虛擬現(xiàn)實與3D打印技術(shù)在牙種植領(lǐng)域的應(yīng)用研究

黃鵬宇 朱永清 何炳蔚 俞宏根 朱國鋒 魏翔

摘 要：將虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）與3D打印相結(jié)合旨在培訓(xùn)和選擇出最優(yōu)方案。進行近似真實手術(shù)操作環(huán)境下的牙種植過程模擬，能顯著增強牙種植手術(shù)培訓(xùn)的效果。本文論述了兩項技術(shù)的應(yīng)用過程，即通過三維建模后賦予物體物理特性以及相互關(guān)系，建立起人機交互的虛擬手術(shù)環(huán)境，再利用3D打印技術(shù)打印出離體牙用于練習(xí)操作。一方面該技術(shù)用于培訓(xùn)可以大大降低手術(shù)培訓(xùn)的時間及費用，提高初學(xué)者手術(shù)操作的熟練程度及精細水準(zhǔn)，另一方面在手術(shù)前根據(jù)實際情況模擬出具體的操作情境，最終抉擇出最佳方案，這樣可大大提高手術(shù)的成功率。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；牙種植；手術(shù)模擬；手術(shù)培訓(xùn)

中圖分類號：R783 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）02-0162-03

Abstract：The combination of virtual reality（VR）and 3D printing is aimed at training and selecting the best plan. Simulating the dental implant process under the approximate real operating environment can significantly enhance the effect of dental implant training. In this paper，the application process of two technologies is discussed，that is，the physical characteristics of the object and the relationship between them are endowed after 3D modeling，the virtual operation environment of human-computer interaction is established，and the teeth in vitro are printed out by three-dimensional printing technology for practice operation. On the one hand，this technology can greatly reduce the time and cost of surgical training，improve the proficiency and fine level of operation for beginners，on the other hand，simulate the specific operation situation according to the actual situation before operation，and ultimately choose the best scheme，which can greatly improve the success rate of surgery.

Keywords：3D（three-dimensional） printing technology；virtural reality technology；tooth implantation；simulation of operation；operation training

0 引 言

在醫(yī)學(xué)手術(shù)過程中，經(jīng)驗豐富的教授主任往往能夠更好地完成，因其擁有大量的手術(shù)實踐經(jīng)歷，且能將曾做過的手術(shù)進行類比，進而根據(jù)患者實際情況制定相應(yīng)計劃，使手術(shù)成功率大大提高。但經(jīng)驗豐富的老專家是需要時間長河的堆疊才能成就的，而專家們所經(jīng)歷的手術(shù)與現(xiàn)實情況還是有一定差別的，完全根據(jù)以往的經(jīng)驗來實施手術(shù)，有時也難以做出最好的手術(shù)方案，更不用說對于那些經(jīng)驗僅停留在教科書上，實踐不足的大部分年輕醫(yī)生們，完成一次成功的手術(shù)，實在是一個巨大挑戰(zhàn)。

以牙種植手術(shù)為例：牙種植手術(shù)指的是一種以植入骨組織內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來支持、固位上部牙修復(fù)體的缺牙修復(fù)方式。它包括下部的支持種植體（dental implant）和上部的牙修復(fù)體（dental prosthesis，implant-supported）兩部分。它采用人工材料（如金屬、陶瓷等）制成種植體（一般類似牙根形態(tài)），經(jīng)手術(shù)方法植入組織內(nèi)（通常是上下頜）并獲得骨組織牢固的固位支持，通過特殊的裝置和方式連接支持上部的牙修復(fù)體。

手術(shù)的不可逆與成本較高的特性，對牙種植醫(yī)護水平提出了更高的要求。同時需要親自操刀的醫(yī)生對患者的口腔情況能進行獨立分析，這在很大程度上會影響手術(shù)的精確度及效果，根據(jù)實際情況及相關(guān)經(jīng)驗制定并篩選出較合理的手術(shù)方案（角度，力度，方位等），然后進行模擬預(yù)測試，最終確定一項最佳方案，可大大提高手術(shù)精確度。

因此，針對傳統(tǒng)培訓(xùn)過于抽象及實際手術(shù)的不可重復(fù)性，為了做到低成本高精度地模擬重復(fù)不同的真實的手術(shù)過程，在客觀條件的限制下最大程度地保證培訓(xùn)的吸收效率及手術(shù)的成功率，本項目提出采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用方法。

一方面，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為受訓(xùn)者模擬出近似真實的手術(shù)操作環(huán)境，這種新型培訓(xùn)方式優(yōu)于傳統(tǒng)的教科書培訓(xùn)的地方，體現(xiàn)在其可觀性，具體性及可短時間內(nèi)掌握具體的操作細節(jié)等方面。另一方面，在一些頗具難度的手術(shù)中，醫(yī)生可以在實際手術(shù)前時通過VR模擬現(xiàn)實情境并在3D打印出的模擬樣品中進行預(yù)操作來進行方案選擇，從而保證實際手術(shù)操作的精準(zhǔn)高效，進而減少手術(shù)并發(fā)癥，提高手術(shù)成功率，增加手術(shù)的安全性。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)是一門建立在多學(xué)科高端發(fā)展成果上的新興邊緣學(xué)科，它涉及到計算機圖形學(xué)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人機交互接口、傳感與測量、微電子技術(shù)和精確力反饋系統(tǒng)等眾多相關(guān)科研領(lǐng)域[1]。而在每個人都非常關(guān)心的醫(yī)療領(lǐng)域中，VR技術(shù)也發(fā)揮著十分重要的作用。VR技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用于手術(shù)培訓(xùn)、手術(shù)預(yù)演、臨床診斷和醫(yī)療教學(xué)各個環(huán)節(jié)。運用VR技術(shù)可以使醫(yī)務(wù)工作者沉浸于虛擬的場景內(nèi)，通過視、聽和觸覺感知來學(xué)習(xí)各種手術(shù)操作，體驗并學(xué)習(xí)如何應(yīng)對臨床手術(shù)中的實際情況。這樣不僅可以節(jié)約培訓(xùn)醫(yī)務(wù)人員的費用和時間，也能使非熟練人員進行手術(shù)的風(fēng)險大大降低，對提高醫(yī)學(xué)教育與訓(xùn)練的效率和質(zhì)量以及改善醫(yī)學(xué)手術(shù)水平發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀有特殊意義。

本項目的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用部分，總體上可分為兩步實現(xiàn)。首先利用3DS Max（3D Studio Max）等建模軟件進行建模，再將模型導(dǎo)入Unity3D軟件，賦予其物理特性以及相互關(guān)系，即可使用虛擬現(xiàn)實硬件交互設(shè)備體驗虛擬手術(shù)操作。該部分所應(yīng)用到的軟件主要有：3DS Max、Mimics（Materialise Interactive Medical Image Control System）和Unity3D，應(yīng)用到的虛擬現(xiàn)實硬件交互設(shè)備主要有：HTV Vive頭顯和VR手柄。

整個過程可具體分為以下五個步驟（詳細見視頻）。

第一，利用合作醫(yī)院提供的口腔CT，使用Mimics軟件來重建口腔模型，該模型只包括牙齒和骨骼。再用3DS Max軟件制作一個鉆頭模型。將兩種模型導(dǎo)入Unity3D軟件，賦予物理特性以及相互關(guān)系，使得鉆頭觸碰到牙齒時，會出現(xiàn)一個具有一定深度與大小的錐形孔洞。鉆頭以VR手柄來操縱，鉆頭工作時有震動效果。但這個孔洞的形成無法使其中途停止，也無法控制孔洞大小。（見圖1、圖2和圖3）。

第二，使用Unity3D軟件編寫程序，進一步完善此項交互。完善結(jié)果表現(xiàn)為：按住手柄按鍵則鉆頭開始工作，觸碰到牙齒時，牙齒與鉆頭重合的部分消失，形成孔洞。松開按鍵則鉆頭停止工作，孔洞不再擴大或加深。按住VR手柄按鍵時，同樣有震動效果。

第三，進行牙齒周圍的神經(jīng)、血管與粘膜的分布模擬。利用合作醫(yī)院提供的口腔CT，使用Mimics軟件來完善口腔模型，進行神經(jīng)、血管與粘膜的分布模擬。神經(jīng)、血管與粘膜以不同顏色加以區(qū)分。

第四，使用3DS Max軟件制作各種型號的鉆頭和種植釘。將制作好的鉆頭與種植釘模型導(dǎo)入Unity3D軟件，在Unity3D軟件中編程，使各種型號的鉆頭與種植釘顯示在口腔模型的右側(cè)，并且可以使用VR手柄選取任意型號的鉆頭或種植釘進行操作。

第五，將完善的口腔模型導(dǎo)入Unity3D軟件，在Unity 3D軟件中編程，使得鉆頭或種植釘觸碰到神經(jīng)或血管時，操作者收到聽覺反饋，實現(xiàn)對手術(shù)失誤的報錯。

整個過程所構(gòu)建的虛擬手術(shù)情境，以文字、圖片等信息進行補充，結(jié)合人機交互設(shè)備，高精細度呈現(xiàn)牙種植的手術(shù)場景。視覺、聽覺和觸覺等感官的模擬使操作者可以沉浸在系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬場景中，對場景中的虛擬信息進行操作，從而身臨其境地進行牙種植手術(shù)的模擬操作。

2 3D打印技術(shù)應(yīng)用

3D打印技術(shù)是依托于計算機、三維數(shù)字成像及多層次連續(xù)打印等技術(shù)而發(fā)展成的一種快速成型技術(shù)。其主要包括數(shù)據(jù)采集與獲取、數(shù)據(jù)導(dǎo)入后三維重建及3D打印三維模型等3步。3D打印與傳統(tǒng)制造最大的區(qū)別是前者為“增材制造”，而后者為“減材制造”。“增材制造”簡化了制造程序，提高了生產(chǎn)效率。因此，3D打印具有速度快、精度高、可成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)、個性化和批量生產(chǎn)等優(yōu)點[3]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)所構(gòu)建的手術(shù)場景，雖然逼真且具有可重復(fù)練習(xí)等優(yōu)點，但畢竟是虛擬場景，和實際牙種植手術(shù)操作有一定差別，因此需要有實體模型來進行進一步的訓(xùn)練或考核。在現(xiàn)階段的口腔內(nèi)科教學(xué)、操作模擬等方面，多采用離體牙進行操作練習(xí)來提高口腔內(nèi)科操作技能。由于離體牙來源限制、不可復(fù)制、交叉感染和倫理問題等原因而無法用于大規(guī)模操作培訓(xùn)，而樹脂牙和塑料塊又與真實牙齒解剖形態(tài)相差較大，仿真性較差，效果也不理想[4]。

而采用3D打印技術(shù)制作口腔模型，可以很好地解決這些問題。

第一，利用3D打印技術(shù)具有個性化的特點，制作出的口腔模型可以精確模擬各種病例，有利于提高學(xué)生的牙種植技術(shù)水平，加深對牙種植手術(shù)的認(rèn)識，這對將來正確應(yīng)對手術(shù)中出現(xiàn)的各種情況具有較大意義。

第二，利用3D打印技術(shù)可成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點，使口腔模型可以精確呈現(xiàn)牙齒周圍的血管等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且牙齒與周圍組織銜接自然，形態(tài)逼真，減少了操作者在日后的牙種植手術(shù)中誤傷血管或神經(jīng)的風(fēng)險，顯著增強了手術(shù)培訓(xùn)效果。（見圖4，圖5）。

第三，利用3D打印技術(shù)精度高的特點，制作出的口腔模型與實際的誤差小，更為精確。有利于減少操作者在實際牙種植手術(shù)中因手術(shù)不精準(zhǔn)、種植體角度不佳或安裝不精密而造成的失誤。第四，利用3D打印技術(shù)可批量生產(chǎn)的特點，可以實現(xiàn)實體牙模型大規(guī)模操作培訓(xùn)的運用。

設(shè)備與材料：3D打印機（SPS 600B）、光硬化樹脂。

3 結(jié) 論

本項目以種植牙手術(shù)中的培訓(xùn)與手術(shù)前的方案選擇模擬為例，研究將3D打印與VR技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。種植牙手術(shù)需保證最佳種植位點與多牙間保持共同就位道，且某些牙術(shù)區(qū)鄰近上頜竇或神經(jīng)管等，手術(shù)難度較大，針對不同情況往往需要進行不同的方案來適配，如果手術(shù)不精準(zhǔn)、種植體角度不佳或安裝不精密，則會損害鄰牙，拉傷神經(jīng)、造成牙周炎，導(dǎo)致患者疼痛及影響種植牙使用壽命。因此，對于牙種植手術(shù)的培訓(xùn)及一些特殊情況的術(shù)前模擬就顯得尤為重要。但由于牙種植手術(shù)的實施區(qū)域是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的口腔，由此產(chǎn)生的對手術(shù)的高精細度要求和模擬手術(shù)的高成本限制，使得牙種植醫(yī)師的手術(shù)訓(xùn)練成為一個難題。以書本授課、模具操作和現(xiàn)場觀摩等方式開展的醫(yī)學(xué)教學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)方法，不可避免地存在理論知識抽象難懂、實踐與臨床脫節(jié)等問題。本項目針對牙種植手術(shù)培訓(xùn)的一系列問題，采用虛實結(jié)合的方式，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)全方位模擬手術(shù)場景，利用3D打印技術(shù)制作實體口腔模型，大大降低了手術(shù)培訓(xùn)的時間及費用，提高了初學(xué)者手術(shù)操作的熟練程度及精細水準(zhǔn)，使得高精度仿真的應(yīng)用，得以大規(guī)模地實現(xiàn)。并且進行手術(shù)前的方案選擇也達到了前所未有的模擬準(zhǔn)度，降低了手術(shù)難度，進而減少了手術(shù)并發(fā)癥，提高了手術(shù)成功率，增加了手術(shù)的安全性。

參考文獻：

[1] 楊建，劉福祥.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在牙種植領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展前景 [J].國際口腔醫(yī)學(xué)雜志，2008（S1）：261-266.

[2] 鄧曉軍，秦向陽，高鵬，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用 [J].重慶醫(yī)學(xué)，2017，46（18）：2582-2584.

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[4] 宋穎，唐雷，吳補領(lǐng)，等.構(gòu)建3D打印牙齒模型及其形態(tài)仿真性研究 [J].中國臨床解剖學(xué)雜志，2016，34（3）：298-302+307.

[5] 孫成，于金華.3D打印技術(shù)在口腔臨床的應(yīng)用 [J].口腔生物醫(yī)學(xué)，2014，5（1）：49-52.

作者簡介：黃鵬宇（1995.06-），男，福建羅源人，本科，研究方向：醫(yī)工結(jié)合。