增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在口腔頜面部解剖教學(xué)中的應(yīng)用

田 也，陳金龍

（四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院，四川 成都 610041）

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality,VR）技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)生成三維可視化的圖像，讓使用者能高度沉浸于虛擬場(chǎng)景中全方位地獲取信息[1]。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality,AR）在很多技術(shù)方面與虛擬現(xiàn)實(shí)相同，但也有明顯的本質(zhì)區(qū)別，其目的并不是構(gòu)建一個(gè)完全虛擬的環(huán)境，而是將計(jì)算機(jī)生成的圖像疊加到現(xiàn)實(shí)世界的圖像上[2]。換言之，使用者可通過機(jī)器看到周圍環(huán)境的物理視圖，然后通過疊加虛擬圖像，使我們能感受到真實(shí)的物理環(huán)境變得更為生動(dòng)和立體。平板電腦、手機(jī)、AR眼鏡和其他經(jīng)過優(yōu)化的可穿戴設(shè)備均可作為運(yùn)行AR應(yīng)用程序的硬件載體。

近年來，虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在娛樂、科技等相關(guān)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，各種科技產(chǎn)品層出不窮，醫(yī)療健康領(lǐng)域也不例外。1965年，Robert Mann首次將醫(yī)學(xué)虛擬系統(tǒng)用于骨科醫(yī)生住院醫(yī)師培訓(xùn)中。20世紀(jì)80年代后期，頭戴式顯示器作為可穿戴式設(shè)備用于醫(yī)學(xué)中的虛擬現(xiàn)實(shí)可視化。雖然期間也出現(xiàn)過關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)缺點(diǎn)的報(bào)道，包括惡心、頭暈、視力暫時(shí)受損以及缺乏臨場(chǎng)感[3]，但隨著各類影像技術(shù)的進(jìn)步和硬件設(shè)備的改進(jìn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，為臨床醫(yī)生提供了額外的指導(dǎo)信息。與此同時(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也開始在教育領(lǐng)域中有所應(yīng)用[4]?？谇唤馄收n教學(xué)的內(nèi)容是讓口腔醫(yī)學(xué)生對(duì)復(fù)雜的頜面部解剖結(jié)構(gòu)有準(zhǔn)確的認(rèn)知，是培養(yǎng)臨床操作技能的基礎(chǔ)。解剖學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵在于幫助學(xué)生在腦海中建立解剖結(jié)構(gòu)的模型，使其了解不同結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系。傳統(tǒng)的解剖學(xué)教學(xué)主要依賴課本文字、解剖圖譜、教學(xué)模具以及尸體解剖等，學(xué)生在接觸尸體解剖前主要靠憑空想象，在接觸尸體解剖后又容易手忙腳亂，很難達(dá)到理想的學(xué)習(xí)效果。筆者在此介紹一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)方式，以期將復(fù)雜的、抽象的頜面部解剖結(jié)構(gòu)以三維可視化的形式呈現(xiàn)，用于頜面部解剖的教學(xué)，從而達(dá)到革新教學(xué)方式、提高教學(xué)質(zhì)量和效率的目的。

1 對(duì)象和方法

1.1 教學(xué)對(duì)象

隨機(jī)選取四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院2016級(jí)口腔專業(yè)五年制20名本科三年級(jí)的學(xué)生作為教學(xué)對(duì)象，所有學(xué)生均學(xué)習(xí)過系統(tǒng)解剖學(xué)課程，但尚未學(xué)習(xí)口腔解剖生理學(xué)課程。通過抽簽的方式隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，每組10人。兩組學(xué)生性別、年齡經(jīng)非參數(shù)檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)對(duì)比，無顯著性差異（P＞0.05）。

1.2 制作基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的頜面部解剖教學(xué)模型

基于韓國(guó)“VisibleKoreanHuman”數(shù)據(jù)庫(kù)[5]，獲取原始解剖數(shù)據(jù)模型，導(dǎo)入FEIAmira-avizo軟件進(jìn)行3D模型的重建，使用AutodeskMaya軟件進(jìn)行糾錯(cuò)和優(yōu)化，并對(duì)表面進(jìn)行平滑處理，導(dǎo)出二進(jìn)制STL格式文件，其后導(dǎo)入平板電腦終端（由斯坦福大學(xué)臨床解剖系MatthewHasel友情提供其團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的AR工具系統(tǒng)）。

1.3 研究方法

教學(xué)內(nèi)容選用口腔面頸部局部解剖章節(jié)，學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)均限制為30分鐘。實(shí)驗(yàn)組采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的頜面部解剖教學(xué)模型進(jìn)行授課，對(duì)照組采用傳統(tǒng)授課模式，兩組均由同一高年資講師進(jìn)行指導(dǎo)。具體如下：實(shí)驗(yàn)組：結(jié)合本次授課內(nèi)容形成面頸部解剖模塊，運(yùn)用三維解剖軟件增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能，將解剖生理內(nèi)容實(shí)時(shí)嵌入。學(xué)生利用平板電腦、手機(jī)的攝像頭掃描教師提供的標(biāo)志完成注冊(cè)，然后通過全方位觀察3D頜面部圖像，對(duì)照提供的相應(yīng)教材文字內(nèi)容學(xué)習(xí)。對(duì)照組：學(xué)生通過解剖圖譜對(duì)照提供的相應(yīng)教材文字內(nèi)容學(xué)習(xí)。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

課堂教學(xué)結(jié)束后，兩組學(xué)生采用隨堂測(cè)驗(yàn)及教學(xué)評(píng)價(jià)的方式對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)估。在考核之后，兩組學(xué)生均對(duì)涉及教學(xué)效果的各個(gè)方面進(jìn)行考量，對(duì)不同教學(xué)模式進(jìn)行問卷評(píng)價(jià)。每項(xiàng)調(diào)查內(nèi)容按1～5共5個(gè)級(jí)別打分（1完全不符，5完全符合）。結(jié)果使用SPSS26、GraphPadPrism 8.0軟件作圖并統(tǒng)計(jì)分析。

2 研究結(jié)果

2.1 口腔學(xué)生學(xué)習(xí)頜面部解剖學(xué)的積極性和滿意度比較

利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合頜面部解剖教學(xué)的需求，依托平板電腦作為硬件平臺(tái)，可清晰呈現(xiàn)預(yù)載的頭頸部解剖模型。實(shí)驗(yàn)組學(xué)生可全方位、多角度地觀察各個(gè)解剖結(jié)構(gòu)及其毗鄰關(guān)系，通過可視化的手段代替學(xué)生的主觀想象。問卷評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)模型進(jìn)行授課的實(shí)驗(yàn)組學(xué)生與利用傳統(tǒng)模式進(jìn)行授課的對(duì)照組學(xué)生相比，課堂中采用三維解剖軟件對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行整合，可以更好地調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)興趣及積極性，參與感更強(qiáng)（P＜0.05）；教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面重點(diǎn)更為突出（P＜0.05）；相比于解剖圖譜，實(shí)驗(yàn)組教學(xué)資料能在后續(xù)實(shí)習(xí)操作中準(zhǔn)確找到相應(yīng)解剖結(jié)構(gòu)（P＜0.05）。總體來說，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)方法滿意度更高（P＜0.05），但實(shí)驗(yàn)組學(xué)生自我評(píng)價(jià)對(duì)面頸部解剖結(jié)構(gòu)和層次準(zhǔn)確掌握程度上無顯著差異（P＞0.05），見表 1。

表1 調(diào)查問卷結(jié)果（±s，分）

表1 調(diào)查問卷結(jié)果（±s，分）

問題平均分P值對(duì)照組 實(shí)驗(yàn)組教學(xué)資料有趣味性、啟發(fā)性教學(xué)資料清晰展現(xiàn)面頸部結(jié)構(gòu)和毗鄰解剖關(guān)系教學(xué)活動(dòng)參與感強(qiáng)，積極性高教學(xué)內(nèi)容合理，重點(diǎn)突出對(duì)面頸部解剖結(jié)構(gòu)和層次已準(zhǔn)確掌握能在后續(xù)實(shí)習(xí)操作中準(zhǔn)確找到相應(yīng)解剖結(jié)構(gòu)對(duì)該教學(xué)方式的教學(xué)效果十分滿意3.60±0.70 3.40±0.70 3.10±0.88 3.30±0.48 3.80±0.92 3.70±0.82 3.20±0.42 4.70±0.67 4.50±0.70 4.20±0.74 4.40±0.82 4.50±0.53 4.60±0.52 4.60±0.70 0.002 1 0.004 5 0.020 2 0.035 3 0.051 1 0.009 0＜0.001

2.2 口腔學(xué)生頜面部解剖學(xué)的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)

與傳統(tǒng)的教學(xué)方式（對(duì)照組）相比，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（實(shí)驗(yàn)組）的應(yīng)用更有利于學(xué)生直觀了解口腔頜面部解剖結(jié)構(gòu)，尤其在學(xué)習(xí)頜面部骨性結(jié)構(gòu)、毗鄰關(guān)系、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、肌肉起止和空間關(guān)系、血管神經(jīng)分布等方面可促進(jìn)學(xué)生的理解掌握，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力及教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)組學(xué)生與對(duì)照組相比，隨堂測(cè)驗(yàn)成績(jī)更高（P＜0.05），見圖 1。

圖1 學(xué)生隨堂測(cè)驗(yàn)分?jǐn)?shù)

3 討論

3.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀

解剖學(xué)是大多數(shù)VR/AR應(yīng)用于教育領(lǐng)域的經(jīng)典范例[3]。研究人體解剖的VR/AR應(yīng)用程序開發(fā)中的第一步是構(gòu)建包含人類圖像和信息的大型在線數(shù)據(jù)庫(kù)，這些數(shù)據(jù)庫(kù)主要收集大量CT/MRI掃描數(shù)據(jù)。第一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)于1991年于科羅拉多大學(xué)創(chuàng)建，稱為“可視化人類項(xiàng)目（visiblehumanproject）”，包含 7 000 多例數(shù)字解剖圖像，目前在美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書館平臺(tái)免費(fèi)開放。隨后出現(xiàn)了其他類似的模型，包括本文中使用的韓國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)“Visible Korean Human”及中國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)“Chinese Visible Human”等。這些數(shù)據(jù)庫(kù)模型中包含的大量數(shù)據(jù)標(biāo)本，很好地滿足了解剖學(xué)教學(xué)的需求。解剖學(xué)是需要長(zhǎng)期學(xué)習(xí)、不斷積累的，尤其是頭頸部解剖，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔隙多、交通廣泛，血管和神經(jīng)支配亦錯(cuò)綜復(fù)雜，入門掌握的難度很大。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過三維可視化使復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)不再單純依賴學(xué)生的空間想象，且大大增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的樂趣，成為一種較好的學(xué)習(xí)工具。除了基礎(chǔ)的解剖學(xué)教學(xué)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用甚至能做到以4D的形式（在空間和時(shí)間維度上）展示器官發(fā)育的變化[6]。一些可穿戴的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備，如谷歌眼鏡、愛普生智能眼鏡及更為先進(jìn)的微軟Hololens可以將虛擬形成的3D圖像投影到真實(shí)環(huán)境上的眼鏡。這些設(shè)備將眼鏡與跟蹤相機(jī)和傳感器系統(tǒng)結(jié)合在一起，通過相機(jī)捕獲現(xiàn)實(shí)世界圖像，可以獲得更好的沉浸感和交互感。但其缺點(diǎn)也顯而易見，即成本高昂。而本文中用平板電腦作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的硬件載體，具有更好的普適性。

隨著虛擬仿真和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高速發(fā)展以及其結(jié)合產(chǎn)生的混合現(xiàn)實(shí)的應(yīng)運(yùn)而生，未來除視覺、觸覺外，亦可能整合嗅覺刺激，將氣味用作模擬醫(yī)學(xué)診斷工具，甚至可以更真實(shí)地再現(xiàn)壓力條件（例如在戰(zhàn)場(chǎng)中或在手術(shù)室中）。同時(shí)，醫(yī)學(xué)信息學(xué)也在不斷發(fā)展，醫(yī)療數(shù)據(jù)將有更高的分辨率，盡管VR/AR技術(shù)已經(jīng)取得了重大發(fā)展，但是仍然需要更快的處理速度、更高的分辨率、更好的方案設(shè)計(jì)以及更先進(jìn)的觸覺設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)更高的還原度[7]。

3.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)提升口腔醫(yī)學(xué)教學(xué)效果的評(píng)價(jià)

在評(píng)價(jià)教學(xué)效果方面，筆者選用了隨堂測(cè)驗(yàn)結(jié)合學(xué)生成績(jī)測(cè)評(píng)的方法，從結(jié)果可知，結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)組學(xué)生掌握情況和自我評(píng)價(jià)均優(yōu)于對(duì)照組使用傳統(tǒng)解剖圖譜的學(xué)習(xí)效果（P＜0.05）。此處選擇的教學(xué)階段為解剖學(xué)的入門階段，其反映出的結(jié)果未必能全面反映整個(gè)學(xué)習(xí)階段。有學(xué)者研究VR/AR仿真系統(tǒng)對(duì)某特定技能學(xué)習(xí)效果的有效性，其評(píng)價(jià)體系中盡量納入學(xué)習(xí)的整個(gè)階段，通過技能習(xí)得的水平與付出的努力程度（學(xué)習(xí)時(shí)間、頻次）繪制學(xué)習(xí)曲線。通常，如果期望學(xué)習(xí)曲線具有較高的平穩(wěn)性，就意味著用這種方法獲得技能的最終水平很高，初期曲線上升陡峭的話則意味著提高技能的難度較低。在VR/AR模擬器中學(xué)習(xí)的受訓(xùn)者，其學(xué)習(xí)曲線表現(xiàn)為初期陡峭，后期則較平穩(wěn)地維持在相對(duì)低的高度，這意味著受訓(xùn)者能很快地掌握技能，但是單純依靠VR/AR很難達(dá)到較高的水平[8]。筆者設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)場(chǎng)景很大程度上歸于新手的入門期，所以取得了較好的結(jié)果。而后期要更好地掌握，則需要轉(zhuǎn)移到其他的教育環(huán)境中，即回歸到尸體解剖的實(shí)操訓(xùn)練和臨床見習(xí)、實(shí)習(xí)中[9]。當(dāng)然，這種情況會(huì)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)更進(jìn)一步發(fā)展后有所改善。