虚拟现实技术在口腔诊疗操作培训中的应用(1)
[摘要]虚拟现实(VR)是近年来迅速发展起来的一项高新技术，其操作技能模拟器不但可以模拟实际临床中的常规病例和疑难病例，供学生反复练习其诊疗要领，还可以连续记录操作过程的三维运动和力数据，进行回放观摩和分析，使教学、训练和考核环节变得可量化和标准化，不依赖于特定教师的经验，便于教学和考核；具备沉浸感、想象性和交互性等本质特征。在口腔医学教育领域，VR技术通过建立集成力学和视觉显示的虚拟仿真环境，逼真地再现了口腔医师对真牙操作时的感觉和信息。VR技术在口腔医学各专业领域的操作技能培训中的应用，将改善当下业界仍主要采用体外牙和人工牙来训练口腔医师触觉感知能力及操作技巧的教育环境，有望探索出一条培训口腔医师操作技能的新方法。
[关键词]虚拟现实技术；医学教育；口腔；操作培训
[中图分类号]R78
[文献标志码]A
操作是口腔医学诊疗活动中的一项必须的技能，操作技能的培训在口腔医学中不可或缺。迄今为此，口腔诊疗操作技能培训所采用的体外牙石膏模型和人工牙联合仿头模训练系统，皆存在着一定的局限。其一，体外牙的供给有限；其二，人工牙与真牙在结构和材料上存在着差别，训练时的真实感和有效性不尽如人意；其三，模型较单一，无法模拟实际临床中常见的病例和疑难病例供学生反复练习其诊疗操作要领。虚拟现实(virtual reality，VR)操作技能模拟器不但可以模拟实际临床中的常规病例和疑难病例，供学生反复练习其诊疗要领而不额外增加成本；还可以连续记录操作过程的三维运动和力数据，进行回放观摩和分析，使教学、训练和考核环节变得可量化和标准化，不依赖于特定教师的经验，便于教学和考核；不受材料和时空限制地重复进行规范化训练，因此VR系统是未来最合适的口腔诊疗操作技能培训工具。
1 虚拟现实技术
VR技术是一门建立在多学科高端发展成果上的新兴的边缘技术，涉及计算机图形学、人工智能、网络技术、计算机仿真技术、人机交互接口、传感与测量、微电子技术和精确力反馈系统等众多相关科研领域，具备沉浸感、想象性和交互性三个本质特征。VR是利用计算机技术生成一个实时三维虚拟环境模型，通过完善的传感设备使使用者沉浸其中，同时生成相应的反馈信息，提供使用者关于视觉、听觉和触觉等感官的模拟，让使用者身临其境，可即时无限制地观察三维空间内的事物。
近年来，医学VR训练系统以其安全，即时交互，过程标准、规范，便于监控，没有伦理风险，呈现出逐渐替代在活体动物、尸体甚至人体上进行技能训练的趋势，成为越来越重要的诊疗技能学习工具。在口腔医学领域，更多更完善的VR诊疗操作技能培训系统不断涌现。1990年，Ranta等提出了设计VR牙体窝洞预备操作培训系统的概念。Thomas等开发的Impulse 2000训练系统，可模拟检测龋的病变。这些VR系统主要由操作者、力觉交互设备、设备控制器和仿真计算机等子系统构成，涉及牙体、牙周，口腔修复和口腔颌面外科等多专业领域。
2 虚拟现实技术在口腔领域中的应用
VR技术是21世纪影响人们生活的重要技术之一，已被广泛地应用到军事、教育、医疗、娱乐和工业等领域。在其他医学诊疗方面，VR技术的应用集中于虚拟手术、虚拟人、远程诊疗系统、医学教育等方面，而在口腔医学教育领域，VR技术目前主要集中在临床仿真模拟教学和虚拟手术两个方面。国际上多所大学及公司已开发或正在开发的具有各种功能的VR模拟系统如下表所示(表1、2)。
3 虚拟环境
在VR中，力觉交互系统是最核心的组成部分，主导着操作者对于虚拟操作的感知效果。力学交互仿真系统包括虚拟环境建模、物理仿真模型(碰撞检测、虚拟力计算)、力觉渲染和图形显示几个子系统。其中，首先应建立虚拟环境，它包括口颌模型、虚拟牙体及虚拟工具。
3.1口颌模型的建立
口颌面是口腔医师操作的基本环境，VR技术应首先建立一个虚拟的口颌模型。为了营造逼真的三维口颌模型，应记录口面部重要的解剖位点。美国国立卫生研究院通过扫描可利用遗体的冰冻切片和CT记录数据，建立了由1392个三维点，2209个三角形网格构成的数据网络，其中包括唇、颊、上腭、下颌、舌、牙龈、喉、腭垂和牙体。
3.2虚拟牙体
牙体由釉质、牙本质、牙髓和牙骨质构成，每一种组织的硬度、质感和颜色均不相同，口腔医师都需要通过感知牙体组织的形态、颜色、硬度和质感来指导自己的操作。牙体具有复杂的外形和多重物理属性，建立一个不同区域可实现不同机械硬度的虚拟牙体，在形态上能够形成细微几何特征并能实现病变组织与健康组织之间的物理属性差异，对于医师在操作过程中可否获得更真实的触觉和力觉感受至关重要。
Yoshida等设计的多层结构式牙体模型，北京航空航天大学与北京大学口腔医院合作开发的口腔手术模拟原型系统均采用了相似的建模原理。通过激光扫描体外牙将获得牙体轮廓数据作为原始数据，三维重建后可得到由三角片网络表达的模型。在三角片中对不同区域组织的物理属性进行设置，包括将面弹性系数，面阻因子，面动态摩擦因子和静摩擦因子储存在该三角片数据结构中。模型建立后，通过碰撞检测和响应来判断虚拟化身(牙体模型)与被操作物体是否碰撞，记录碰撞产生的嵌入位置、深度和方向等信息，从而完成二者相接触时的力学交互状态。当这些基本条件具备后，才可根据各种作用于牙体上的操作动作，计算出操作所产生的接触力及此力对物体运动状态、形状或拓扑结构产生的影响，最终完成力学响应，模拟出触力觉。
根据不同专业化操作所需的虚拟环境，可以建立不同的组织模型，例如龋坏牙，附牙石的牙体，牙体缺损牙，牙周炎病理模型等。
3.3虚拟工具
工具的建模类似于牙体模型的建模过程，但工具为动态模型。根据实际所用的各类口腔诊疗工具，例如尖探针、牙周探针、手机、钻针、洁治器和刮治器等，通过激光扫描获得工具轮廓数据，再将其物理属性储存于相似的三角片网络数据结构中。, http://www.100md.com(石巧 侯建霞)
[关键词]虚拟现实技术；医学教育；口腔；操作培训
[中图分类号]R78
[文献标志码]A
操作是口腔医学诊疗活动中的一项必须的技能，操作技能的培训在口腔医学中不可或缺。迄今为此，口腔诊疗操作技能培训所采用的体外牙石膏模型和人工牙联合仿头模训练系统，皆存在着一定的局限。其一，体外牙的供给有限；其二，人工牙与真牙在结构和材料上存在着差别，训练时的真实感和有效性不尽如人意；其三，模型较单一，无法模拟实际临床中常见的病例和疑难病例供学生反复练习其诊疗操作要领。虚拟现实(virtual reality，VR)操作技能模拟器不但可以模拟实际临床中的常规病例和疑难病例，供学生反复练习其诊疗要领而不额外增加成本；还可以连续记录操作过程的三维运动和力数据，进行回放观摩和分析，使教学、训练和考核环节变得可量化和标准化，不依赖于特定教师的经验，便于教学和考核；不受材料和时空限制地重复进行规范化训练，因此VR系统是未来最合适的口腔诊疗操作技能培训工具。
1 虚拟现实技术
VR技术是一门建立在多学科高端发展成果上的新兴的边缘技术，涉及计算机图形学、人工智能、网络技术、计算机仿真技术、人机交互接口、传感与测量、微电子技术和精确力反馈系统等众多相关科研领域，具备沉浸感、想象性和交互性三个本质特征。VR是利用计算机技术生成一个实时三维虚拟环境模型，通过完善的传感设备使使用者沉浸其中，同时生成相应的反馈信息，提供使用者关于视觉、听觉和触觉等感官的模拟，让使用者身临其境，可即时无限制地观察三维空间内的事物。
近年来，医学VR训练系统以其安全，即时交互，过程标准、规范，便于监控，没有伦理风险，呈现出逐渐替代在活体动物、尸体甚至人体上进行技能训练的趋势，成为越来越重要的诊疗技能学习工具。在口腔医学领域，更多更完善的VR诊疗操作技能培训系统不断涌现。1990年，Ranta等提出了设计VR牙体窝洞预备操作培训系统的概念。Thomas等开发的Impulse 2000训练系统，可模拟检测龋的病变。这些VR系统主要由操作者、力觉交互设备、设备控制器和仿真计算机等子系统构成，涉及牙体、牙周，口腔修复和口腔颌面外科等多专业领域。
2 虚拟现实技术在口腔领域中的应用
VR技术是21世纪影响人们生活的重要技术之一，已被广泛地应用到军事、教育、医疗、娱乐和工业等领域。在其他医学诊疗方面，VR技术的应用集中于虚拟手术、虚拟人、远程诊疗系统、医学教育等方面，而在口腔医学教育领域，VR技术目前主要集中在临床仿真模拟教学和虚拟手术两个方面。国际上多所大学及公司已开发或正在开发的具有各种功能的VR模拟系统如下表所示(表1、2)。
3 虚拟环境
在VR中，力觉交互系统是最核心的组成部分，主导着操作者对于虚拟操作的感知效果。力学交互仿真系统包括虚拟环境建模、物理仿真模型(碰撞检测、虚拟力计算)、力觉渲染和图形显示几个子系统。其中，首先应建立虚拟环境，它包括口颌模型、虚拟牙体及虚拟工具。
3.1口颌模型的建立
口颌面是口腔医师操作的基本环境，VR技术应首先建立一个虚拟的口颌模型。为了营造逼真的三维口颌模型，应记录口面部重要的解剖位点。美国国立卫生研究院通过扫描可利用遗体的冰冻切片和CT记录数据，建立了由1392个三维点，2209个三角形网格构成的数据网络，其中包括唇、颊、上腭、下颌、舌、牙龈、喉、腭垂和牙体。
3.2虚拟牙体
牙体由釉质、牙本质、牙髓和牙骨质构成，每一种组织的硬度、质感和颜色均不相同，口腔医师都需要通过感知牙体组织的形态、颜色、硬度和质感来指导自己的操作。牙体具有复杂的外形和多重物理属性，建立一个不同区域可实现不同机械硬度的虚拟牙体，在形态上能够形成细微几何特征并能实现病变组织与健康组织之间的物理属性差异，对于医师在操作过程中可否获得更真实的触觉和力觉感受至关重要。
Yoshida等设计的多层结构式牙体模型，北京航空航天大学与北京大学口腔医院合作开发的口腔手术模拟原型系统均采用了相似的建模原理。通过激光扫描体外牙将获得牙体轮廓数据作为原始数据，三维重建后可得到由三角片网络表达的模型。在三角片中对不同区域组织的物理属性进行设置，包括将面弹性系数，面阻因子，面动态摩擦因子和静摩擦因子储存在该三角片数据结构中。模型建立后，通过碰撞检测和响应来判断虚拟化身(牙体模型)与被操作物体是否碰撞，记录碰撞产生的嵌入位置、深度和方向等信息，从而完成二者相接触时的力学交互状态。当这些基本条件具备后，才可根据各种作用于牙体上的操作动作，计算出操作所产生的接触力及此力对物体运动状态、形状或拓扑结构产生的影响，最终完成力学响应，模拟出触力觉。
根据不同专业化操作所需的虚拟环境，可以建立不同的组织模型，例如龋坏牙，附牙石的牙体，牙体缺损牙，牙周炎病理模型等。
3.3虚拟工具
工具的建模类似于牙体模型的建模过程，但工具为动态模型。根据实际所用的各类口腔诊疗工具，例如尖探针、牙周探针、手机、钻针、洁治器和刮治器等，通过激光扫描获得工具轮廓数据，再将其物理属性储存于相似的三角片网络数据结构中。, http://www.100md.com(石巧 侯建霞)