(lǐng)域得到進(jìn)一步發(fā)展。目前虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，除在軍事作戰(zhàn)模擬，飛機(jī)、船舶、車輛現(xiàn)實虛擬駕駛訓(xùn)練，飛機(jī)、導(dǎo)彈、輪船虛擬制造，以及在城市規(guī)劃、地理信息、室內(nèi)設(shè)計、文物保護(hù)等現(xiàn)實虛擬仿真模擬外，其在醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域的應(yīng)用也被廣泛關(guān)注。本文結(jié)合四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)方面的應(yīng)用，對虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望作一介紹。

1 虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域應(yīng)用的必要性

醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)是依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象的新型教學(xué)方式。學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。教育部根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，啟動了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)工作［3］。

虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用是促進(jìn)醫(yī)學(xué)教育生動化的需要。三維虛擬仿真軟件和虛擬課堂系統(tǒng)相結(jié)合，打破了時空局限性，為學(xué)生提供了真正的“開放性教學(xué)環(huán)境”［4］。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育難以直接展示人體結(jié)構(gòu)、疾病發(fā)生及發(fā)展過程等內(nèi)容，教學(xué)缺乏生動性，難以形象化，不利于學(xué)生更好地掌握醫(yī)學(xué)知識。虛擬仿真三維軟件技術(shù)建立的人體結(jié)構(gòu)模型，使學(xué)生通過人機(jī)交互，在模型內(nèi)部“漫游”，能夠非常直觀、輕松地學(xué)習(xí)人體解剖結(jié)構(gòu)。不僅調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且將抽象的內(nèi)容具體化、形象化，給學(xué)生留下深刻的記憶，也給教員提供了方便，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。

虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用是提高醫(yī)學(xué)專業(yè)實踐性的需要。醫(yī)學(xué)是一門實踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實驗和實習(xí)貫穿整個教學(xué)過程。實驗教學(xué)環(huán)境的優(yōu)劣對學(xué)好這門課程至關(guān)重要。學(xué)生只有通過足夠的驗證性實驗和一定數(shù)量的綜合實驗才能獲得必要的綜合技能。為醫(yī)學(xué)教學(xué)打造的各種三維虛擬互動軟件和虛擬課堂系統(tǒng)的問世，使得教學(xué)模具具有重復(fù)性和可逆性，學(xué)生得以有效培訓(xùn)一些無創(chuàng)性的操作方法，這對提高醫(yī)學(xué)教學(xué)質(zhì)量起到了很大的促進(jìn)作用。

虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用是醫(yī)學(xué)教育順應(yīng)社會發(fā)展的需要。隨著社會的發(fā)展，患者自我保護(hù)意識加強(qiáng)，醫(yī)患關(guān)系矛盾日益凸顯。這就要求學(xué)生在進(jìn)入臨床實踐前必須盡可能地熟練掌握各種操作技巧，因此需要在臨床前的技能訓(xùn)練中給學(xué)生提供更真實、更先進(jìn)的模擬環(huán)境進(jìn)行各種臨床操作技巧的訓(xùn)練。應(yīng)運而生的虛擬現(xiàn)實技術(shù)為教師、學(xué)生提供了一個無創(chuàng)性、無損毀性、無危險性的訓(xùn)練方式，通過學(xué)生在虛擬模型上的操作，完成對醫(yī)學(xué)生基本技能的訓(xùn)練，為臨床實習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

2 虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域應(yīng)用的必然性

目前，國內(nèi)外口腔醫(yī)學(xué)高等院校進(jìn)行臨床前技能培訓(xùn)主要應(yīng)用仿頭模訓(xùn)練系統(tǒng)。但這種仿頭模訓(xùn)練系統(tǒng)無法將患者在治療過程中的疼痛、不適等感受反饋給操作者，使學(xué)生及時糾正不良操作，缺乏臨床感；其次該系統(tǒng)使用的是塑料牙，質(zhì)地遠(yuǎn)不及真牙，不能體會真牙的操作感；再者，該訓(xùn)練模式只能進(jìn)行牙體硬組織疾病等部分常見口腔疾病的治療和操作訓(xùn)練，難以模擬口腔軟組織疾病等其他口腔常見疾病，也不能進(jìn)行拔牙、牙周根尖周手術(shù)及牙槽外科手術(shù)等操作訓(xùn)練。綜合來看，仿頭模的模擬訓(xùn)練項目較局限，給操作者帶來的體驗真實感不強(qiáng)，臨床感不高，具有一定的局限性，不能完全適應(yīng)日益發(fā)展的教學(xué)要求。因此，運用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬實驗教學(xué)是口腔醫(yī)學(xué)教育發(fā)展的必然趨勢。

3 虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與口腔教學(xué)相結(jié)合，在口腔教學(xué)領(lǐng)域是一次革命性的突破，歐美國家已有近20所高校使用了該技術(shù)。目前該技術(shù)在我國口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域也有了初步的嘗試和應(yīng)用。國內(nèi)一些知名院校已在各專業(yè)課程的教學(xué)過程中逐步借助虛擬仿真技術(shù)來實現(xiàn)特定的教學(xué)功能，改進(jìn)或替代傳統(tǒng)的教學(xué)方式，其教學(xué)效果獲得了師生的認(rèn)可與好評，實現(xiàn)了教學(xué)質(zhì)量的提升［5］。目前虛擬仿真技術(shù)在口腔教學(xué)中的應(yīng)用主要有以下幾方面：

（1）在口腔解剖生理學(xué)教學(xué)中，應(yīng)用虛擬仿真三維成像技術(shù)建立虛擬解剖實驗室，其原理是以CT、MRI斷層掃描、人體切片、實物標(biāo)本掃描等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)在計算機(jī)上重建逼真的實物圖像、器官組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)等各種虛擬解剖模型［6］，從而建立虛擬口腔解剖標(biāo)本的數(shù)據(jù)庫，并作為口腔解剖生理教學(xué)的虛擬解剖實驗室對學(xué)生開放。學(xué)生可對該虛擬仿真解剖實驗室的虛擬三維模型進(jìn)行立體或剖面觀察，還可通過網(wǎng)絡(luò)終端對虛擬解剖實驗室進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。

（2）在口腔種植學(xué)、口腔修復(fù)學(xué)等學(xué)科的教學(xué)中，利用虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)口腔種植設(shè)計方案和口腔修復(fù)設(shè)計方案的虛擬三維圖像模擬，并通過計算機(jī)軟件對設(shè)計方案進(jìn)行力學(xué)系統(tǒng)和生物學(xué)合理性的分析和評估，實現(xiàn)在口腔醫(yī)學(xué)教學(xué)過程中對治療方案和手術(shù)過程進(jìn)行虛擬圖像模擬和治療效果評估的教學(xué)功能。

（3）在口腔疾病基本操作訓(xùn)練方面，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能較傳統(tǒng)模具訓(xùn)練的教學(xué)方式實現(xiàn)更強(qiáng)大、更逼真的功能。目前部分口腔醫(yī)學(xué)院校已著手建設(shè)口腔醫(yī)學(xué)臨床前技能訓(xùn)練的虛擬仿真實驗室，利用虛擬仿真三維成像技術(shù)和高仿真機(jī)器人實現(xiàn)臨床診療過程的高仿真模擬和學(xué)生實際動手操作能力的訓(xùn)練，整個過程無風(fēng)險性、可重復(fù)、實驗成本低，并可根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行病案制定和實驗項目的靈活組合，具有高度仿真性和操作性強(qiáng)的特點。

4 虛擬仿真技術(shù)在華西口腔醫(yī)學(xué)院教學(xué)中的應(yīng)用

四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院實驗教學(xué)起源于1917年，開創(chuàng)了中國口腔醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)的先河。華西口腔實驗教學(xué)中心經(jīng)過百年錘煉和不斷革新，現(xiàn)已成為教學(xué)理念先進(jìn)、教學(xué)特色鮮明、教學(xué)體系科學(xué)完善、師資隊伍一流、教學(xué)成果顯著的口腔醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)實驗教學(xué)的國際知名品牌，成為引領(lǐng)我國口腔實驗教學(xué)發(fā)展的方向，已成為具有強(qiáng)大示范輻射作用的國內(nèi)領(lǐng)先的國家級口腔醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)示范中心（下稱示范中心）。隨著醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展需求，我院與時俱進(jìn)，以示范中心為依托，根據(jù)高等教育信息化建設(shè)和開展虛擬仿真實驗的指導(dǎo)思想，應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)和高仿真技術(shù)，在示范中心的平臺上專門建設(shè)虛擬實驗教學(xué)中心?，F(xiàn)階段我院虛擬仿真實驗教學(xué)中心主要包含以下3個平臺。

4.1 數(shù)字化3D虛擬口腔解剖實習(xí)平臺

數(shù)字化3D虛擬口腔解剖實習(xí)平臺是基于3D技術(shù)可視化人體工程構(gòu)建的牙體解剖學(xué)及相關(guān)教學(xué)的應(yīng)用軟件而實現(xiàn)。該軟件按照國人牙體形態(tài)結(jié)構(gòu)和特征完成人的虛擬口腔構(gòu)建和制作，利用AMBERCTC 3D引擎建立三維牙體圖像，既可以進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)，以觀察牙體不同面的外形，還可在不同平面進(jìn)行切割，觀察牙體的內(nèi)部構(gòu)造。該軟件可通過網(wǎng)絡(luò)版和光盤版實現(xiàn)相關(guān)課程的實驗教學(xué)和學(xué)生自學(xué)、復(fù)習(xí)。其直觀的視覺體驗，不僅可以廣泛應(yīng)用于口腔解剖生理學(xué)及相關(guān)的實驗教學(xué)，還能進(jìn)一步擴(kuò)展到其他口腔臨床學(xué)科，如口腔內(nèi)科學(xué)、口腔頜面外科學(xué)、口腔修復(fù)學(xué)和口腔正畸學(xué)的實驗教學(xué)、病案討論和治療方案設(shè)計等多方面應(yīng)用，解決在實驗教學(xué)中真牙收集困難的實際問題，并能提供大范圍的教學(xué)應(yīng)用，保障人才培養(yǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的需求。

4.2 穆格數(shù)字化虛擬口腔技能培訓(xùn)系統(tǒng)

數(shù)字化虛擬口腔技能培訓(xùn)系統(tǒng)由3D圖形生成工業(yè)計算機(jī)、實時觸感生成計算機(jī)、教學(xué)課程示范計算機(jī)，以及學(xué)生操控終端和相應(yīng)應(yīng)用軟件組成。應(yīng)用軟件包括模擬臨床病例、口腔常用器械和操作評估體系等系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理是：運用虛擬仿真技術(shù)和力反饋觸覺系統(tǒng)建立了一套能模擬臨床治療真實場景的力學(xué)感受系統(tǒng)，能模擬出正常口腔組織、離體牙的3D圖像，以及口腔常見疾病的軟、硬組織3D圖像，還可根據(jù)不同的治療方案選擇不同的虛擬工具，操作者在手持手柄時能感受到虛擬工具與虛擬3D牙體接觸時的作用力與反作用力，獲得和現(xiàn)實中手持工具操作時相同的力學(xué)感受，從而能達(dá)到模擬訓(xùn)練臨床操作的效果［7］。此外，該機(jī)能模擬大部分口腔常見疾病的治療過程，并且能模擬出仿頭模難以實現(xiàn)的口腔軟組織疾病，以及活體組織在治療過程中的出血等實時反應(yīng)。不僅模擬疾病種類多、效果逼真、操作手感真實，而且能解決目前牙體標(biāo)本和疾病模型供應(yīng)缺乏、實驗替代材料與真實疾病組織相差較大、學(xué)生在操作中難以獲得臨床病例真實感受的難題，以及直接對臨床患者進(jìn)行實驗操作風(fēng)險系數(shù)大的問題，更好地滿足目前的教學(xué)需求［8］。

利用該系統(tǒng)能開設(shè)出傳統(tǒng)實驗狀態(tài)下難以開展的、具有臨床高風(fēng)險的實驗項目，如牙體窩洞預(yù)備、開髓、根管治療、根尖手術(shù)、拔牙術(shù)、口腔修復(fù)牙體預(yù)備、牙種植等多種難度較大的臨床操作技能訓(xùn)練的實驗教學(xué)項目［9］。學(xué)生在訓(xùn)練過程中能熟練掌握牙科手機(jī)力度控制和各種牙科器械的使用，并在牙科治療的各個具體項目上都能得到良好的技能訓(xùn)練，為臨床實習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)，解決在專業(yè)課實驗教學(xué)中難以實現(xiàn)“身臨其境”的難題。

4.3 口腔醫(yī)學(xué)仿真機(jī)器人實習(xí)機(jī)

口腔醫(yī)學(xué)機(jī)器人訓(xùn)練機(jī)是一種臨床前技能訓(xùn)練和臨床實習(xí)的高仿真模擬訓(xùn)練設(shè)備，不僅有對學(xué)生進(jìn)行必備臨床技能培訓(xùn)的功能，還能模擬臨床患者疼痛、嘔吐等實時反應(yīng)，甚至能模擬因操作不當(dāng)造成患者不愉快等真實反應(yīng)：如從患者眼睛上面移動物品時，能模擬出患者的恐怖感；操作者不慎碰到胸和肩膀時模擬出患者的不快反應(yīng)；在設(shè)備口腔內(nèi)安裝了表現(xiàn)嘔吐的反射傳感器，來訓(xùn)練對敏感患者的操作治療。同時學(xué)生還可以通過對機(jī)器人的問診、解釋治療過程等語言交流工作學(xué)習(xí)與患者進(jìn)行交流，完成學(xué)生接待患者時的“態(tài)度、習(xí)慣、接待方法”等重要方面的培養(yǎng)。通過仿真人的動作、語言、表情多種反饋信息，學(xué)生可以改良自身操作手法和與患者交流的語言，能夠達(dá)到在沒有教師的指導(dǎo)下，可以通過影像回放來重新冷靜地審視自己，實現(xiàn)自我改善、自我學(xué)習(xí)的目的。

5 結(jié)束語

虛擬仿真實驗教學(xué)中心能實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時，為醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實驗項目。從華西口腔實驗教學(xué)目前已開展的部分虛擬仿真實驗項目的教學(xué)效果看，師生對該技術(shù)的接受程度高，該技術(shù)的應(yīng)用能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，深受學(xué)生歡迎。未來虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展方向還會向?qū)崿F(xiàn)更加逼真的現(xiàn)實環(huán)境、更好的人機(jī)交互體會、更高的現(xiàn)場感方面發(fā)展。隨著人們對虛擬仿真技術(shù)的逐漸了解，以及它在各個行業(yè)的普遍應(yīng)用給人們帶來的極大方便，虛擬仿真技術(shù)勢必會得到更快的發(fā)展。這種技術(shù)革新是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，它將隨著時間的推移日臻完善，并且會運用得更加廣泛。

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