人工智能在口腔教學中的應用探討*

姜華 黃東宗 李鴻波 汪林 白陽 劉洪臣

人工智能是計算機科學的一個重要分支，是研究開發用于模擬、延伸和擴展人類智能的理論、方法、技術及應用的一門新興的科學技術。其研究內容包括深度學習、智能機器人和數據開拓等多個方面，人工神經網絡、知識圖譜、虛擬現實技術、遠程虛擬數字化技術、智能機器人等都是人工智能的核心技術［1］。隨著人工智能技術的發展，人工智能在口腔醫學中的應用越來越廣泛。在口腔醫學教學中，人工智能技術也廣泛用于輔助或者替代傳統教學方法，包括牙體牙髓學、口腔修復學、牙周病學、口腔種植學和口腔頜面外科學等多個學科的教學培訓［2］。在口腔教學領域，虛擬現實技術、遠程虛擬教學、智能機器人是應用最多的人工智能技術。人工智能在教學中的應用，可以彌補傳統教學方法的不足，減輕教學負擔，提高學生學習的積極性，打造高效課堂，切實提高教學質量。尤其運用人工智能實現了遠程虛擬教學，學習口腔醫學專業理論知識，全面培養臨床思維，通過虛擬現實技術模擬口腔軟硬組織與多種疾病實況，利用人機交互系統，實現臨床操作的實時反饋，提升臨床技能，是傳統口腔教學的重要輔助。本文對虛擬現實技術、遠程虛擬教學、智能機器人在口腔教學中的應用作一探討。

1.基于虛擬現實技術的口腔臨床實踐技能培訓

隨著人們對口腔治療需求的不斷增加，口腔醫學生的專業能力、臨床培訓和經驗積累越來越重要。口腔治療的療效通常取決于臨床醫生的操作技能，仿真頭模能輔助訓練口腔醫學生的臨床操作能力，但是目前的仿真頭模只是由簡單的功能性頭部區域和牙齒排列組成，與真實患者有差距［3］。虛擬現實技術與醫學訓練相結合是隨著計算機技術、傳感器技術和自動化技術的發展而出現的一個新的研究領域。虛擬現實技術利用計算機技術在視覺、聽覺、觸覺和其他感官上生成與真實環境相似的數字環境，操作員使用專用設備與虛擬對象交互并感受到來自虛擬對象的反饋［4］。通過虛擬現實技術，可以創建具有高保真度和實時性能的虛擬操作環境［5］，進而將訓練成果和操作經驗運用到真實口腔臨床操作實踐中。該系統由計算機創建和處理，帶有頭盔顯示器和力反饋手柄等專用設備，允許用戶在體驗多傳感器反饋的同時觀察場景并與之交互，從而產生近乎真實的訓練效果［6］。

近年來，以虛擬現實技術為代表的智慧教學模式在口腔教學中的應用受到廣泛關注，出現了很多用于口腔教學的模擬訓練系統，比較常用的有DentSim系 統、Simodont Dental Trainer系 統、Individual Dental Education Assistant(IDEA）系統、iDental系統等［7］?？谇荒M訓練系統通過虛擬現實技術復制口腔軟、硬組織，提供臨床診斷和治療環境。通過力反饋技術模擬牙鉆與牙齒、口鏡、軟硬組織之間的相互作用力，盡可能逼真地再現口腔臨床技能訓練的全過程［8］。口腔模擬器是計算機與口腔技術的深度融合，主要包括虛擬現實技術和力反饋技術［9］。

迄今為止，已經進行了許多初步試驗，研究表明基于虛擬現實技術的口腔模擬器在臨床技能訓練中有積極的作用。Eve等［10］分析了口腔本科生與口腔修復住院醫師在使用新型觸覺虛擬現實模擬器進行模擬齲齒去除練習時的表現。對于新手和有經驗的操作員來說，在實驗過程中，去除效率（定義為隨鉆孔時間去除齲齒病變的百分比）顯著提高。Al-Saud等［11］利用觸覺虛擬現實模擬器研究了反饋對牙齒預備技能獲得率的影響。當未經訓練的受試者與經驗豐富的口腔老師一起接受觸覺裝置反饋時，學生在練習技能時，可以更快地獲得基本的手動靈巧，而模擬器的培訓幫助學生加速基本的手動靈巧技能的學習。Urbankova等［12］在臨床前口腔教育中使用觸覺虛擬現實技術測試了學生的臨床操作技能。試驗結果表明，在口腔臨床前訓練階段，觸覺虛擬現實技術在識別有潛在學習挑戰的學生方面可以發揮作用。Suebnukarn等［13］的另一項研究也評估了用于運動技能訓練的觸覺虛擬現實口腔模擬器的驗證。通過對專家和非專家的判別能力的分析，驗證了虛擬現實模擬器的有效性。De Boer等［14］研究了在虛擬學習環境中工作的學生在表現和欣賞方面的差異。與二維視覺相比，在虛擬學習情境中使用三維視覺對學生的學習成績和對環境的欣賞都有顯著的積極影響。Correa等［15］研究了用于下牙槽神經阻滯的口腔麻醉訓練模擬器的驗證。所開發的系統利用虛擬現實技術和觸覺裝置，在麻醉過程中，在針插入任務中提供感知力反饋，為學習者提供插入真實針的觸覺感覺。結果顯示模擬測試非常適合局部麻醉培訓，包括適當的定位、插入深度以及虛擬組織阻力的敏感性。在更復雜的手術治療技術中，Khelemsky等人［16］分析了一種名為Touch Surgery的新型認知虛擬現實模擬器用于眼眶底重建的有效性，其所提出的虛擬現實模擬可以作為頜面外科住院醫師培訓用的認知訓練和評估工具。Miki等人［17］進行了一項研究，以評估一個虛擬現實的去除頜下腺內窺鏡輔助訓練系統，證實應用內窺鏡輔助手術的虛擬現實培訓系統對口腔外科醫生的培訓是有效的。

與基于仿頭顱模型的傳統訓練方法相比，口腔模擬器有許多優點，可以為學生提供更好的學習環境。除了口腔操作技能，學生還可以通過口腔模擬器獲得相關的理論知識［18］。由于口腔模擬器允許臨床技能的可重復和可逆的臨床前訓練［19］，它們給學生提供了更靈活的訓練體驗［5］。它們還允許通過記錄培訓過程進行數字客觀評估和教程反饋。此外，口腔模擬器的培訓更具有臨床意義，因為它們再現了與真實臨床環境中遇到的情況相似的情況［5］，可以降低治療風險，提高患者的安全性［20］。先前的研究表明，使用口腔模擬器進行訓練可以節省教員的時間［19，21］，并允許學生在任何時間反復練習，直到他們掌握為止。一些研究表明，與傳統的訓練方法相比，使用口腔模擬器進行訓練可以縮短訓練時間［21］。因此，口腔模擬器在教學中的應用可以彌補傳統教學方法的不足，減輕教學負擔，提高師生的方便性。據報道，口腔模擬器還能夠提高學生的信心和積極性［22］以及辨別和解決醫療緊急情況的能力［23］。

然而，目前的口腔模擬器在立體視覺、視頻分辨率、力反饋、教學內容和結果評估等方面存在不足，許多口腔模擬器在訓練中沒有不同程度的難度設置，學生在訓練過程中不能循序漸進地學習。此外，口腔模擬器只進行基本技能訓練，缺乏技能在臨床案例中的應用，無法評估學生對技能的逐步掌握程度。這些缺點可能直接影響口腔模擬器的有效性［22］。因此，口腔模擬器不能完全取代傳統的技能訓練方法?？谇荒M器提供的自動評估和教程反饋被認為是傳統教學方法的補充［24］。一些研究認為，將傳統方法和虛擬方法結合起來，將是技能培訓中選擇的最佳方法［25，26］。

2.基于網絡的遠程虛擬教學

2019年冠狀病毒感染性疾病的流行給口腔醫學教育帶來了無數的挑戰。在隔離和封鎖措施中，面對面的教育在全球范圍內受到干擾?？谇会t學教育工作者提出了創新的解決方案，恢復基于網絡的數字化口腔理論學習，提供遠程教學。遠程教育將傳統教學與現代信息技術相結合，是信息技術最重要的應用之一，它以各種形式提供基于計算機的在線和離線學習以及基于網絡的教學［27］。不同的在線平臺被用于教學和學習以及學生評估和考試，學習也轉向了虛擬學習。目前世界上許多大學提供遠程學習、基于網絡的學習、封閉式在線學習和教育視頻節目等［28］。傳統的醫學和口腔醫學教育是以導師和學生在傳統課堂環境中的參與為基礎的。然而，這種教育現在可以遠程提供，甚至可以存檔供以后使用。數字化實現了基于云的學習記錄、評估和反饋，并提供了電子學習模塊［29］。

基于網絡的數字化在線學習工具在包括正畸學［30］、口腔解剖生理學［31］、口腔放射學［32］、口腔外科學［33］、牙周病學［34］、口腔種植學［22］、口腔修復學［29］和齲齒檢測［35］等均有普遍使用。Schittek等［34］利用基于網絡的數據庫應用程序記錄牙周病學中的實踐歷史記錄和決策，學生使用屏幕上的自由文本通信與患者數據交互，提高了他們在第一次接觸患者時的能力和同理心。Reynolds等［36］描述了在口腔診所為本科生引入便攜式口腔數字助理（掌上電腦），以訪問虛擬學習環境，便攜式口腔數字助理被證明是訪問在線教育的一種方便和通用的方法。研究發現，手機等移動設備也支持網絡學習，因為它提供了通過發表評論、劃下劃線、注釋圖像和繪制圖形來個性化數字學習的機會［37］。免費的3D圖像查看軟件有利于規劃3D虛擬模型情況下的可摘局部義齒設計［38］。有證據表明，學生對使用新的教育方法而不是傳統的學習方式更感興趣［39，40］。此外，網絡學習可以幫助學生采用循證醫學方法及時獲取最新的知識［41］。因此，虛擬教育和在線教學在世界范圍內日益流行。Thiele等人［42］對學生進行了評估，認為傳統的課堂教學是令人厭煩的，在某個預定時間學習限制了學生實際的學習能力。相比之下，學生在虛擬教學中可以隨時獲取教育內容，提高了教學效果。關于傳統教學和虛擬教學兩種方法的區別，Potomkova等人［43］的一篇綜述討論了網絡教學與傳統教學的優劣。發現相對于傳統的授課式教學，學生更喜歡使用網絡教學，因為網絡教學具有易訪問、易使用、學習自由、較高的醫學圖像質量和重復學習的優勢。無時間限制地在線獲取數字化學習資料被認為是虛擬教育的一大優勢，基于網絡的教學模塊促進了學生的個性化學習方式，并適應了學生不同的學習節奏，并促進學生、教師和管理人員之間的協作和交流。

虛擬學習的主要優點是學習者可以隨時隨地無限制地訪問教育內容［44］。然而，考慮到這種方法的獨立性，小組討論和與同學的交流往往較少。建立虛擬教學網絡的成本高、需要計算機和使用該系統所需的技能、計算機知識不足以及不熟悉規則和方法等都是這種教學方法的局限性。另外目前還沒有統一的口腔數字化教育標準，各種在線學習工具針對同一學科設置的學習內容，學習方法和學習目標等均存在一定差異。

3.基于醫療機器人的患者模擬系統

口腔教學機器人的概念于1969年首次提出［45］，Tanzawa等人開發了一種機器人病人，它可以為口腔臨床訓練再現真實的臨床情況。這個機器人病人被設計成一個身高157厘米的全身模型，頭部有8個自由度，能夠執行各種自主動作，可以分泌唾液，此外還可以與學員進行對話。他們將機器人患者引入一項針對口腔學校五年級學生的客觀結構化臨床檢查，以評估他們的口腔技能和治療的安全性。結果：許多學生能夠恰當地處理病人的意外動作。此外，問卷調查的結果顯示，幾乎所有的學生都認識到機器人病人的教育價值，特別是在“風險管理”方面，他們更喜歡機器人病人而不是傳統的人體模型。研究通過五年級學生的實踐，評價了機器人病人在口腔臨床教學中的實際應用，說明了機器人病人在口腔領域的有效性［46］。

2017年，日本齒科大學開展了利用仿人機器人進行口腔教育的實驗，研發了完整的人體受試者模擬機器人系統Simroid系統-基于機器人的交互式口腔培訓患者模擬系統，由具有真實的外觀和反應的人形機器人組成，以便口腔醫學生習慣于真實的患者［20］。Simroid仿人機器人高165cm，它可以模仿人類的表達和行動。可以進行手腕、肘部、舌頭和下顎的運動，疼痛時搖頭，眨眼，轉動眼睛，口頭表達不適等。此外，它還可以模擬誘導唾液流動和出血的功能，并使用懸雍垂傳感器模擬嘔吐反射［47］。Abe等［20］通過臨床試驗驗證了Simroid系統的臨床教學效果。結果顯示：與傳統教學相比，Simroid系統在模擬醫患溝通和評估治療態度和臨床技能等方面都具有明顯優勢。Tanzawa和他的同事提出應用口腔急救機器人訓練學生對口腔環境醫療緊急情況的反應能力，旨在幫助口腔醫學生適應緊急情況［47］?？谇粰C器人通過真實的人機互動能提高學生臨床溝通能力。機器人在口腔教學中的應用前景廣闊，但是還存在一些限制：機器人基本的操作和感覺能力以及學習能力不足，訓練后不能對學生的操作結果進行準確的定量評價，學生不知道自己的操作結果是否符合要求；機器人成本高，只有少數大學能夠引進。

4.結論

人工智能為口腔教學提供了新的可能，應用前景廣闊，人工智能在口腔教學中的初步應用已被證明可以為學生提供個性化的學習輔助，通過遠程虛擬教學和大數據分析學習口腔醫學專業理論知識，全面培養學生的臨床思維，通過虛擬現實技術模擬口腔軟硬組織與多種疾病實況，利用人機交互系統，實現臨床操作的實時反饋，提升臨床技能，是傳統口腔教學的重要輔助，是未來口腔教學的重要手段。但是由于人工智能技術的操作難度大、成本高，技術研究不足等問題，目前口腔教學人工智能的技術研究還相對有限，多數只能針對特定任務，一個全面的通用口腔教學人工智能系統還沒有實現。

未來人工智能與口腔醫學融合的可能性是多方面的。理想的是建立一個全面的提供所有基本需求的通用人工智能系統，該系統具有適當的安全程序，可以直觀可靠地學習和利用專業知識、實現以人為中心的人機交互和基于云數據的學習推理，改善醫療和教學質量［48］。要實現這一目標，仍有大量工作需要做。首先需要加強人工智能口腔醫學知識的普及，加強學科合作，培養綜合型人才，不斷深入研究人工智能口腔教學系統。其次還必須為人工智能口腔教育研究制定新的標準，側重于產生高質量的數據、普遍接受的文件格式、安全和適當的數據管理的技術標準，保證人工智能解決方案的可信性和通用性。最后要確定倫理規范，注重數據安全保護，將個人隱私和權利放在首位。隨著科技的發展，基于大數據、虛擬現實、機器人、深度學習等技術的人工智能將為學生提供個性化的學習輔助，其功能將更加多樣化、智能化和便捷化。因此，人工智能將對口腔教學產生重要的影響。