數(shù)字化口內(nèi)掃描和三維模型分析技術(shù)在口腔臨床教學(xué)中的應(yīng)用

聶萍 姜寧 朱妍菲 楊秩 劉加強(qiáng) 朱敏

近年來(lái)，數(shù)字化口腔醫(yī)學(xué)技術(shù)已成為口腔醫(yī)學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)之一，數(shù)字化技術(shù)的引入將改變口腔醫(yī)學(xué)傳統(tǒng)的診療、教學(xué)和科研模式[1]。目前，計(jì)算機(jī)三維數(shù)字化技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用涉及資料收集、診斷分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制作等多個(gè)方面。其中，數(shù)字化口內(nèi)掃描和三維模型分析技術(shù)已逐步成為口腔醫(yī)生臨床診療的有效工具[2-3]。正頜外科學(xué)是口腔醫(yī)學(xué)中理論性和實(shí)踐性極強(qiáng)的一門交叉學(xué)科[4]，在正頜正畸聯(lián)合治療理論知識(shí)的授課方面，以往的臨床教學(xué)中，教師多采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，即對(duì)藻酸鹽制取的石膏牙模型進(jìn)行診斷分析[5]，學(xué)生缺乏對(duì)數(shù)字化牙頜模型的三維立體空間感知認(rèn)識(shí)，使得后續(xù)對(duì)正頜正畸聯(lián)合治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)無(wú)法充分領(lǐng)會(huì)。如何整合傳統(tǒng)和數(shù)字化技術(shù)教學(xué)資源，并發(fā)揮我科數(shù)字化三維設(shè)計(jì)學(xué)科平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，從而增強(qiáng)口腔醫(yī)學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)，以提高臨床教學(xué)效果，是我們致力于研究的課題。

本研究旨在將數(shù)字化口內(nèi)掃描和三維模型分析技術(shù)應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)本科生的臨床教學(xué)中，通過(guò)考察學(xué)生牙頜模型分析的準(zhǔn)確度及問(wèn)卷調(diào)查評(píng)估臨床授課效果，為今后數(shù)字化虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建及整合課程教學(xué)模式的改革提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

選取上海交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院2016級(jí)口腔臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)本科學(xué)生40人為研究對(duì)象，隨機(jī)分為A、B兩組，每組各20人。A組進(jìn)行數(shù)字化口內(nèi)掃描和三維模型分析教學(xué)，B組進(jìn)行傳統(tǒng)藻酸鹽印模制取和石膏模型分析教學(xué)。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)字化模型與傳統(tǒng)模型分析測(cè)量的準(zhǔn)確度比較

A組：先由教師采用iTero Element口內(nèi)掃描儀(Align Technology公司，美國(guó))對(duì)受試志愿者進(jìn)行口內(nèi)掃描獲取三維數(shù)字模型，并利用OrthoCAD(Cadent，美國(guó))分析軟件示范教學(xué)三維數(shù)字化模型測(cè)量分析(圖1)。B組：先由教師示范傳統(tǒng)藻酸鹽印模制取及灌注石膏模型步驟，利用游標(biāo)卡尺對(duì)石膏模型進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量分析示范教學(xué)(圖2)。在明確操作步驟和方法后，兩組學(xué)生分別進(jìn)行實(shí)操練習(xí)，并記錄各組模型分析測(cè)量數(shù)據(jù)，包括牙弓長(zhǎng)度、牙弓寬度、前牙覆及覆蓋、Spee曲線曲度、牙列擁擠度以及Bolton指數(shù)等測(cè)量結(jié)果。選擇一名從事口腔臨床教學(xué)工作10年以上的教師，分別對(duì)同一數(shù)字化模型和傳統(tǒng)石膏模型進(jìn)行相應(yīng)的分析測(cè)量，每個(gè)模型測(cè)量3次，取平均值作為基準(zhǔn)值。將每位學(xué)生的測(cè)量數(shù)據(jù)與教師基準(zhǔn)值相減，取其絕對(duì)值作為測(cè)量差值以評(píng)估模型分析測(cè)量的準(zhǔn)確度。隨后兩組學(xué)生交換示范教學(xué)和實(shí)操內(nèi)容。

圖1 數(shù)字化牙模型的測(cè)量分析Fig. 1 Measurement and analysis of digital dental model

圖2 牙石膏模型的手動(dòng)測(cè)量分析Fig. 2 Manual measurement and analysis of dental plaster model

1.2.2 兩種不同教學(xué)模式的評(píng)價(jià)

所有學(xué)生分別對(duì)兩種教學(xué)模式進(jìn)行評(píng)分，并采用問(wèn)卷調(diào)查形式分析學(xué)生對(duì)兩種教學(xué)模式的評(píng)價(jià)。學(xué)生根據(jù)自己對(duì)不同教學(xué)模式的體驗(yàn)進(jìn)行評(píng)分，0分為最低分，10分為最高分?；谧陨淼膶W(xué)習(xí)體會(huì)及感想，分別就兩種教學(xué)模式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)選擇評(píng)價(jià)。

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

數(shù)字化與傳統(tǒng)教學(xué)的模型分析測(cè)量準(zhǔn)確度結(jié)果顯示，在牙弓長(zhǎng)度、牙弓寬度、前牙覆及覆蓋的測(cè)量結(jié)果上兩組無(wú)明顯差異(P>0.05)，而在Spee曲線曲度、牙列擁擠度和Bolton指數(shù)測(cè)量項(xiàng)目上，與教師測(cè)量的基準(zhǔn)值相比，數(shù)字化教學(xué)模式的測(cè)量差值小于傳統(tǒng)教學(xué)模式，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，表明在口腔臨床教學(xué)中，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用能提高學(xué)生對(duì)模型分析測(cè)量方法的掌握程度，且測(cè)量準(zhǔn)確度高于傳統(tǒng)教學(xué)模式。

表1 兩種教學(xué)方式的模型分析測(cè)量準(zhǔn)確度比較Table 1 Comparison of model analysis and measurement accuracy of two teaching methods

學(xué)生對(duì)數(shù)字化和傳統(tǒng)教學(xué)模式的體驗(yàn)評(píng)分結(jié)果分別為(8.95±0.65)分和(7.52±0.56)分，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。對(duì)A、B兩組進(jìn)行匿名問(wèn)卷調(diào)查，共發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷40份，回收有效問(wèn)卷40份。問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生認(rèn)為數(shù)字化教學(xué)模式“生動(dòng)新穎有趣”(95.5%)、 “精確性及可重復(fù)性好”(75%)、 “有利于理論知識(shí)的掌握”(78.5%)、“有助于提高操作技能”(88%)、“有助于增強(qiáng)對(duì)牙頜面畸形病例的分析理解”(80.5%)。與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，87.5%的學(xué)生更喜歡數(shù)字化教學(xué)模式，認(rèn)為口腔數(shù)字化技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置有助于提高三維模型分析閱讀能力，希望今后繼續(xù)開(kāi)展。

3 討論

3.1 口腔正頜正畸臨床教學(xué)中引入數(shù)字化教學(xué)模式的必要性

傳統(tǒng)的正頜正畸臨床教學(xué)方法是應(yīng)用X線頭影測(cè)量、石膏模型測(cè)量、一般輔助檢查等，向?qū)W生講授牙齒、牙弓、頜骨、面部軟組織各個(gè)結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，進(jìn)一步揭示牙頜面畸形的病因和機(jī)制，從而作出診斷并制訂治療方案[3]。但口腔正畸和正頜外科學(xué)研究的是具有顱頜面三維立體結(jié)構(gòu)的牙頜面畸形患者，傳統(tǒng)的二維檢查方法由于放大、變形、重疊等問(wèn)題，會(huì)使某些解剖結(jié)構(gòu)的定位和測(cè)量缺乏準(zhǔn)確性，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)困難，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)教學(xué)的要求[6]。數(shù)字化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為口腔疾病的診療、研究、教學(xué)開(kāi)辟了迥異于傳統(tǒng)的思路和模式[7]。在口腔醫(yī)學(xué)整合課程教學(xué)的改革中，數(shù)字化技術(shù)臨床教學(xué)資源的整合和利用對(duì)于目前口腔醫(yī)學(xué)教學(xué)環(huán)境來(lái)說(shuō)是一個(gè)必然要求[3]。三維數(shù)字化技術(shù)具有精確度高、真實(shí)反映三維形態(tài)、高效便捷、可視化和可操作性等優(yōu)勢(shì)，已在口腔各專業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，極大地提高了診療的精確性和直觀性[8]。因此，將三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于口腔臨床教學(xué)中，不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，通過(guò)三維立體動(dòng)態(tài)的教學(xué)模式，增加臨床教學(xué)的趣味性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并且對(duì)提高口腔醫(yī)學(xué)生數(shù)字化思維及三維模型分析閱讀能力有較好的促進(jìn)作用。

3.2 在口腔正頜正畸的臨床教學(xué)中采用數(shù)字化教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)

在傳統(tǒng)的臨床教學(xué)中，采用分規(guī)或游標(biāo)卡尺手動(dòng)測(cè)量方法得到每個(gè)牙冠寬度、牙弓必需間隙和牙弓可用間隙，從而計(jì)算牙列的擁擠度和Bolton指數(shù)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，因受到測(cè)量工具和石膏模型的限制容易產(chǎn)生明顯誤差，如遇到鄰牙接觸緊密時(shí)，學(xué)生不能準(zhǔn)確確定鄰牙的分界點(diǎn)，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差。而在數(shù)字化模型上進(jìn)行擁擠度分析時(shí)，學(xué)生可以不受模型和測(cè)量工具的限制，測(cè)量分析軟件呈現(xiàn)的多角度視圖能幫助學(xué)生更加準(zhǔn)確地定點(diǎn)，并且可在三維空間內(nèi)無(wú)阻擋地進(jìn)行測(cè)量，從而加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)于中重度擁擠復(fù)雜病例的測(cè)量分析能力[9]。

此外，在口腔正頜正畸的理論教學(xué)中，要讓學(xué)生掌握牙頜面畸形的形成機(jī)制、診斷及治療方案的制訂，教學(xué)過(guò)程中需要清楚闡明牙頜面畸形患者的牙、骨骼和軟組織之間的關(guān)系，以及術(shù)前、術(shù)后正畸治療和正頜手術(shù)中牙、骨骼和軟組織的移動(dòng)改建過(guò)程。這些都涉及空間和時(shí)間的四維因素，需要具備一定的抽象思維能力。數(shù)字化教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)在于，不僅能有效降低傳統(tǒng)教學(xué)模式中的測(cè)量誤差，多維角度地進(jìn)行觀察測(cè)量，并且可以從二維空間拓展到三維空間，從靜態(tài)拓展到動(dòng)態(tài)[10]。例如利用iTero Element數(shù)字化口內(nèi)掃描儀的軟件平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)模擬排牙試驗(yàn)，其具有方便快速、無(wú)損、可重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，能即刻初步模擬正畸治療的牙移動(dòng)過(guò)程或正頜手術(shù)的咬合跳躍移動(dòng)。而且排牙過(guò)程會(huì)形成演示動(dòng)畫(huà)，使學(xué)生對(duì)牙齒移動(dòng)有更加深刻的理解。利用此數(shù)字化虛擬仿真軟件和大數(shù)據(jù)平臺(tái)，初步模擬動(dòng)態(tài)排牙過(guò)程，變抽象為具體，降低了教學(xué)的難度，增加了學(xué)生對(duì)難點(diǎn)知識(shí)的理解和興趣，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，從而提高了臨床教學(xué)的效果[9]。

綜上所述，本研究結(jié)果表明在口腔正頜正畸臨床教學(xué)中引入數(shù)字化口內(nèi)掃描和三維模型分析技術(shù)獲得了較好的教學(xué)效果，并獲得學(xué)生的好評(píng)。隨著三維數(shù)字化技術(shù)在口腔專業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，在傳統(tǒng)教學(xué)中融合三維數(shù)字化教學(xué)模式是口腔臨床和教學(xué)實(shí)踐努力的方向，亦是實(shí)現(xiàn)口腔臨床教學(xué)效果全面提升的有效方式。