虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)在口腔頜面外科學(xué)臨床教學(xué)中的應(yīng)用

張莉 李鴻藝 何世熹 鄺海 安文婧

摘 要 虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)從數(shù)字化三維模型和實(shí)體三維模型兩方面給臨床教學(xué)醫(yī)學(xué)打開了一扇新窗口，國(guó)內(nèi)一些教育機(jī)構(gòu)也正在積極研究、探索如何將該技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)和培訓(xùn)中，并提出建立虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)輔助教學(xué)模式。本文將對(duì)虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)在口腔頜面外科學(xué)臨床教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行論述及文獻(xiàn)學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù) 3D打印技術(shù) 口腔頜面外科學(xué) 臨床教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.03.037

Application of Virtual Simulation Technology and 3D Printing

Technology in Clinical Teaching of Oral and Maxillofacial Surgery

ZHANG Li[1]， LI Hongyi[1]， HE Shixi[1]， KUANG Hai[1]， AN Wenjing[2]

（[1] Department of Oral and Maxillofacial Surgery， Guangzi Medical University，

College of Stomatology， Nanning， Guangxi 530021;

[2] School of Foreign Languages， Guangxi University， Nanning， Guangxi 530004）

Abstract Virtual Reality and 3D printing technology have opened a new window for clinical teaching medicine from both digital 3D models and physical 3D models. Some domestic educational institutions are also actively researching and exploring how to apply this technology to teaching and training. Propose the establishment of virtual simulation technology and 3D printing technology to assist teaching mode. This article will discuss and study the application of virtual simulation technology and 3D printing technology in clinical teaching of oral and maxillofacial surgery.

Keywords virtual reality; 3D printing technology; oral and maxillofacial surgery; clinical teaching

口腔頜面外科學(xué)是我國(guó)口腔醫(yī)學(xué)的重要組成專科，不同于歐美的牙外科，口腔頜面外科是口腔外科、頜面外科以及頭頸外科的交叉學(xué)科，在20世紀(jì)戰(zhàn)爭(zhēng)年代中基于戰(zhàn)傷處理得到了迅速的發(fā)展，具有非常強(qiáng)的實(shí)踐性。歷代醫(yī)務(wù)工作者參加該學(xué)科臨床、科研的同時(shí)， 為培養(yǎng)中國(guó)的口腔頜面外科醫(yī)師，亦投入心血到醫(yī)學(xué)教育中。但由于口腔頜面外科學(xué)與生俱來的實(shí)踐性，傳統(tǒng)的二維圖文教學(xué)方式往往難以達(dá)到較好的效果，因此需要引入更新技術(shù)的教學(xué)方式。隨著數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字化外科發(fā)生著翻天覆地的變化，為提高教學(xué)質(zhì)量，我們亟須將數(shù)字化技術(shù)完美融合到口腔頜面外科學(xué)教學(xué)中！

虛擬仿真技術(shù)（Virtual Reality，VR）是一種借助計(jì)算機(jī)集成的技術(shù)，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和三維圖形學(xué)為基礎(chǔ)，將一系列二維切片影像數(shù)據(jù)重建得到物體的三維模型。[1]VR技術(shù)的出現(xiàn)，使得原來學(xué)生們必須在臨床見習(xí)及實(shí)習(xí)階段才能接觸的實(shí)際醫(yī)療環(huán)境和醫(yī)療行為，在數(shù)字化空間里得以最大程度接近真實(shí)的還原和重現(xiàn)，而且可以突破時(shí)間和空間的限制進(jìn)行選擇。對(duì)于臨床類操作，可緩解學(xué)生接觸真實(shí)患者因經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致的緊張，避免可能因錯(cuò)誤導(dǎo)致的醫(yī)療損害甚至醫(yī)患矛盾等，更進(jìn)一步激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣及允許更多的思考。因此VR技術(shù)給醫(yī)學(xué)類等實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科教學(xué)帶來了極大的便利。[2]

3D打印技術(shù)（3D printing technology）是根據(jù)三維模型，使用特定的材質(zhì)將數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化為1：1實(shí)物的技術(shù)。[3]目前在骨外科、心胸外科、泌尿外科、神經(jīng)外科、燒傷整形科等多個(gè)科室的臨床治療和教學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用：有病變區(qū)及供區(qū)模型來術(shù)前模擬，亦有人造器官（如：心臟、腎臟、盆骨）移植及個(gè)性化植入物、個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)板等的制作。3D打印技術(shù)不僅使傳統(tǒng)的外科手術(shù)治療效果更精確及可預(yù)測(cè)，也促進(jìn)了臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)手段的升級(jí)與更新，推動(dòng)了口腔頜面外科學(xué)的發(fā)展。

上述兩種技術(shù)分別從數(shù)字化虛擬模型和實(shí)體三維模型兩方面給臨床教學(xué)打開了一扇新窗口，因此國(guó)內(nèi)教育機(jī)構(gòu)也正在積極研究、探索如何將該技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，并提出建立虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)輔助教學(xué)模式。本文將對(duì)虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)在口腔頜面外科學(xué)臨床教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行論述及文獻(xiàn)學(xué)習(xí)。

1 虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)在頜面部創(chuàng)傷教學(xué)中的應(yīng)用

頜面部軟硬組織常由于交通事故、運(yùn)動(dòng)意外等原因而遭受損傷，導(dǎo)致上下頜骨骨折移位、咬合關(guān)系錯(cuò)亂、面部畸形、并伴有張口受限等不同程度的功能障礙。[3]頜面部骨骼由于遭受外力的方向和大小不同，可引起多種類型的骨折，并由于附著在頜骨上的肌肉牽引引起不同方向的移位，或臨近存在復(fù)雜的三維解剖結(jié)構(gòu)，而引起不同的癥狀，學(xué)生要想充分的理解創(chuàng)傷原理及治療需要常依靠空間想象，這也成為口腔頜面外科學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

近年來，隨著三維圖形學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷推進(jìn)、虛擬仿真技術(shù)對(duì)頜面部解剖結(jié)構(gòu)的精確還原，3D 打印技術(shù)可根據(jù)頜面部骨骼CT掃描創(chuàng)建出高度模擬的實(shí)物模型，使教學(xué)和臨床實(shí)踐更為形象化。在教學(xué)中，學(xué)生們可以通過VR技術(shù)回顧解剖結(jié)構(gòu)，觀看不同外力導(dǎo)致的不同損傷類型的模擬動(dòng)畫，并實(shí)際觸摸3D 打印骨折模型進(jìn)行觀察，讓學(xué)生多層次多角度的理解頜面部骨折的原理;[4]其次，學(xué)生可以通過VR虛擬手術(shù)或3D模型外科手術(shù)，對(duì)三維模型進(jìn)行切割、復(fù)位、鈦板鈦釘植入、縫合等操作練習(xí)，加深對(duì)頜骨骨折的治療原則、具體手術(shù)方案的選擇、手術(shù)步驟的實(shí)施等的強(qiáng)化理解;再者，通過反復(fù)操作訓(xùn)練，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生的臨床技能和臨床思維。[5-7]

因此，虛擬仿真技術(shù)結(jié)合3D打印技術(shù)在頜面部創(chuàng)傷中的應(yīng)用，不僅顯著提高了骨折復(fù)位手術(shù)的精確度，縮短了手術(shù)時(shí)間，減輕了患者痛苦，大大提高患者體驗(yàn)感和滿意度;而且，加深了學(xué)生對(duì)于該模塊的理解，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增加了參與感和體驗(yàn)感，進(jìn)而提高了學(xué)生的臨床綜合能力。

2 虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)在頜面部腫瘤教學(xué)中的應(yīng)用

頜面部腫瘤是發(fā)生在頜面部的多種良惡性腫瘤的統(tǒng)稱，不同于頜面部骨折，頜面部腫瘤不僅可以累及頜骨，更常見的是原發(fā)于口腔軟組織器官如舌、腭、口底、牙齦等部位的惡性腫瘤。頜面部腫瘤的影像學(xué)診斷包括X片、CT、MRI及超聲等。由于上述的頜面部解剖復(fù)雜性及侵犯多器官的特點(diǎn)，腫瘤的定位及邊界確定具備相當(dāng)難度，這對(duì)于醫(yī)學(xué)生和初入臨床的醫(yī)生來講非常困難。此外，頜面部腫瘤切除后的器官缺損，需要制取相應(yīng)的骨肌皮瓣進(jìn)行修復(fù)重建，而皮瓣的制取亦對(duì)初學(xué)者充滿挑戰(zhàn)性。虛擬仿真技術(shù)可將多種來源的影像數(shù)字源在三維空間內(nèi)進(jìn)行重建和配準(zhǔn)融合，讓應(yīng)用者可以看到包括頜骨、肌肉、血管、腫瘤等多結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型。而3D 打印技術(shù)可打印出實(shí)物3D 模型，學(xué)生們可直觀、清晰地認(rèn)識(shí)頜面腫瘤及其對(duì)周圍血管神經(jīng)的壓迫或侵犯情況，并作出初步的判斷。[8-10]加之對(duì)取皮瓣區(qū)域的數(shù)字化建模，也使得皮瓣的制取更加精確安全。在這些基礎(chǔ)上，手術(shù)醫(yī)生能夠提前了解病灶，進(jìn)而制定腫瘤的切除方案，亦可開展同期缺損修復(fù)重建技術(shù)，應(yīng)用三維重建、3D打印技術(shù)、手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，使得開展胸大肌、斜方肌、背闊肌等帶蒂肌皮瓣或前臂皮瓣、股前外側(cè)肌皮瓣、腓骨等帶血管蒂游離皮瓣等技術(shù)修復(fù)口腔頜面部大面積缺損和畸形更加游刃有余。

應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)詳細(xì)地在術(shù)前觀察毗鄰結(jié)構(gòu)及手術(shù)模擬，既可以提高臨床技術(shù)，使術(shù)中能夠更精準(zhǔn)、完整地切除病變部位，避免重要血管、神經(jīng)的損傷及并發(fā)癥的發(fā)生;也可以加深學(xué)生及臨床醫(yī)師對(duì)頜面部腫瘤的理解，提高了教學(xué)的效率和效果。

3 虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)在頜面部先天畸形教學(xué)中的應(yīng)用

如果說頜面部腫瘤的治療是對(duì)病變的破壞后再重建，那么頜面部先天畸形的治療就是對(duì)形狀異常甚至接近正常解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整使之符合美學(xué)原則。美學(xué)原則既包括傳統(tǒng)三停五眼的審美，也有現(xiàn)代二維影像學(xué)檢查的頭影測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還有包括不同種族民族的頜面部多結(jié)構(gòu)三維化審美，因此對(duì)學(xué)生和初學(xué)者提出了極高的審美水準(zhǔn)要求。傳統(tǒng)二維化的多媒體教學(xué)手段及解剖標(biāo)本輔助的模式，仍難讓學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)理清頜面部解剖結(jié)構(gòu)的整體三維關(guān)系及相對(duì)位置，不利于形成整體觀，產(chǎn)生各種誤差，直接影響理解，甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤。3D打印技術(shù)則不會(huì)產(chǎn)生這樣的誤差，直觀形象，準(zhǔn)確可靠。結(jié)合計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行術(shù)前的模擬，使用者術(shù)前即可看到術(shù)后的效果圖，大大提高手術(shù)準(zhǔn)確性和患者滿意度。Olszewski等[11]應(yīng)用3D打印頜面部模型進(jìn)行模擬手術(shù)，在實(shí)體模型上設(shè)計(jì)截骨線并進(jìn)行切割、調(diào)整位置及內(nèi)固定等操作，證實(shí)模擬手術(shù)有助于避免損傷牙根等重要結(jié)構(gòu);趙雪竹等[12]訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)行模型預(yù)手術(shù)及手術(shù)導(dǎo)板的制作，在3～5實(shí)踐操作之后再進(jìn)行實(shí)際手術(shù)操作，100%的學(xué)生認(rèn)為模型手術(shù)有助于迅速確定最佳骨鉆孔位置。我院開展的精準(zhǔn)數(shù)字化正頜外科技術(shù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)、RP技術(shù)、手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)，使正頜外科技術(shù)在臨床應(yīng)用更精準(zhǔn)、可預(yù)測(cè)性更高、創(chuàng)傷更小、療效更好。

虛擬技術(shù)虛擬仿真技術(shù)和3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用，使原本枯燥的知識(shí)內(nèi)容體系以三維形式呈現(xiàn)，直觀可視，方便學(xué)生反復(fù)操作，掌握關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)也提高了個(gè)人審美標(biāo)準(zhǔn)，為正頜外科人才的培養(yǎng)提供了一條可行的道路。

4 虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)在口腔頜面外科學(xué)教學(xué)課程設(shè)置的優(yōu)化及不足

虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)了臨床操作能力和臨床思維能力，提高了學(xué)習(xí)效率。根據(jù)口腔頜面外科學(xué)教育培養(yǎng)特點(diǎn)及臨床實(shí)踐的特點(diǎn)，建設(shè)典型三維數(shù)字化案例庫、開展案例教學(xué)授課、提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力是重中之重。目前，我們已建設(shè)3個(gè)口腔頜面外科三維數(shù)字化案例庫：頜面部創(chuàng)傷典型案例庫，頜面部腫瘤典型案例庫，頜面部先天畸形典型案例庫，可以滿足臨床教學(xué)的需求。自我院開展虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目以來，獲得了師生的一致好評(píng)，尤其“基于臨床流程的腓骨肌皮瓣修復(fù)下頜骨缺損的虛擬仿真教程”在廣西信息化大賽中斬獲了一等獎(jiǎng)的好成績(jī)，我院信息化教學(xué)在各種教學(xué)比賽中獲得了極大肯定，也給廣大教學(xué)院校提供參考！

當(dāng)然，虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中仍存在一定的不足之處：根據(jù)CT數(shù)據(jù)重建的三維模型主要為骨組織，但對(duì)軟組織如肌肉、韌帶等結(jié)構(gòu)的重建較為困難，與實(shí)際操作相比，模型操作存在誤差及缺乏力反饋，[13]在人文環(huán)節(jié)不能很好的還原醫(yī)患交流。這些都還需要我們?cè)谖磥砑訌?qiáng)技術(shù)及進(jìn)一步完善。

5 結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)及3D打印技術(shù)輔助的口腔頜面外科教學(xué)模式具有明顯優(yōu)勢(shì)，能顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主觀能動(dòng)性，針對(duì)頜骨外傷、頜骨腫瘤或先天性頜面畸形模型的虛擬及模型外科操作是一種較新臨床教育模式，[14]符合現(xiàn)代化教學(xué)趨勢(shì)。盡管目前還存在一些不足，如設(shè)備成本較高、打印材料局限、重建部位受限、人文環(huán)節(jié)欠缺等。[15]但是，隨著三維圖形技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)及三維動(dòng)畫技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和深度融合，這些短板將逐步完善，該教學(xué)模式將具備高度的場(chǎng)景還原性、模型精確性以及基于劇情的醫(yī)患人文性，使其在口腔頜面外科教學(xué)中得到更廣泛的應(yīng)用，其深遠(yuǎn)意義會(huì)得到進(jìn)一步的驗(yàn)證。

*通訊作者：李鴻藝

[基金項(xiàng)目]全國(guó)醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生教育指導(dǎo)委員會(huì)研究課題（B3-YX20180302-05）;2019年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2019JGB118）

參考文獻(xiàn)

[1] 婁言.虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2017：1-5.

[2] 肖世維.虛擬仿真技術(shù)在人體解剖學(xué)課程中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].高校醫(yī)學(xué)教學(xué)研究（電子版），2018，8（6）：21-25.

[3] 王珂，項(xiàng)濤，湯亞玲，梁新華.3D打印技術(shù)在口腔頜面外科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].國(guó)際口腔醫(yī)學(xué)雜志，2018，45（1）：119-124.

[4] 曹波，馬創(chuàng)，程新春，等.3D 打印技術(shù)在復(fù)雜創(chuàng)傷骨科教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)骨與關(guān)節(jié)雜志，2017，6（5）：345-347.

[5] 張擎柱，萬乾，張義，等.3D打印技術(shù)輔助改良后內(nèi)側(cè)倒L入路切開復(fù)位內(nèi)固定術(shù)治療復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折的療效分析[J].中華實(shí)用診斷與治療雜志，2018，32（11）：1091-1093.

[6] 陽宏奇，雷青，蔡立宏，等.3D打印導(dǎo)板輔助空心螺釘內(nèi)固定治療不穩(wěn)定性骨盆骨折[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志，2018，32（2）：145-151.

[7] 姬文晨，蔣婉婷，李志強(qiáng)，等.3D 打印結(jié)合 PBL 在骨科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2017，31（1）：64-67.

[8] MATAI I，KAUR G，SEYEDSALEHI A，et al.Progress in 3D bioprinting technology for tissue/organ regenerative engineering.Biomaterials.2020;226：119536.

[9] 蘇鵬，孟純陽.3D 打印技術(shù)在脊柱腫瘤診療中的應(yīng)用[J].濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，42（6）：436-440.

[10] 王琪，劉軍，王亞楠，等.3D 打印技術(shù)在脊柱腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用[J].解放軍醫(yī)藥雜志，2016，28（11）：16-19.

[11] Olszewski R，Tranduy K， Reychler H.Innovative procedure for computer-assisted genioplasty： threedimensional cephalometry， rapid-prototyping model and surgical splint[J]. Int J Oral Maxillofac Surg，2010，39（7）：721-724.

[12] 趙雪竹，唐志輝，許衛(wèi)華，等.仿真頜骨模型結(jié)合牙種植手術(shù)導(dǎo)板在口腔種植教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2016，30（3）：313-316.

[13] 羅翔，黃國(guó)秀，梁俊杰，等.3D打印技術(shù)在足踝骨折教學(xué)的應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)[J].中國(guó)數(shù)字醫(yī)學(xué)，2018，13（2）：10-12.

[14] Torres K， Stakiewicz G， niey ski M， et al. Application of rapid prototyping techniques for modelling of anatomical structures in medical training and education[J]. Folia Morphol （Warsz）， 2011， 70（1）：1-4.

[15] Rankin TM， Giovinco NA， Cucher DJ， et al. Three-dimensional printing surgical instruments： are we there yet？ [J].J Surg Res，2014，189（2）：193-197.