口腔醫學教育對虛擬現實模擬器的需求范文

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［摘要］虛擬現實（VR）及增強現實（AR）是未來趨勢，該技術領域以營造身臨其境的真實體驗為目標，在各行業及領域逐步研發及應用。當前，VR及AR模擬器正成為現代教育的重要組成部分。在口腔醫學領域，VR及AR被認為是一種強有力的輔助教學工具，其在臨床前培訓中可以顯著提高口腔醫學生的手眼協調能力及臨床操作能力。該文概述了基于口腔醫學背景的VR及AR模擬器特性，并探討了VR及AR在口腔醫學臨床前教育中的應用方式及前景。

［關鍵詞］增強現實；虛擬現實；牙科模擬器；醫學教育

口腔健康是全身健康的重要組成部分，且口腔健康與全身健康狀況密切相關。1995年和2005年開展的全國口腔健康流行病學抽樣調查資料顯示，10年間35歲以上成人患齲率和牙周疾?。ㄑ例l出血、牙石、牙周袋）檢出率均有所上升［1］。隨著老年人口數量的增加、老齡化社會結構的日益加重和經濟的持續增長［2］，民眾口腔健康的意識逐漸增強，口腔保健問題也越來越受到重視，對口腔醫生的需求也與日俱增。相較于其他專業而言，口腔醫學對于醫生的手眼協調能力、臨床技能訓練和診療經驗積累要求更高。而上述技能和素質的獲取則直接反映在學校的臨床前教育中。當前，世界各地的口腔教育機構皆希望通過完整的教育體系和培訓，在進行理論教育的同時，通過大量的實際操作練習和評估來完成口腔科醫生的培養。因此，在口腔醫學教育中，基于倫理學、醫生成長曲線等客觀現實，應用于模擬臨床操作的輔助產品開發技術將發揮越來越重要的作用。

1虛擬現實（VR）及增強現實（AR）的背景

隨著口腔醫學教育的不斷發展，各種模擬訓練的技術和方法正納入臨床前課程中，以提高口腔醫學生精細運動技能和臨床前的手眼協調能力，以使其得以自院校順利過渡到臨床環境。目前，模擬訓練已經成為口腔醫學教育中不可或缺的組成部分［3］，這在世界各地的口腔醫學教育機構已得到了公認。在專業教育課程中適當使用模擬訓練技術和方法，可以讓學生在不對患者造成可能傷害的前提條件下，提高學生的臨床操作技能。由于臨床培訓需求的增加、經驗豐富教師的缺乏、成本因素和教學與評估的趨勢變化，包括大學在內的口腔醫學教育機構著手開發基于模擬技術的教學及學習軟件，以提高學生的操作水平和學習能力。如今，基于計算機技術的不斷發展，多項虛擬技術可應用于口腔醫學臨床前教育，例如AR和VR。近年來，AR和VR作為連接數字世界與真實場景的紐帶，已被廣泛使用。VR是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，其利用計算機生成一種模擬環境，是一種多元信息融合、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真［4］。AR是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是將原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息，通過計算機技術模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，并被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗［5］。將AR和VR技術應用到口腔醫學臨床前教育中，將大大提高學生的動手操作能力，減少教學過程中的潛在風險，節約時間成本。目前，口腔醫學教育機構使用的模擬訓練教具多為逼真的人體模型及牙科模擬手術中所采用的牙科模型。將逼真的模型作為教具，雖然方便教師的講解及解釋，在模擬操作中也能提高學生的手眼協調能力和靈活性，但是教師很難向學生描述模型操作過程中的觸覺（即力反饋）。隨著VR及AR模擬器研究的不斷深入和推進，研究者嘗試開發新型口腔醫學教具，將觸覺（力反饋）和虛擬臨床環境引入臨床模擬練習中。該類新技術和教學工具的使用可以在提高學生手眼協調能力和臨床決策能力的同時，減少教學過程中教師和教育機構的時間成本和潛在風險。

2牙科模擬器

研究表明，畢業于不同國家或不同口腔醫學院校的畢業生，在相同的臨床條件下，可能會有不同的臨床決策［6］。這意味著在每個國家或學校都有自己的教學和評分方法。而VR和AR技術的引入則可能使不同的教學及評分方法呈現標準化的可能，以便學生可以獲得良好的臨床前操作技能及臨床決策能力。目前，市面上已存在多種牙科模擬器，如Den－tSim、Simodont等。大部分牙科模擬器將VR和AR系統結合，其中包括人體工程學的姿勢、即時反饋、考試模擬、數據實時傳送、使用牙齒類別和左右操作等。這些基于VR和AR技術的牙科模擬器，不僅整合了學習和教學系統，還能培訓操作者臨床技能，提高其手眼協調能力。同時，牙科模擬器還可以改善操作者的姿勢，輔助開發操作者的觸覺（力反饋），以提高操作者的臨床技能。許多關于VR和AR的技術可以訓練用戶，讓他們熟悉系統和掌握技能。牙科模擬器包含口腔基礎教學、手術技能訓練、手術操作審核等板塊，操作者能體驗特定操作所需要的力量、方向、角度等，系統還能記錄操作者操作過程中的力覺和運動數據，用于回放和分析，從而實現個性化的教育和培訓。本院擁有的uniDent模擬器是我國自主研制的首款視覺、力覺融合的多功能虛擬現實口腔模擬器，主要用于牙周及種植基礎教學、手術技能訓練、操作考核。在三維場景實施逼真繪制，擁有實時（1000Hz）、精細（準確區分皮膚、舌頭、牙齒剛度）力反饋等技術優勢。uniDent在硬件上由視覺顯示、3D教學平臺和觸覺感知3個部分組成。視覺顯示是利用計算機圖形技術建立逼真的口腔臨床操作環境，通過高清顯示器及平面反射鏡，使虛像與手部力覺空間精確配準。3D教學平臺通過高清觸控顯示屏進行人機界面交互，同時進行三維多媒體口腔基礎教學和考核評估，使學生理論知識學習和實踐操作訓練相結合。觸覺感知是通過雙手力覺反饋技術進行精確力覺感知，左手設備可模擬口鏡，右手設備可模擬刮治器、種植機等多種口腔科室手術器械。相較目前市面上已有的DentSim、Simodont模擬器，uniDent的考核評分規則更完善。例如齦上潔治方面，考核評分包含定量評價及定性評價。定量評價包括操作時間、去除牙石數目、誤操作數；定性評價包括器械選擇、握持方式、支點選取、用力方式、用力方向、尖端1／3、損壞牙齦等。對學生而言，完善的考核評分標準可以使其明確需要改進的操作；對教師而言，完善的考核評分標準可以改善教學方式及教授知識的側重點。

3口腔教育和VR、AR

口腔醫學生學習的關鍵是要確保基本概念被理解，同時基本操作被熟悉。當教育的目的是將知識轉移到現實世界并進行臨床操作，而不是記憶事實或程序時，模擬器的使用就更為有效。VR能夠讓學生在虛擬的環境中與教學內容互動，解決傳統課堂中互動性、情境性、沉浸性不強等問題。AR是VR技術的延伸。AR技術具有5個方面的特性，其在教育中的應用潛力主要體現在：抽象的學習內容可視化、形象化；支持泛在環境下的情境式學習；提升學習者的存在感、直覺和專注度；使用自然方式交互學習對象；傳統學習方式與新型學習方式相結合。VR及AR模擬器除幫助提高動手能力和提高手眼協調能力外，還可以幫助學生探索其對治療內容和概念的理解。VR及AR模擬器中進行自我評估的功能可以幫助學生衡量其作品的質量，并獲得改進的空間。VR及AR模擬器能將數據直接傳送給教師，使得教師對學生的學習質量、知識掌握程度有更直觀的了解。對學生而言，頻繁的反饋、反思和修正機會對于提高其學習質量至關重要。對教師而言，實時直觀地了解學生的學習狀態能更及時地改善教學進程，更有針對性地進行教學。使用VR及AR模擬器模擬牙科治療，使教師能夠更好地吸引學生，同時學生能建立自己的知識庫。這些模擬器能夠存儲和回放學生的工作，使學生能夠自我學習和評估。VR及AR模擬器的優勢在于，其允許靈活的學習與自我教學，而不局限于課堂培訓的時間，從而增加學生的培訓時間，并降低未來整體的培訓成本。目前，牙科模擬器仍存在諸多限制，如觸覺反饋不靈敏，對學生的操作反饋較少等。這項技術很大程度上仍然需要在各個步驟進行大量改進。VR及AR學習環境不僅僅是一個技術平臺或工具，更可能是一種新的教學模式［7］?？谇唤逃型诤闲滦徒逃砟詈陀嬎銠C技術，從而在高等教育中成功運用計算機相關AR和VR技術來重塑教學和學習過程。

4小結

自20世紀90年代以來，VR及AR技術的研究日益深入，適用領域日益廣闊?？谇唤逃I域具有直接反饋和客觀評價功能的VR及AR模擬器可能會成為未來口腔教育的重要工具。目前，VR及AR模擬器已具有諸多功能，如人體工程學的姿勢、即時反饋、考試模擬等，但仍有許多問題需要改進，例如提高觸覺敏感度、相關模塊開發等。VR及AR模擬器與口腔教育的結合，可以顯著改善傳統教育的缺陷。在未來的口腔教育領域，VR及AR模擬器有非常廣闊的應用前景。

參考文獻

［1］任延方．中國國民口腔健康需求，口腔醫學教育及住院醫師培訓的現狀與思考［J］．中華口腔醫學雜志，2015，50（8）：457－461．

［2］傅瑜弘．積極心理學視域下老齡人口生活質量提升研究［J］．北華大學學報（社會科學版），2018（6）：71－77．

［3］李春剛，馬斌，曹芳，等．軍隊中心醫院臨床教學基地建設的實踐與體會［J］．西南國防醫藥，2018，28（10）：982－983．

［4］黃奕宇．虛擬現實（VR）教育應用研究綜述［J］．中國教育信息化，2018（1）：11－16．

［5］蔡蘇，王沛文，楊陽，等．增強現實（AR）技術的教育應用綜述［J］．遠程教育雜志，2016，34（5）：27－40．

作者：陳陶 何清清 袁帥 王超 王思 單位：重慶醫科大學附屬口腔醫院種植科