虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在口腔醫(yī)學領域中應用的研究進展

孟凡皓，朱智慧，張小輝，張韜

(1中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)院，北京100032；2深圳羅湖區(qū)人民醫(yī)院)

經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(VR)和增強現(xiàn)實(AR)這兩項技術為我們的生活帶來很多改變，也逐漸被應用于醫(yī)學領域。VR是多種技術的高度結(jié)合，包括了模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設備等方面；它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，可以讓使用者完全沉浸到該環(huán)境中，并且通過有觸感反饋功能的控制器與虛擬環(huán)境進行互動。而AR可以實時計算攝影機影像位置、角度，配合圖像圖形技術，在屏幕上把虛擬圖像疊加在現(xiàn)實世界并進行互動。目前，已有報道在微創(chuàng)肝臟手術[1]中運用AR技術將肝臟內(nèi)部的血管和腫瘤的位置顯示在術區(qū)，也有學者嘗試將AR和MR技術應用于神經(jīng)外科[2]和泌尿外科[3]等學科。早在1997年Wagner等[4]介紹了AR的概念，并首次在AR設備的輔助下完成正頜手術；2001年Thomas等[5]開發(fā)的Impulse 2000訓練系統(tǒng)，可以模擬患者口腔內(nèi)患齲情況，用于醫(yī)學生臨床技能練習。近5年來，VR與AR技術在口腔醫(yī)學中的應用范圍越來越廣泛，主要包括臨床教學、術前設計和術中導航3個方面?，F(xiàn)就VR和AR在口腔醫(yī)學中的應用進展綜述如下。

1 臨床教學

頭頸部解剖結(jié)構(gòu)復雜，在狹小的范圍內(nèi)可能同時存在腺體、肌肉、神經(jīng)和血管等重要組織；在教學過程中僅依靠課本或視頻資料缺乏立體感和層次感，而尸體標本數(shù)量有限、價格高昂，這都為教學增加了困難。將VR技術應用到頭頸解剖教學中，可生動、立體地展現(xiàn)復雜的解剖結(jié)構(gòu)。2012年，李陽等[6]利用Dextroscope系統(tǒng)進行上頜動脈下頜段的三維解剖研究，并與實際標本進行對照，為減少上頜動脈下頜段的術中損傷提供解剖依據(jù)。結(jié)果表明虛擬解剖組所測得的相關數(shù)據(jù)與尸體組測得的實體數(shù)據(jù)一致，提示該技術具有可靠性與一定的優(yōu)越性。

操作技能的練習所用耗材成本較高，借助VR和AR系統(tǒng)，可為醫(yī)學生提供逼真的操作練習環(huán)境。目前已有用于正頜外科手術培訓的VR手術模擬系統(tǒng)[7,8]，該系統(tǒng)可以為使用者反饋操作的力度和器械運轉(zhuǎn)的速度，并能提示操作者截骨角度和距離與術前設計方案之間是否存在偏差。Miki等[9]介紹了一種模擬內(nèi)窺鏡輔助下完成頜下腺切除術的VR培訓系統(tǒng)，并通過試驗證實，初學者經(jīng)過7次練習后均更加熟練，手術所需時間較一開始明顯縮短。下牙槽神經(jīng)阻滯麻醉是頜面外科中一項基礎操作，但如果操作不慎可能會引起麻醉效果不佳或麻藥入血等問題，甚至造成更嚴重后果。Correa等[10]介紹了一種用于下牙槽神經(jīng)阻滯麻醉訓練的VR系統(tǒng)，可以評估注射位置和深度是否正確，并且提供近乎真實的進針感覺反饋。也有學者將傳統(tǒng)教材與AR技術相結(jié)合[11]，開發(fā)了一本貴金屬高嵌體預備教材，通過識別課本上每一章節(jié)的特殊“標識物”，AR設備就會將相應的操作過程以三維圖像的方式呈現(xiàn)在眼前，仿佛老師在眼前演示一樣。2013年，Kikuchi等[12]介紹了一種用于練習預備金屬烤瓷冠的VR系統(tǒng)。Llena等[13]對AR技術在培訓醫(yī)學生窩洞預備中的效果和使用滿意度進行研究，發(fā)現(xiàn)僅在一類洞的深度和二類洞頰、舌向預備范圍上與傳統(tǒng)教學方法相比有差異。彭春等[14]對VR技術在口腔正畸進修醫(yī)師教學中的應用效果進行探討，主要是進行虛擬正畸托槽粘貼和排牙培訓，通過培訓后進行問卷調(diào)查和理論成績對比發(fā)現(xiàn)，VR技術可顯著提高臨床進修醫(yī)師的學習主動性，利于對口腔正畸教學要點的理解，提高口腔正畸臨床操作技能的掌握，有助于口腔正畸臨床進修醫(yī)師教學。

近幾年，伴隨著VR模擬系統(tǒng)在口腔教學中越來越多的應用，比如大阪大學的HAP-DENT、伊利諾伊州的Periosim、荷蘭穆格Simodont和北京大學口腔醫(yī)院的iDental等系統(tǒng)，有諸多學者對VR和AR技術在口腔教學中的應用效果進行研究。2015年Wang等[15]對iDental系統(tǒng)的精確度進行評估，并分別從主觀和客觀上評價該系統(tǒng)在模擬牙體預備這項操作時的應用效果，發(fā)現(xiàn)還需在該系統(tǒng)中加入頰黏膜和支點才能更真實地還原口腔內(nèi)操作環(huán)境。Ioannou等[16]對VR手術模擬器和動物模型的培訓效果進行了對比研究，結(jié)果表明VR手術模擬器可以減少培訓的成本，并且培訓的效果也要優(yōu)于傳統(tǒng)的動物模型試驗。2016年，英國的Mirghani等[17]對Simodont牙科VR模擬器在口腔教學應用中的效果進行評估，發(fā)現(xiàn)Simodont評分結(jié)果可以反映出大一與大五學生的水平差異。

2 術前設計

頜面外科手術因其特殊的手術部位，手術的難度與風險較大，而且患者對美觀有較高的要求；術前對病變情況進行充分評估，可以更好地確定切除范圍，降低手術風險。VR和AR技術可以根據(jù)患者的CT或MRI數(shù)據(jù)進行三維重建，完整呈現(xiàn)病變的位置以及與重要解剖結(jié)構(gòu)的關系，可以幫助醫(yī)生在術前更好地進行手術規(guī)劃與方案設計；并且，VR技術憑借其出色的沉浸感和觸覺反饋設備，甚至可讓醫(yī)生在術前模擬手術，使手術更加安全、高效。Olsson等[18]運用VR技術模擬游離腓骨肌皮瓣重建下頜骨手術，可以通過VR系統(tǒng)在術前模擬腫瘤切除、腓骨重建方案設計及受區(qū)血管選擇，可以減小術中風險，獲得更好的手術效果。此外，有學者將VR技術應用于正畸和阻塞性呼吸暫停低通氣綜合征治療等方面。2016年Medellin-Castillo等[19]介紹了一種具有觸覺反饋功能的VR系統(tǒng)，可以將二維圖像上的標志點準確還原到三維重建模型上，幫助醫(yī)生準確確定頭影測量標志點，減少誤差和設計時間；并且，對需要正頜的患者，該系統(tǒng)還可以設計手術方案。李陽等[20]運用Dextroscope VR系統(tǒng)，借助CT數(shù)據(jù)進行重建與融合，獲得上呼吸道的三維圖像，在三維模型上對上氣道狹窄的區(qū)域進行測量，并根據(jù)測量結(jié)果，為患者選擇相應的手術方案進行治療。結(jié)果發(fā)現(xiàn)術后上氣道的狹窄部位均明顯擴大，各區(qū)段體積至少增大2倍以上，取得了良好的治療效果。VR技術可以將二維CT、MRI數(shù)據(jù)以三維立體的形式呈現(xiàn)在醫(yī)生的眼前，讓醫(yī)生更加直觀地了解病變信息。

3 術中導航

傳統(tǒng)術中導航只能顯示二維圖像，并且術者需要反復觀察屏幕與術區(qū)，這無疑增添了很多不便。AR技術憑借其與身邊環(huán)境實時交互的特點，可以將術前設計方案或是重要的解剖結(jié)構(gòu)以三維圖像的形式投射在術區(qū)，使術者實現(xiàn)裸眼觀察。2013年，Suenaga等[21]使用3D AR技術在實物模型上模擬截骨手術，以評估該系統(tǒng)的精準度和可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)術者裸眼所看到的圖像位置不會隨觀察的角度而改變，而且圖像與實物重合的精確度可以達到1 mm以下。2013年Lin等[22]介紹了一種基于AR技術的口腔種植系統(tǒng)，并通過術后CT數(shù)據(jù)來評估術前虛擬設計方案與實際預備位點之間的誤差。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，總共完成的40例種植體的位置均在安全范圍內(nèi)，深度和角度上的誤差是可以接受的。2015年，Liu等[23]利用AR技術在錐形束CT血管造影引導下行機器人舌癌切除手術，并與X線透視引導技術相對比，發(fā)現(xiàn)切除范圍更理想，并能更好地保護舌動脈等重要組織。雖然，現(xiàn)在大多數(shù)關于AR技術在術中應用還停留在實驗階段，但已有學者嘗試佩戴AR設備完成正頜手術，術中指導上頜骨的截骨和就位。2016年Zhu等[24]運用AR技術在頜面外科手術中將下牙槽神經(jīng)管的位置投射到術區(qū)，避免了術中損傷重要神經(jīng)。臨床中已經(jīng)有20例應用經(jīng)驗，包括偏突頜畸形、半側(cè)顏面短小和下頜角肥大等患者的整形手術，所有病例術后通過CT驗證都取得了滿意的結(jié)果；除1例術后出現(xiàn)血腫外，其余均未發(fā)生并發(fā)癥。這也為AR技術在術中的導航應用帶來了啟發(fā)。

2016年Profeta等[25]將AR技術和單光子發(fā)射計算機斷層成像術(SPECT)相結(jié)合用于檢測頭頸部腫瘤患者淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移與分布的情況，并借助AR技術來輔助完成淋巴結(jié)活檢手術。該實驗結(jié)合了γ探頭(類似于傳統(tǒng)放射引導手術)和追蹤系統(tǒng)(類似于導航設備)，為患者注射γ放射性同位素后，立即檢測頭頸部放射活性的分布情況，并以此來推斷有無可疑轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)，最終借助AR技術以圖像的形式將可疑淋巴結(jié)直接疊加顯示在術區(qū)，讓醫(yī)生裸眼就可以準確看到淋巴結(jié)的位置。

4 小結(jié)

目前，已有許多學者嘗試將AR和VR應用于口腔醫(yī)學的各領域當中，相較于傳統(tǒng)技術具有如下優(yōu)勢。①臨床教學：VR憑借完全沉浸式的特點和觸控設備實現(xiàn)交互反饋，可以為醫(yī)學生提供逼真的練習環(huán)境，節(jié)省教學成本。②術前設計：AR和VR都可以完全真實的還原患者的病灶位置、與重要解剖結(jié)構(gòu)的毗鄰關系等重要信息，不僅可用于設計手術方案，還可以用于與患者術前溝通，讓患者及家屬更好地了解手術風險或預后情況。③術中導航：AR憑借其可以與真實環(huán)境進行交互的優(yōu)勢，并且可以裸眼觀察，讓術者更好地了解病情。所以，AR與VR在醫(yī)學領域中有巨大的應用潛力。隨著技術的不斷發(fā)展，VR和AR技術在醫(yī)學中也將實現(xiàn)廣泛應用。目前已有學者完成AR技術與手術機器人結(jié)合完成下頜角切除術的可行性試驗，同一個標本的兩側(cè)下頜角分別通過機器人和醫(yī)生完成，對比發(fā)現(xiàn)并沒有明顯差異。VR和AR技術的應用必將為醫(yī)生提供更多的幫助，讓手術變得更加精準、客觀和高效，進一步提高醫(yī)療服務質(zhì)量，使患者和醫(yī)生都能從中獲益。