基于MIMICS軟件的三維重建技術(shù)在兒童口腔醫(yī)學(xué)《牙內(nèi)陷》教學(xué)中的應(yīng)用思考

吳禮安 周子凌 白玉娣 高磊 張彩娣

[摘要] 目的 探討基于MIMICS軟件的三維重建技術(shù)在兒童口腔醫(yī)學(xué)《牙內(nèi)陷》章節(jié)的教學(xué)效率及質(zhì)量。 方法 基于MIMICS軟件的三維重建技術(shù)能夠突破平面視覺限制，將牙內(nèi)陷復(fù)雜抽象的解剖結(jié)構(gòu)以數(shù)字化三維模型的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，使其能夠多角度立體地觀察牙內(nèi)陷內(nèi)部結(jié)構(gòu)，便于理解及掌握。課程結(jié)束后對學(xué)生的教學(xué)效果進(jìn)行評估，并與傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行對比。 結(jié)果 基于MIMICS軟件的三維重建技術(shù)使學(xué)生對牙內(nèi)陷的理解程度明顯提高。 結(jié)論 基于MIMICS軟件的三維重建技術(shù)可有效提高教學(xué)效率與教學(xué)質(zhì)量，且操作簡單，易于掌握。

[關(guān)鍵詞] 兒童口腔醫(yī)學(xué);三維重建技術(shù);牙內(nèi)陷;MIMICS軟件

[中圖分類號] G642 ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ? ? ? ?[文章編號] 1673-7210（2019）10（a）-0075-04

Thinking about 3D reconstruction technique based on MIMICS software in teaching application of Dens Invaginatus in pediatric dentistry

WU Li′an ? ZHOU Zilin ? BAI Yudi ? GAO Lei ? ZHANG Caidi

State Key Laboratory of Military Stomatology ?National Clinical Research Center for Oral Diseases ?Shaanxi Clinical Research Center for Oral Diseases ?Department of Pediatric Dentistry， Air Force Medical University School of Stomatology ?Shaanxi Province， Xi′an ? 710032， China

[Abstract] Objective To explore the teaching efficiency and quality of Dens Invaginatus in pediatric dentistry using a three-dimensional reconstruction technique based on MIMICS software. Methods The three-dimensional reconstruction technique based on MIMICS software could present the digitized three-dimensional model of an abstract anatomy of dens invaginatus to the dental undergraduates， the multiangle and stereoscopic inside structure was observed with breaking through the limitation of plain vision， and easy to understand and master. The teaching effect of the undergraduates was evaluated after class and compared with the one using traditional teaching manner. Results The understanding of dens invaginatus of the undergraduates was improved obviously using this three-dimensional reconstruction technique based on MIMICS software. Conclusion This technique can effectively enhance the teaching efficiency and quality， which is easy to manipulate and master.

[Key words] Pediatric dentistry; Three-dimensional reconstruction technique; Dens invaginatus; MIMICS software

隨著人民生活水平的日益提高，家長對兒童口腔健康的重視程度也日益增加。因此，兒童口腔醫(yī)學(xué)已成為口腔醫(yī)學(xué)教育中的重要組成部分。兒童口腔醫(yī)學(xué)是以年齡劃分的獨立口腔全科，兒童生長發(fā)育的特殊性與口腔診療的獨特性決定了兒童口腔專科醫(yī)生除掌握其他口腔學(xué)科的基本理論和基本技術(shù)外，還要結(jié)合兒童的生理心理學(xué)特點掌握與兒科相關(guān)的醫(yī)學(xué)知識[1-2]。同時，兒童口腔醫(yī)學(xué)綜合了“拔、補(bǔ)、鑲、矯、防”等多個口腔醫(yī)學(xué)學(xué)科的內(nèi)容，包括口腔頜面外科學(xué)、牙體牙髓病學(xué)、口腔修復(fù)學(xué)、口腔預(yù)防醫(yī)學(xué)、口腔正畸學(xué)等。兒童口腔醫(yī)學(xué)是一門專科性、理論性、實踐性、應(yīng)用性都很強(qiáng)的學(xué)科[2-6]，但是有許多內(nèi)容十分抽象，加之課堂教學(xué)時間有限，很難做到讓學(xué)生真正、完全的理解。牙內(nèi)陷就是其中的一個教學(xué)難點，更是一個重點。因而，改良教學(xué)手段，使抽象的內(nèi)容變得直觀、具體，容易理解和記憶，學(xué)生在臨床實習(xí)階段接觸患者時能夠準(zhǔn)確理解、正確診斷、自如運用非常重要。雖然現(xiàn)代信息技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用（如網(wǎng)絡(luò)課程、教學(xué)光盤、多媒體課件等），但當(dāng)前口腔醫(yī)學(xué)教育主流的授課方式仍是文字和二維平面圖像[7]，且對于牙內(nèi)陷等結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要較強(qiáng)空間想象力加以理解的內(nèi)容則不能完全滿足。本文介紹了一種基于MIMICS軟件的三維重建技術(shù)，并將其應(yīng)用于兒童口腔醫(yī)學(xué)《牙內(nèi)陷》教學(xué)中，其中的體會與思考供大家探討。

1 離體牙數(shù)字化三維模型的建立

1.1 實驗器材與軟件環(huán)境

硬件系統(tǒng)：臺式電腦（Dell Precision T7600 臺式工作站，Windows7旗艦版64位操作系統(tǒng)，E5-2643中央處理器）;內(nèi)存（DDR3，32 G，1333 MHz）;專業(yè)顯卡（NVIDIA Quadro 4000）;硬盤（1 TB，7200 RPM）;錐形束CT（microCT）（Siemens Inveon，德國;掃描分辨率：40 μm;像素矩陣：2048×3072）。MIMICS軟件系統(tǒng)（MIMICS 17，Materialise Belgium）。

1.2 數(shù)字化三維模型的建立

征求患者同意后，收集臨床因牙周病而拔除的正常形態(tài)上側(cè)切牙與牙內(nèi)陷上側(cè)切牙，要求牙體完整，無齲壞，根尖發(fā)育完成，切端無明顯磨損。采用microCT獲取其三維數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為DICOM格式后導(dǎo)入MIMICS軟件。

牙髓腔與牙體硬組織的灰度值差異較大，程序可自動提取牙髓腔輪廓;但牙釉質(zhì)與牙本質(zhì)灰度值差異較小，程序無法自動提取，為避免混亂，手動提取。具體方法為：在microCT水平橫斷圖像釉牙本質(zhì)界處提取若干標(biāo)記點，通過連接各標(biāo)記點，獲取每一斷層中同一牙釉質(zhì)的輪廓。通過逐層疊加，獲取牙釉質(zhì)與牙本質(zhì)的三維形態(tài)。對牙周膜的建立參照文獻(xiàn)[8-9]中的方法，即牙根向外偏移0.2 mm，建立牙周膜的模型。最后采用分辨率較高的顏色對各個結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)注，即可建立反映牙體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維模型，包括牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙髓和牙周膜。通過對三維模型進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，從不同角度立體觀察內(nèi)陷牙的解剖結(jié)構(gòu)。

2 三維重建模型在《牙內(nèi)陷》教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 課程設(shè)置

該課程開設(shè)于口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)本科5年制第4學(xué)年、8年制第5學(xué)年。以衛(wèi)生部規(guī)劃、全國高等學(xué)校教材《兒童口腔醫(yī)學(xué)》為教材，利用牙齒發(fā)育異常這一章節(jié)理論課程4學(xué)時中的1學(xué)時進(jìn)行理論授課，隨后進(jìn)行1學(xué)時軟件操作練習(xí)。

2.2 教學(xué)方法

理論教學(xué)采用課堂教學(xué)方式，內(nèi)容包括介紹牙內(nèi)陷的定義、病因、分類、臨床表現(xiàn)、診斷標(biāo)準(zhǔn)、治療原則等。教員利用幻燈片及多媒體視頻方式課堂講授25 min，之后15 min結(jié)合牙內(nèi)陷的臨床照片及X線、microCT截面圖，在計算機(jī)上對牙內(nèi)陷三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放縮，并對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步解析，幫助學(xué)生從多角度對牙內(nèi)陷解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與理解，形成直觀印象。

實驗教學(xué)需借助數(shù)字化實驗室，將離體牙數(shù)字化三維模型導(dǎo)入預(yù)先安裝MIMICS軟件的計算機(jī)中。教員先利用5 min回顧理論課內(nèi)容，并強(qiáng)調(diào)重點;剩余時間結(jié)合視頻展示牙內(nèi)陷臨規(guī)范化治療步驟，指導(dǎo)學(xué)生掌握三維軟件的操作方法，并根據(jù)前期授課內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生觀測牙內(nèi)陷三維模型的各個細(xì)節(jié)部分。利用MIMICS軟件的手術(shù)模塊，學(xué)生可在虛擬模型上模擬開髓或根尖手術(shù)過程，同時教員巡回進(jìn)行操作輔助和問題答疑。下課前5 min左右進(jìn)行課程總結(jié)，并列出思考題。

2.3 教學(xué)效果評價

為評估教學(xué)效果，實驗課結(jié)束后進(jìn)行隨堂測試。內(nèi)容為口腔執(zhí)業(yè)醫(yī)師理論考試中牙內(nèi)陷的相關(guān)試題，題型為單項選擇題及多項選擇題，同時發(fā)放教學(xué)意見反饋表。將統(tǒng)計結(jié)果與上一學(xué)年采用傳統(tǒng)講授式教學(xué)的同一學(xué)制學(xué)生的測試結(jié)果進(jìn)行比較。

3 教學(xué)效果評價結(jié)果

隨堂測試結(jié)果顯示，學(xué)生的答題正確率較上一學(xué)年同學(xué)制學(xué)生有明顯提高。教學(xué)意見反饋表顯示，采用數(shù)字化三維模型教學(xué)，不僅解決了傳統(tǒng)牙內(nèi)陷教學(xué)過程中學(xué)生不易理解，甚至理解錯誤的知識點，而且激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動力，提高了其獨立思考的能力，使學(xué)生對高新技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用有了更深刻的理解，促使學(xué)生不斷更新知識，養(yǎng)成良好的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。

4 三維重建模型在《牙內(nèi)陷》教學(xué)中的應(yīng)用思考

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教育模式多采用“填鴨式教育”，老師單方面輸出，與學(xué)生在課堂上的溝通交流較少，學(xué)生在課堂上多是被動接受，對于主動與老師溝通有羞澀和恐懼心理。近年來，關(guān)于兒童口腔醫(yī)學(xué)教學(xué)改革方案很多[10]，如翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法[11-12]、問題導(dǎo)向教學(xué)法[13]、OMT法[14]、OSCE法[15-16]、PBL教學(xué)法[17-18]、CBL教學(xué)法[18-19]、TBL教學(xué)法[20]、微課[21-23]等。這些改革方法主要是對授課方法進(jìn)行改進(jìn)，較少有教學(xué)論文是關(guān)于如何幫助學(xué)生更好地理解知識點。兒童口腔醫(yī)生在對兒童進(jìn)行口腔治療時，不僅要關(guān)注患兒，還需要事先向家長介紹患病情況、治療計劃、疾病風(fēng)險、費用等問題，獲得家長的理解和信任，從而順利完成治療。這就要求接診醫(yī)師對疾病的本質(zhì)有著足夠深刻的了解。因此對兒童口腔專科醫(yī)生的培養(yǎng)應(yīng)更加嚴(yán)格，不僅要求其具有高度專業(yè)的臨床操作能力，還要對不同學(xué)科知識有著深刻的理解[24]。兒童口腔醫(yī)學(xué)是一門綜合性學(xué)科，涉及的知識點廣而深，對于較深的知識點，如何幫助學(xué)生更好地理解，激發(fā)和啟迪學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生臨床思維能力，是教員的責(zé)任與義務(wù)[25-27]。這就要求教員具備更加多元的教學(xué)能力，使不同層次的學(xué)生均能掌握好各個知識點，充分發(fā)揮主觀能動性和團(tuán)隊協(xié)作性[28-29]。

牙內(nèi)陷是口腔臨床的一種常見病，發(fā)病率可達(dá)0.04%～12%[30]。由于其解剖結(jié)構(gòu)特殊、分類方法眾多、治療難度極大，是口腔醫(yī)學(xué)教學(xué)中的一個重點與難點。當(dāng)前我國現(xiàn)行的口腔醫(yī)學(xué)體系中，牙內(nèi)陷屬于口腔內(nèi)科學(xué)的范疇，在牙體牙髓病學(xué)與兒童口腔醫(yī)學(xué)中均有涉及。對該內(nèi)容理解和掌握的程度，決定了學(xué)生畢業(yè)后對相關(guān)疾病的處理能力。結(jié)合以往的學(xué)生反饋及考核結(jié)果可以看出，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，學(xué)生對于牙內(nèi)陷內(nèi)容的理解與掌握仍存在較大欠缺與偏差。

針對這一教學(xué)問題進(jìn)行研究探討，發(fā)現(xiàn)主要有兩個原因：首先，對于理論授課，學(xué)生以聽講、思考和記憶為主，由于牙內(nèi)陷解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙髓相互堆疊嵌套，需要很強(qiáng)的空間想象能力。而現(xiàn)行的教材及相關(guān)資料，均為文字?jǐn)⑹?，或是二維X線、CT截面圖，對于牙內(nèi)陷的理解有相當(dāng)大的難度，相當(dāng)一部分學(xué)生的理解甚至是錯誤的。其次，學(xué)生對于實驗課普遍表現(xiàn)出極大的興趣和熱情，樂于親自動手，但傳統(tǒng)的實驗課通常不包含這一內(nèi)容，因為無法獲取足夠數(shù)量的、完整的內(nèi)陷牙供學(xué)生使用，只能通過臨床見習(xí)甚至是觀看錄制的臨床治療視頻熟悉其治療步驟，或利用模擬人及仿真頭顱模型模擬臨床操作過程[31]，這對于沒有臨床經(jīng)驗的本科生，顯然難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。如果理論課上對相關(guān)知識點的掌握不夠充分，更是難以對臨床治療相關(guān)步驟與選擇有一個正確的理解。通過對部分畢業(yè)生的回訪發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生是在相關(guān)治療出現(xiàn)失誤后，才重新對牙內(nèi)陷的各解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行反思，最終得以正確認(rèn)識，這也不可避免地對治療及醫(yī)患關(guān)系產(chǎn)生不利影響?；诖?，采用三維重建技術(shù)，將原本抽象的解剖結(jié)構(gòu)具體化、可視化，加深理解并指導(dǎo)學(xué)生自行對牙內(nèi)陷三維模型進(jìn)行觀測，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性及主觀能動性，對自己尚未掌握的部分加深理解，將各基礎(chǔ)學(xué)科和臨床知識點連貫、滲透、融會貫通，從而培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和橫向思維能力，提高靈活運用知識的能力及邏輯思維能力[29]。與傳統(tǒng)教學(xué)方法比較，多媒體授課的優(yōu)勢在于多媒體課件可以涵蓋更多教學(xué)素材，提高學(xué)生對常見口腔疾病的認(rèn)識，更好地掌握其臨床特征[32-33]。

近年來隨著計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)可將掃描得到的三維數(shù)據(jù)、斷層二維圖像序列重建成三維圖像，并實現(xiàn)立體視圖的可視化。目前，microCT或錐形束CT（CBCT）均可獲取高精度的三維數(shù)據(jù)，相比較而言，microCT獲取的三維數(shù)據(jù)精度更高，但僅限于離體牙，且僅部分院校配備。CBCT可獲取患者牙齒的三維數(shù)據(jù)，相對于microCT更加普及，絕大多數(shù)院校甚至部分診所均有配備。而MIMICS軟件是目前應(yīng)用最為廣泛的醫(yī)學(xué)圖像三維重建軟件，可對三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、測量等，通過多角度觀察及測量分析，其內(nèi)置的手術(shù)模塊可對多種手術(shù)過程進(jìn)行模擬[34-36]。本文介紹的基于MIMICS軟件的三維重建技術(shù)，較其他三維重建技術(shù)操作簡單，不需要復(fù)雜的計算機(jī)專業(yè)知識，適合醫(yī)學(xué)專業(yè)人員掌握。

將三維重建技術(shù)引入《牙內(nèi)陷》口腔醫(yī)學(xué)教學(xué)中，不僅可保持傳統(tǒng)多媒體教學(xué)的直觀、生動，同時可加強(qiáng)圖像的形象性和精確性，學(xué)生可以從各個角度，各個層次，更好地理解內(nèi)陷牙解剖結(jié)構(gòu)和治療過程，解決了傳統(tǒng)教學(xué)無法表述清楚的重點和難點內(nèi)容。實踐結(jié)果顯示，將三維重建技術(shù)引入《牙內(nèi)陷》復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的教學(xué)，不僅有利于學(xué)生理解與記憶，有效提高教學(xué)效率及質(zhì)量，還可極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)其創(chuàng)造性思維和解決問題的能力，不失為一種有益的嘗試。

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（收稿日期：2019-05-08 ?本文編輯：任 ? 念）