擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)在口腔頜面外科臨床教學(xué)的應(yīng)用

李帛倫，劉航航，劉瑤，朱照琨，邰岳，羅恩

四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院，四川成都 610041

口腔頜面外科屬于交叉學(xué)科， 不僅涉及普通外科、口腔外科，還涉及牙科、整形外科，要求從業(yè)者掌握較多的操作技巧。 然而學(xué)生在臨床初期很容易出現(xiàn)操作失誤，從而引發(fā)醫(yī)療糾紛。有研究表明，醫(yī)學(xué)生臨床實(shí)習(xí)第一年發(fā)生不良醫(yī)療事件的概率為13.7%[1]。 這給口腔頜面外科臨床教學(xué)的開展帶來了一定的困難。傳統(tǒng)的教學(xué)模式為：學(xué)生先進(jìn)行理論知識學(xué)習(xí)，然后觀摩臨床手術(shù)，接著擔(dān)任醫(yī)師助手，最后在資歷豐富的醫(yī)師的指導(dǎo)下逐步上手操作。 為確保手術(shù)的安全性及患者的滿意度，學(xué)生可獲得的實(shí)踐機(jī)會不多，導(dǎo)致了口腔頜面外科醫(yī)師的培養(yǎng)周期較長、培養(yǎng)效率不高。 要想培養(yǎng)一名合格的口腔頜面外科醫(yī)師，一般需要8～10 年之久[2]。

新興的拓展現(xiàn)實(shí)技術(shù)可與口腔頜面外科各類臨床操作有機(jī)結(jié)合：開展虛擬手術(shù)培訓(xùn)，有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、降低學(xué)生實(shí)習(xí)期間的醫(yī)療事故發(fā)生率、縮短口腔頜面外科醫(yī)師的培養(yǎng)時間； 實(shí)現(xiàn)術(shù)區(qū)結(jié)構(gòu)可視化，減少手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生，降低手術(shù)難度；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程手術(shù)。對口腔頜面外科研究生的臨床教學(xué)有重要的作用。

1 拓展現(xiàn)實(shí)技術(shù)

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（extended reality，XR）是一類能擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)感知的計算機(jī)技術(shù)，近年來被引入作為虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）和混合現(xiàn)實(shí)（mixed reality，MR）的總括術(shù)語[3]。

虛擬現(xiàn)實(shí)能創(chuàng)造完全虛擬的環(huán)境，給使用者身臨其境的體驗(yàn)。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能將虛擬信息疊加于現(xiàn)實(shí)世界，從而增強(qiáng)使用者對現(xiàn)實(shí)的感知。混合現(xiàn)實(shí)則將虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相互結(jié)合，為使用者提供更真實(shí)的擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

AR/MR 與VR 的區(qū)別在于：前者提供的感知是部分虛擬的，而后者提供的感知是完全虛擬的。MR 與AR 的區(qū)別在于：前者提供的虛擬感知足以以假亂真，而后者提供的虛擬感知能被輕易識別，見圖1。

圖1 VR、AR、MR 的相互鑒別

2 臨床教學(xué)應(yīng)用

2.1 VR 技術(shù)的臨床教學(xué)應(yīng)用

（1）VR 技術(shù)可用于輔助口腔頜面外科手術(shù)的術(shù)前設(shè)計。

傳統(tǒng)口腔頜面外科手術(shù)的術(shù)前設(shè)計主要依賴于醫(yī)師的臨床經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，以及醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的視覺輔助[4]。 但傳統(tǒng)成像技術(shù)提供的二維影像十分考驗(yàn)醫(yī)師的解讀能力，經(jīng)驗(yàn)不足的學(xué)生在制訂術(shù)前設(shè)計時容易遺漏重要的信息，導(dǎo)致手術(shù)設(shè)計的不完善。VR 技術(shù)可直觀地呈現(xiàn)手術(shù)部位的三維影像，以更全面的方式展現(xiàn)患者的相關(guān)信息，降低手術(shù)設(shè)計的難度，可供學(xué)生反復(fù)練習(xí)并供手術(shù)醫(yī)師檢查、指導(dǎo)。此外，學(xué)生也可通過與手術(shù)醫(yī)師制定的手術(shù)設(shè)計比較，尋找差異之處，進(jìn)一步提升自己對術(shù)前設(shè)計的理解。

VR 輔助牙種植的術(shù)前設(shè)計流程包括： 將通過影像學(xué)檢查獲取的頜骨數(shù)據(jù)及牙列模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維規(guī)劃程序兼容的格式，導(dǎo)入SimPlant、SurgiCase、Procera 等種植體設(shè)計軟件，根據(jù)缺牙間隙、牙槽骨高度、下牙槽神經(jīng)管等重要解剖結(jié)構(gòu)的位置設(shè)計種植體的大小、 位置、方向。 通過軟件的方式具象化手術(shù)設(shè)計，學(xué)生經(jīng)過簡單的培訓(xùn)即可上手，并能快速掌握相關(guān)操作技術(shù)。此外，術(shù)前設(shè)計數(shù)據(jù)還可用于實(shí)現(xiàn)更高效的醫(yī)患溝通，減少學(xué)生臨床見習(xí)期間的醫(yī)患矛盾，也可通過3D 打印技術(shù)制作數(shù)字化導(dǎo)板，輔助種植體精準(zhǔn)植入。由于這種設(shè)計方法效果好、并發(fā)癥風(fēng)險低，已普遍應(yīng)用于牙種植的術(shù)前設(shè)計。

正頜外科常用的術(shù)前設(shè)計方法包括VTO 分析、模型外科和計算機(jī)輔助設(shè)計。隨著影像學(xué)的發(fā)展與數(shù)字化技術(shù)的成熟，計算機(jī)輔助設(shè)計已成為主流設(shè)計方法。 其流程包括：通過Mimics 等醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)利用CT 數(shù)據(jù)構(gòu)建顱骨及牙列的三維模型，使用Freeform 等模型設(shè)計軟件切割、旋轉(zhuǎn)、平移構(gòu)建的顱頜面三維模型，設(shè)計手術(shù)方案的同時可直觀地預(yù)測手術(shù)效果。 VR 技術(shù)輔助正頜外科手術(shù)設(shè)計有如下幾個突出的優(yōu)點(diǎn)：①對頜骨進(jìn)行的每一步操作都可被精確地量化，學(xué)生能夠詳細(xì)地了解手術(shù)流程，在觀摩手術(shù)時，受益更大；②三維模型可直觀地展示手術(shù)設(shè)計，為正頜醫(yī)師、正畸醫(yī)師、患者的良好溝通提供了可視化的媒介； ③術(shù)前術(shù)后數(shù)據(jù)保存方便，可用于學(xué)生回溯整個治療流程，加深理解，改進(jìn)術(shù)式、開展回顧性研究、構(gòu)建自動化手術(shù)設(shè)計軟件等用途。

（2）VR 技術(shù)也可用于開展口腔頜面外科虛擬手術(shù)培訓(xùn)。

口腔頜面外科疾病發(fā)生率不高，良惡性腫瘤、頜面部骨折、間隙感染、唇腭裂、牙合面畸形等疑難疾病患者往往集中于三甲綜合醫(yī)院或口腔專科醫(yī)院[2]。 這導(dǎo)致了口腔頜面外科醫(yī)學(xué)生難以完成實(shí)習(xí)大綱的病種要求。實(shí)際上， 一流口腔院校的學(xué)生也少有手術(shù)操作的機(jī)會，多為現(xiàn)場觀摩或擔(dān)任醫(yī)師助手。 而VR 訓(xùn)練系統(tǒng)可模擬真實(shí)的臨床環(huán)境，提供逼真的視覺渲染、觸覺感受、聽覺信息，并且無臨床操作風(fēng)險，相較于傳統(tǒng)臨床教學(xué)更具指導(dǎo)意義。 此外，VR 系統(tǒng)還能構(gòu)建不同的臨床場景，學(xué)生可根據(jù)操作技能的熟練程度自行選擇訓(xùn)練類型，可充分調(diào)動其學(xué)習(xí)熱情，化被動學(xué)習(xí)為主動求知。 部分VR 訓(xùn)練系統(tǒng)還能根據(jù)操作時長、操作部位的準(zhǔn)確度等客觀指標(biāo)生成個性化評估報告，便于學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)操作中的不足。這種及時且客觀的反饋式學(xué)習(xí)更有利于學(xué)生臨床技能的學(xué)習(xí)。且這種學(xué)習(xí)方式也減輕了帶教老師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，使其有更多精力對學(xué)生進(jìn)行針對性指導(dǎo)。

VirTeaSy ImPlant Pro 是一種虛擬植入物手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)，配備了力學(xué)反饋系統(tǒng)，可逼真地模仿牙種植術(shù)中的觸覺反饋，提升學(xué)生對骨密度的感知能力；其輔助系統(tǒng)，可在學(xué)生鉆孔的位置、角度和深度不正確等情況下發(fā)出警報，及時指出操作不當(dāng)之處；此外還配置有可供師生實(shí)時互動的顯示器[4-5]。 有的種植牙VR 訓(xùn)練系統(tǒng)還可模擬不同位置缺牙或骨吸收類型的患者，并提供不同的病史來模擬真實(shí)的就診情況[6]。

Mimics 等醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)可利用CT 數(shù)據(jù)構(gòu)建顱頜面的三維模型，操作人員可通過佩戴VR 眼鏡和數(shù)字手套/手柄，對頜骨進(jìn)行切割、分離、位移、旋轉(zhuǎn)等操作，以此模擬各類正頜外科手術(shù)，見圖2。

圖2 使用VR 系統(tǒng)模擬正頜外科手術(shù)

此外也存在下牙槽神經(jīng)阻滯牙科麻醉、 頜下腺摘除、人體解剖的VR 訓(xùn)練系統(tǒng)。

2.2 AR 技術(shù)的臨床教學(xué)應(yīng)用

相較于身體其他部位，口腔擁有獨(dú)特且復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)：存在復(fù)雜的血管神經(jīng)網(wǎng)，毗鄰眼球、大腦等重要器官，操作空間狹窄、視野受限，不當(dāng)?shù)牟僮鲗?dǎo)致嚴(yán)重的后果。 這是導(dǎo)致口腔頜面外科手術(shù)難度較高的重要因素。如何實(shí)現(xiàn)手術(shù)部位及周圍重要解剖結(jié)構(gòu)的可視化是備受關(guān)注的教學(xué)問題與臨床問題。傳統(tǒng)的計算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)可通過標(biāo)記點(diǎn)匹配術(shù)區(qū)結(jié)構(gòu)與影像學(xué)資料，并通過定位裝置實(shí)時追蹤手術(shù)器械在體內(nèi)的位置、判斷其與重要解剖結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系[7]。 使醫(yī)師能夠?qū)崟r追蹤手術(shù)過程、預(yù)測操作結(jié)果、減少手術(shù)并發(fā)癥的出現(xiàn)，從而提高手術(shù)的精準(zhǔn)性和安全性。與之不同，AR 技術(shù)可利用影像學(xué)資料構(gòu)建目標(biāo)結(jié)構(gòu)的三維模型，并將其匹配疊加于術(shù)區(qū)之上，可直接顯示術(shù)區(qū)內(nèi)部的解剖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)術(shù)區(qū)結(jié)構(gòu)可視化。 更加直觀、更具指導(dǎo)意義。 此外，傳統(tǒng)計算機(jī)輔助導(dǎo)航需注視術(shù)區(qū)外的顯示屏來追蹤手術(shù)器械，AR技術(shù)可使用頭盔型顯示器、光學(xué)透視型顯示器，或采用投影，在手術(shù)醫(yī)師注視手術(shù)部位的同時，將三維模型疊于手術(shù)部位。 省去轉(zhuǎn)化二維信息的過程，避免因目光移至顯示屏導(dǎo)致的器械掉落、誤操作等失誤，改善手眼協(xié)調(diào)的問題，降低手術(shù)難度[8]。這降低口腔頜面外科手術(shù)的門檻，使學(xué)生可以更早達(dá)到臨床操作標(biāo)準(zhǔn)，增加其實(shí)踐機(jī)會、縮短培訓(xùn)周期，減少年輕醫(yī)師因不熟悉解剖結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的非必要損傷。

種植牙因更加美觀、舒適，壽命更長、修復(fù)性能更好的特點(diǎn)，已成為主流的缺失牙修復(fù)方式。 為了保證種植成功、種植牙正常行使功能，需對種植體的型號、植入方向與深度等要素進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計及對設(shè)計進(jìn)行精準(zhǔn)的實(shí)施[9]。 傳統(tǒng)方法主要通過臨床檢查和影像資料分析制訂方案， 提前制備種植導(dǎo)板以引導(dǎo)種植體避開上頜竇、下牙槽神經(jīng)管等重要解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域。 將AR 技術(shù)用于牙種植，可在種植區(qū)中直接顯現(xiàn)預(yù)先設(shè)計的種植牙或種植路徑的虛擬影像，手術(shù)醫(yī)師可以此為參照植入種植體，無需制作種植導(dǎo)板。 且實(shí)習(xí)醫(yī)師只要簡單培訓(xùn)即可掌握。

正頜手術(shù)難度大， 需由經(jīng)驗(yàn)豐富的高級醫(yī)師執(zhí)行。AR 導(dǎo)航技術(shù)的引入，可降低正頜手術(shù)難度與門檻、提高手術(shù)安全性。AR 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)骨及截骨線的可視化，指導(dǎo)截骨操作[10]；也可直接顯示手術(shù)部位的重要神經(jīng)血管[11]，減少因損傷知名動靜脈導(dǎo)致的大出血和術(shù)后血腫、術(shù)中意外撕脫或切斷周圍神經(jīng)等并發(fā)癥。

此外，口腔頜面外科手術(shù)效果的臨床顯現(xiàn)具有滯后性，術(shù)后一段時間才能觀察到完整的治療效果。 即使手術(shù)效果不佳，經(jīng)驗(yàn)不足的實(shí)習(xí)醫(yī)師也很難回憶操作失誤在哪。 AR 技術(shù)顯示的術(shù)區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)可直接指導(dǎo)實(shí)習(xí)醫(yī)師進(jìn)行正確的操作，減少操作失誤的風(fēng)險。

在下牙槽神經(jīng)阻滯麻醉過程中， 受個體差異的影響，部分患者的翼下頜皺襞和頰脂墊尖并不明顯，實(shí)習(xí)醫(yī)師操作容易出現(xiàn)針尖過早接觸骨面或無法接觸骨面，導(dǎo)致麻醉效果不佳或需要反復(fù)穿刺，從而增加患者的痛苦。 通過AR 技術(shù)，實(shí)習(xí)醫(yī)師可以通過顯示屏看到整個下頜骨特別是下頜孔的位置，不需要特別的指導(dǎo)也能進(jìn)行精準(zhǔn)的下牙槽神經(jīng)阻滯麻醉[12]。

觀摩手術(shù)是頜面外科手術(shù)學(xué)習(xí)的重要方式，時常出現(xiàn)的視野遮擋對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有很大影響。在手術(shù)中使用AR 技術(shù)，協(xié)助醫(yī)師手術(shù)的同時，可幫助學(xué)生更直觀地學(xué)習(xí)手術(shù)操作。

2.3 MR 技術(shù)的臨床教學(xué)應(yīng)用

MR 作為VR 與AR 的融合產(chǎn)物， 結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)， 可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的遠(yuǎn)程手術(shù)： 手術(shù)者通過系統(tǒng)的AR模塊實(shí)現(xiàn)術(shù)區(qū)的可視化，同時通過系統(tǒng)的VR 模塊顯示遠(yuǎn)程專家的虛擬影像，在遠(yuǎn)程專家的手勢、語音等指導(dǎo)下，實(shí)施無法獨(dú)立完成的手術(shù)[13]。

通過類似的原理，遠(yuǎn)程教學(xué)有望得以實(shí)現(xiàn)：手術(shù)醫(yī)師在AR 模塊的輔助下進(jìn)行手術(shù)，學(xué)生在其他地方通過VR 模塊觀摩整場手術(shù)。遠(yuǎn)程教學(xué)可突破空間的限制，將手術(shù)醫(yī)師與學(xué)生分隔開來，既能減輕學(xué)生觀摩對手術(shù)醫(yī)師操作的影響、減少人員過多帶來的感染風(fēng)險，又能突破學(xué)生的人數(shù)限制，增加教學(xué)效率。

通過MR 系統(tǒng)，手術(shù)醫(yī)生不僅能夠?qū)崿F(xiàn)術(shù)區(qū)的可視化，還能通過手勢和語音命令，調(diào)出手術(shù)計劃的全息圖和三維模型，并根據(jù)需要將顯示的三維信息與手術(shù)視野無縫整合[14]。 部分MR 設(shè)備還能通過凝視來操控，并配備有與深度相機(jī)同步運(yùn)作的傳感器，后者可發(fā)射紅外光線，再根據(jù)其飛行時間進(jìn)行深度測量[15]。 可用于精確探測深部異物或腫瘤、精確控制去骨。 這些功能不僅能輔助手術(shù)醫(yī)生更高效、安全、快速地完成手術(shù)，還能幫助學(xué)生更快地掌握手術(shù)操作，降低手術(shù)風(fēng)險。

3 XR 技術(shù)的不足

雖然XR 技術(shù)在口腔頜面外科臨床教學(xué)有良好的應(yīng)用場景，但仍處于探索階段，有許多不足之處需要改善：①受技術(shù)水平的限制，現(xiàn)階段XR 提供的虛擬感知與真實(shí)感覺有一定的差距，學(xué)生在真正臨床操作時仍需一段時間去適應(yīng)感知的差異；②由于軟組織形變難以模擬，且軟組織具備的不穩(wěn)定性將影響圖像的重疊從而降低XR 系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，市面上的各類XR 系統(tǒng)多是針對硬組織操作開發(fā)的； ③相關(guān)XR 訓(xùn)練系統(tǒng)功能多且復(fù)雜，需要一定時間的學(xué)習(xí)才能熟練掌握；④大多數(shù)的設(shè)備需要手動設(shè)置標(biāo)志物、手動配準(zhǔn)，可能增加手術(shù)時間、增加人工誤差；⑤存在圖像遮擋，盡管可以調(diào)整透明度、明暗度、顏色，但虛擬影像仍會對手術(shù)者的視野產(chǎn)生不同程度的影響；⑥現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)XR 技術(shù)所需的軟硬件成本較高，大規(guī)模推廣有一定的困難。 見表1。

表1 擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)的臨床教學(xué)應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)

4 結(jié)語

XR 技術(shù)作為一類新興技術(shù)， 在現(xiàn)階段存在一系列不足導(dǎo)致其未能廣泛推廣，但它在口腔頜面外科臨床教學(xué)方面的作用是值得肯定的。 隨著XR 技術(shù)的不斷革新，國家對外科醫(yī)師臨床技能培訓(xùn)的逐漸重視，口腔頜面外科教學(xué)工作者不懈的探索，XR 技術(shù)一定能與傳統(tǒng)臨床教學(xué)方式有機(jī)結(jié)合，為我國口腔頜面外科醫(yī)生的培養(yǎng)作出貢獻(xiàn)。