虛擬現實與3D打印技術在牙種植領域的應用研究

黃鵬宇 朱永清 何炳蔚 俞宏根 朱國鋒 魏翔

摘 要：將虛擬現實（virtual reality，VR）與3D打印相結合旨在培訓和選擇出最優方案。進行近似真實手術操作環境下的牙種植過程模擬，能顯著增強牙種植手術培訓的效果。本文論述了兩項技術的應用過程，即通過三維建模后賦予物體物理特性以及相互關系，建立起人機交互的虛擬手術環境，再利用3D打印技術打印出離體牙用于練習操作。一方面該技術用于培訓可以大大降低手術培訓的時間及費用，提高初學者手術操作的熟練程度及精細水準，另一方面在手術前根據實際情況模擬出具體的操作情境，最終抉擇出最佳方案，這樣可大大提高手術的成功率。

關鍵詞：3D打印技術；虛擬現實技術；牙種植；手術模擬；手術培訓

中圖分類號：R783 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）02-0162-03

Abstract：The combination of virtual reality（VR）and 3D printing is aimed at training and selecting the best plan. Simulating the dental implant process under the approximate real operating environment can significantly enhance the effect of dental implant training. In this paper，the application process of two technologies is discussed，that is，the physical characteristics of the object and the relationship between them are endowed after 3D modeling，the virtual operation environment of human-computer interaction is established，and the teeth in vitro are printed out by three-dimensional printing technology for practice operation. On the one hand，this technology can greatly reduce the time and cost of surgical training，improve the proficiency and fine level of operation for beginners，on the other hand，simulate the specific operation situation according to the actual situation before operation，and ultimately choose the best scheme，which can greatly improve the success rate of surgery.

Keywords：3D（three-dimensional） printing technology；virtural reality technology；tooth implantation；simulation of operation；operation training

0 引 言

在醫學手術過程中，經驗豐富的教授主任往往能夠更好地完成，因其擁有大量的手術實踐經歷，且能將曾做過的手術進行類比，進而根據患者實際情況制定相應計劃，使手術成功率大大提高。但經驗豐富的老專家是需要時間長河的堆疊才能成就的，而專家們所經歷的手術與現實情況還是有一定差別的，完全根據以往的經驗來實施手術，有時也難以做出最好的手術方案，更不用說對于那些經驗僅停留在教科書上，實踐不足的大部分年輕醫生們，完成一次成功的手術，實在是一個巨大挑戰。

以牙種植手術為例：牙種植手術指的是一種以植入骨組織內的下部結構為基礎來支持、固位上部牙修復體的缺牙修復方式。它包括下部的支持種植體（dental implant）和上部的牙修復體（dental prosthesis，implant-supported）兩部分。它采用人工材料（如金屬、陶瓷等）制成種植體（一般類似牙根形態），經手術方法植入組織內（通常是上下頜）并獲得骨組織牢固的固位支持，通過特殊的裝置和方式連接支持上部的牙修復體。

手術的不可逆與成本較高的特性，對牙種植醫護水平提出了更高的要求。同時需要親自操刀的醫生對患者的口腔情況能進行獨立分析，這在很大程度上會影響手術的精確度及效果，根據實際情況及相關經驗制定并篩選出較合理的手術方案（角度，力度，方位等），然后進行模擬預測試，最終確定一項最佳方案，可大大提高手術精確度。

因此，針對傳統培訓過于抽象及實際手術的不可重復性，為了做到低成本高精度地模擬重復不同的真實的手術過程，在客觀條件的限制下最大程度地保證培訓的吸收效率及手術的成功率，本項目提出采用虛擬現實技術與3D打印技術相結合的應用方法。

一方面，利用虛擬現實技術，為受訓者模擬出近似真實的手術操作環境，這種新型培訓方式優于傳統的教科書培訓的地方，體現在其可觀性，具體性及可短時間內掌握具體的操作細節等方面。另一方面，在一些頗具難度的手術中，醫生可以在實際手術前時通過VR模擬現實情境并在3D打印出的模擬樣品中進行預操作來進行方案選擇，從而保證實際手術操作的精準高效，進而減少手術并發癥，提高手術成功率，增加手術的安全性。

1 虛擬現實技術應用

虛擬現實（virtual reality，VR）技術是一門建立在多學科高端發展成果上的新興邊緣學科，它涉及到計算機圖形學、人工智能、網絡技術、計算機仿真技術、人機交互接口、傳感與測量、微電子技術和精確力反饋系統等眾多相關科研領域[1]。而在每個人都非常關心的醫療領域中，VR技術也發揮著十分重要的作用。VR技術可以廣泛地應用于手術培訓、手術預演、臨床診斷和醫療教學各個環節。運用VR技術可以使醫務工作者沉浸于虛擬的場景內，通過視、聽和觸覺感知來學習各種手術操作，體驗并學習如何應對臨床手術中的實際情況。這樣不僅可以節約培訓醫務人員的費用和時間，也能使非熟練人員進行手術的風險大大降低，對提高醫學教育與訓練的效率和質量以及改善醫學手術水平發展不平衡的現狀有特殊意義。

本項目的虛擬現實應用部分，總體上可分為兩步實現。首先利用3DS Max（3D Studio Max）等建模軟件進行建模，再將模型導入Unity3D軟件，賦予其物理特性以及相互關系，即可使用虛擬現實硬件交互設備體驗虛擬手術操作。該部分所應用到的軟件主要有：3DS Max、Mimics（Materialise Interactive Medical Image Control System）和Unity3D，應用到的虛擬現實硬件交互設備主要有：HTV Vive頭顯和VR手柄。

整個過程可具體分為以下五個步驟（詳細見視頻）。

第一，利用合作醫院提供的口腔CT，使用Mimics軟件來重建口腔模型，該模型只包括牙齒和骨骼。再用3DS Max軟件制作一個鉆頭模型。將兩種模型導入Unity3D軟件，賦予物理特性以及相互關系，使得鉆頭觸碰到牙齒時，會出現一個具有一定深度與大小的錐形孔洞。鉆頭以VR手柄來操縱，鉆頭工作時有震動效果。但這個孔洞的形成無法使其中途停止，也無法控制孔洞大小。（見圖1、圖2和圖3）。

第二，使用Unity3D軟件編寫程序，進一步完善此項交互。完善結果表現為：按住手柄按鍵則鉆頭開始工作，觸碰到牙齒時，牙齒與鉆頭重合的部分消失，形成孔洞。松開按鍵則鉆頭停止工作，孔洞不再擴大或加深。按住VR手柄按鍵時，同樣有震動效果。

第三，進行牙齒周圍的神經、血管與粘膜的分布模擬。利用合作醫院提供的口腔CT，使用Mimics軟件來完善口腔模型，進行神經、血管與粘膜的分布模擬。神經、血管與粘膜以不同顏色加以區分。

第四，使用3DS Max軟件制作各種型號的鉆頭和種植釘。將制作好的鉆頭與種植釘模型導入Unity3D軟件，在Unity3D軟件中編程，使各種型號的鉆頭與種植釘顯示在口腔模型的右側，并且可以使用VR手柄選取任意型號的鉆頭或種植釘進行操作。

第五，將完善的口腔模型導入Unity3D軟件，在Unity 3D軟件中編程，使得鉆頭或種植釘觸碰到神經或血管時，操作者收到聽覺反饋，實現對手術失誤的報錯。

整個過程所構建的虛擬手術情境，以文字、圖片等信息進行補充，結合人機交互設備，高精細度呈現牙種植的手術場景。視覺、聽覺和觸覺等感官的模擬使操作者可以沉浸在系統構建的虛擬場景中，對場景中的虛擬信息進行操作，從而身臨其境地進行牙種植手術的模擬操作。

2 3D打印技術應用

3D打印技術是依托于計算機、三維數字成像及多層次連續打印等技術而發展成的一種快速成型技術。其主要包括數據采集與獲取、數據導入后三維重建及3D打印三維模型等3步。3D打印與傳統制造最大的區別是前者為“增材制造”，而后者為“減材制造”。“增材制造”簡化了制造程序，提高了生產效率。因此，3D打印具有速度快、精度高、可成型復雜結構、個性化和批量生產等優點[3]。

虛擬現實技術所構建的手術場景，雖然逼真且具有可重復練習等優點，但畢竟是虛擬場景，和實際牙種植手術操作有一定差別，因此需要有實體模型來進行進一步的訓練或考核。在現階段的口腔內科教學、操作模擬等方面，多采用離體牙進行操作練習來提高口腔內科操作技能。由于離體牙來源限制、不可復制、交叉感染和倫理問題等原因而無法用于大規模操作培訓，而樹脂牙和塑料塊又與真實牙齒解剖形態相差較大，仿真性較差，效果也不理想[4]。

而采用3D打印技術制作口腔模型，可以很好地解決這些問題。

第一，利用3D打印技術具有個性化的特點，制作出的口腔模型可以精確模擬各種病例，有利于提高學生的牙種植技術水平，加深對牙種植手術的認識，這對將來正確應對手術中出現的各種情況具有較大意義。

第二，利用3D打印技術可成型復雜結構的特點，使口腔模型可以精確呈現牙齒周圍的血管等復雜結構，且牙齒與周圍組織銜接自然，形態逼真，減少了操作者在日后的牙種植手術中誤傷血管或神經的風險，顯著增強了手術培訓效果。（見圖4，圖5）。

第三，利用3D打印技術精度高的特點，制作出的口腔模型與實際的誤差小，更為精確。有利于減少操作者在實際牙種植手術中因手術不精準、種植體角度不佳或安裝不精密而造成的失誤。第四，利用3D打印技術可批量生產的特點，可以實現實體牙模型大規模操作培訓的運用。

設備與材料：3D打印機（SPS 600B）、光硬化樹脂。

3 結 論

本項目以種植牙手術中的培訓與手術前的方案選擇模擬為例，研究將3D打印與VR技術結合應用。種植牙手術需保證最佳種植位點與多牙間保持共同就位道，且某些牙術區鄰近上頜竇或神經管等，手術難度較大，針對不同情況往往需要進行不同的方案來適配，如果手術不精準、種植體角度不佳或安裝不精密，則會損害鄰牙，拉傷神經、造成牙周炎，導致患者疼痛及影響種植牙使用壽命。因此，對于牙種植手術的培訓及一些特殊情況的術前模擬就顯得尤為重要。但由于牙種植手術的實施區域是結構復雜的口腔，由此產生的對手術的高精細度要求和模擬手術的高成本限制，使得牙種植醫師的手術訓練成為一個難題。以書本授課、模具操作和現場觀摩等方式開展的醫學教學的傳統教學方法，不可避免地存在理論知識抽象難懂、實踐與臨床脫節等問題。本項目針對牙種植手術培訓的一系列問題，采用虛實結合的方式，利用虛擬現實技術全方位模擬手術場景，利用3D打印技術制作實體口腔模型，大大降低了手術培訓的時間及費用，提高了初學者手術操作的熟練程度及精細水準，使得高精度仿真的應用，得以大規模地實現。并且進行手術前的方案選擇也達到了前所未有的模擬準度，降低了手術難度，進而減少了手術并發癥，提高了手術成功率，增加了手術的安全性。

參考文獻：

[1] 楊建，劉福祥.虛擬現實技術在牙種植領域的應用與發展前景 [J].國際口腔醫學雜志，2008（S1）：261-266.

[2] 鄧曉軍，秦向陽，高鵬，等.虛擬現實技術在醫學教育中的應用 [J].重慶醫學，2017，46（18）：2582-2584.

[3] 汪烈，陳智淵，劉融，等.個體化 3D 打印種植導板在多牙種植中的臨床應用 [J].上海口腔醫學，2017，26（4）：453-457.

[4] 宋穎，唐雷，吳補領，等.構建3D打印牙齒模型及其形態仿真性研究 [J].中國臨床解剖學雜志，2016，34（3）：298-302+307.

[5] 孫成，于金華.3D打印技術在口腔臨床的應用 [J].口腔生物醫學，2014，5（1）：49-52.

作者簡介：黃鵬宇（1995.06-），男，福建羅源人，本科，研究方向：醫工結合。