新型口腔局部麻醉仿真訓(xùn)練設(shè)備的設(shè)計與研發(fā)

孟昭松 劉嘉程 靳趁心 李宏捷 馮 濤 王文明

（1.天津醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院/口腔醫(yī)學(xué)院，天津 300070；2.天津天堰科技股份有限公司，天津 300392）

口腔頜面外科學(xué)是一門實踐性極強(qiáng)的學(xué)科，其實驗教學(xué)是幫助口腔醫(yī)學(xué)生掌握臨床技能、實現(xiàn)向臨床過渡的重要環(huán)節(jié)[1]。其中，口腔局部麻醉技術(shù)一直是實驗教學(xué)的重難點(diǎn)。目前，國內(nèi)大部分高校采用學(xué)生間相互注射或者使用仿真頭模注射的實驗教學(xué)模式，前者存在一定的安全風(fēng)險且不能反復(fù)練習(xí)，后者則無法完全模擬真人的實際情況，因此兩者的教學(xué)效果均難以令人滿意[2，3]。近年來，囊括了計算機(jī)、電子信息、數(shù)字化仿真技術(shù)在內(nèi)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)方面因具有情景化教學(xué)、低危險系數(shù)、無限制練習(xí)等優(yōu)勢，被逐漸應(yīng)用于口腔局麻實驗教學(xué)[4-6]。虛擬現(xiàn)實強(qiáng)調(diào)沉浸式體驗，能為學(xué)生提供操作抽象信息的可視化虛擬環(huán)境，使抽象知識的理解和應(yīng)用更加容易，為技能教學(xué)與臨床實際的銜接和傳遞提供技術(shù)支持。然而，當(dāng)前虛擬感知技術(shù)暫無法實現(xiàn)真實軟硬組織的觸覺反饋，因此不利于學(xué)生獲取手感記憶[5]。本文依據(jù)目前口腔局麻實驗教學(xué)的實際情況，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實體仿真頭模各自的優(yōu)勢，設(shè)計研發(fā)出一款低風(fēng)險、可重復(fù)使用且充分模擬真人體驗和臨床場景的教學(xué)設(shè)備，有望改進(jìn)教學(xué)模式，提升教學(xué)效果。

1 “安麻施”訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

“安麻施”訓(xùn)練系統(tǒng)是天津天堰科技股份有限公司與天津醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研發(fā)的最新一代口腔局麻教學(xué)設(shè)備（圖1），主要由電腦、仿真頭模、空間定位傳感器、局麻器械、底座組成，包含4 個功能板塊：練習(xí)模式、示教模式、考核模式及用戶設(shè)置。

圖1 “安麻施”——口腔局部麻醉仿真訓(xùn)練設(shè)備

1.1 技術(shù)構(gòu)成

1.1.1 仿真軟件技術(shù) 設(shè)備采用CATIA 軟件構(gòu)建診室、病人等虛擬三維模型，結(jié)合Unity3D 軟件進(jìn)行場景渲染及細(xì)節(jié)優(yōu)化，實現(xiàn)臨床環(huán)境的虛擬再現(xiàn)。

1.1.2 仿真頭模技術(shù) 仿真頭模具有面皮、牙齒、骨骼、軟組織等結(jié)構(gòu)，由不同性狀的硅膠制成，能較好地還原真實組織的觸感及穿刺過程的“突破感”。

1.1.3 空間定位技術(shù) 空間定位系統(tǒng)由磁場發(fā)射器、傳感器控制盒及一系列小型磁場傳感器構(gòu)成，可將真實器械、仿真頭模與虛擬仿真軟件精準(zhǔn)互聯(lián)，從而實時跟蹤操作過程并將其呈現(xiàn)在電腦界面。

1.1.4 智能化考核技術(shù) 設(shè)備具有客觀、全面的評價體系，通過智能抓取用戶處置虛擬病人的信息及空間定位系統(tǒng)記錄的多維器械運(yùn)動數(shù)據(jù)并與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，得出綜合評分，排除人為干擾。

1.2 功能板塊

1.2.1 練習(xí)模式 包含4 個環(huán)節(jié)：術(shù)前流程的虛擬教學(xué)、頭模上實訓(xùn)、評分、回看操作錄像。

1.2.2 示教模式 包含三維解剖數(shù)字模型和操作視頻。

1.2.3 考核模式 分為自主考核及統(tǒng)一考核。

1.2.4 用戶設(shè)置 包括參數(shù)設(shè)置、用戶管理、修改密碼等一般設(shè)置和訓(xùn)練日志、統(tǒng)計等記錄分析板塊。

2 教學(xué)演示

以牙槽神經(jīng)阻滯麻醉為例，教學(xué)演示步驟如下：

2.1 用戶登錄

輸入用戶名和密碼，登入系統(tǒng)，進(jìn)入主界面（圖2）。

圖2 訓(xùn)練系統(tǒng)的主界面

2.2 傳感器校準(zhǔn)

點(diǎn)擊界面左上角的“傳感器校準(zhǔn)”，對模型及器械進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)（圖3）。

圖3 校準(zhǔn)

2.3 選擇操作項目

根據(jù)使用目的，選擇練習(xí)、示教或考核模式，進(jìn)一步選擇不同的麻醉課程（圖4）。

圖4 選擇操作項目

2.4 術(shù)前接診與準(zhǔn)備

進(jìn)入軟件構(gòu)建的虛擬診室，對虛擬患者進(jìn)行問診、術(shù)前溝通，而后調(diào)節(jié)座椅、燈光，選擇正確的器械、藥物種類及劑量（圖5）。

圖5 術(shù)前接診與準(zhǔn)備

2.5 示教

通過旋轉(zhuǎn)、選中、透視三維頭頸解剖模型的精細(xì)結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)，并觀看示教視頻（圖6）。

圖6 示教

2.6 實際操作

使用真實器械在頭模上進(jìn)行操作，按照提示依次進(jìn)行開口度選擇、消毒、穿刺、回抽、注射、術(shù)后評估，期間空間定位系統(tǒng)可在顯示屏上實時呈現(xiàn)操作過程，提供人機(jī)交互式反饋（圖7）。

圖7 實際操作

2.7 結(jié)果評價

評價系統(tǒng)根據(jù)總體情況給出評分報告，并提供操作錄像，任意時間均可調(diào)取回看。

2.8 學(xué)習(xí)效果

根據(jù)需要，選擇結(jié)束或重復(fù)練習(xí)，在長期使用的過程中可通過訓(xùn)練日志、統(tǒng)計等分析功能了解學(xué)習(xí)效果，便于查缺補(bǔ)漏。

3 討論

“安麻施”訓(xùn)練系統(tǒng)參考謝百治教授[7]提出的口腔醫(yī)學(xué)虛擬教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建原則，即直觀性、操作性、科學(xué)性、交互性及以實為本，將虛擬的場景化、流程化教學(xué)與實際操作感知有機(jī)整合，輔以完善的數(shù)字化視聽教學(xué)資源及考評系統(tǒng)，是國內(nèi)首個被系統(tǒng)介紹的口腔局麻實驗教學(xué)仿真訓(xùn)練設(shè)備。經(jīng)過實際教學(xué)測試，該設(shè)備存在以下優(yōu)勢及不足。

3.1 優(yōu)勢

3.1.1 完善教學(xué)環(huán)節(jié) 該設(shè)備可提供視、聽、觸的多感官模擬，還原真實臨床環(huán)境，使學(xué)生以醫(yī)師的角色完成虛擬醫(yī)患交流，即問診、術(shù)前準(zhǔn)備、術(shù)后醫(yī)囑等流程，營造沉浸式的學(xué)習(xí)體驗，這不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的醫(yī)患溝通能力，還能幫助其養(yǎng)成良好的臨床習(xí)慣。

3.1.2 保障操作安全，強(qiáng)化臨床技能 該設(shè)備使用仿真頭模而非真人作為訓(xùn)練對象，通過清晰的三維解剖結(jié)構(gòu)顯示和空間定位系統(tǒng)對操作過程的實時反饋、評價和記錄，可在保證安全的前提下提供更多還原臨床體驗的動手機(jī)會，幫助學(xué)生熟悉解剖知識和規(guī)范臨床操作，克服由不熟悉解剖及操作引發(fā)的心理障礙[8]。

3.1.3 激發(fā)主觀能動性，提高自主學(xué)習(xí)能力 在教學(xué)中，學(xué)生既能通過設(shè)備的知識模塊自主解決操作中遇到的問題，又能根據(jù)自身情況合理安排臨床過渡的練習(xí)期，還可結(jié)合訓(xùn)練日志、統(tǒng)計等功能進(jìn)行自糾自查，促進(jìn)所學(xué)知識和操作技巧的內(nèi)化[9]。

3.1.4 降低教學(xué)成本 該設(shè)備采用可拆卸設(shè)計，既能減少耗材、方便維修，進(jìn)而控制成本，還具備較強(qiáng)的便捷性，使教學(xué)、訓(xùn)練突破時間、地點(diǎn)的限制，滿足疫情等特殊期間的基本教學(xué)需求。

3.2 不足

3.2.1 虛擬仿真軟件的局限性 該設(shè)備使用的軟件目前只能模擬單一標(biāo)準(zhǔn)化情景，缺少實際臨床工作常遇到的復(fù)雜病例，如患者解剖變異、對麻藥不敏感等；因此，需納入多樣化真實臨床病例，使教學(xué)更加貼近臨床。

3.2.2 空間定位功能不穩(wěn)定 空間定位傳感器的靈敏度、精度、分辨率受電腦使用環(huán)境的制約，使用時偶爾會出現(xiàn)無法精準(zhǔn)定位、延遲，甚至導(dǎo)致評分有誤等問題，提升定位設(shè)備的穩(wěn)定性是下一步研發(fā)的主要內(nèi)容之一。

3.2.3 師生在線互動不足 教師線上示教、答疑及管理的功能目前尚在測試中，暫時無法實現(xiàn)教師線上示教、答疑和對學(xué)生訓(xùn)練成效的實時掌握，在疫情等特殊時期可能會阻礙即時教學(xué)評估，目前考慮通過借助第三方錄屏軟件或者軟件自身接入網(wǎng)絡(luò)的方法解決。

3.2.4 需根據(jù)不同學(xué)校教學(xué)實際制定個性化應(yīng)用方案 研究顯示，盡管仿真訓(xùn)練設(shè)備具有一定優(yōu)勢，但學(xué)生的訓(xùn)練成功率明顯高于臨床實際成功率[10]。這意味著類似設(shè)備不能完全取代傳統(tǒng)教學(xué)，但可作為傳統(tǒng)教學(xué)模式的有效補(bǔ)充。因此，該設(shè)備的實際應(yīng)用需根據(jù)不同學(xué)校的具體課程安排，在平衡課堂教學(xué)、仿真訓(xùn)練、臨床實習(xí)的基礎(chǔ)上為學(xué)生提供一個適宜的訓(xùn)練平臺。

4 結(jié)語

隨著口腔頜面外科教學(xué)的不斷發(fā)展，仿真訓(xùn)練設(shè)備在實驗教學(xué)中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力[11]。“安麻施”訓(xùn)練系統(tǒng)作為國內(nèi)先進(jìn)的口腔局麻實驗教學(xué)設(shè)備，不僅能模擬實際臨床環(huán)境，提供人機(jī)交互式流程化仿真教學(xué)，還能滿足學(xué)生對于反復(fù)示教、操作及復(fù)習(xí)的需求，有利于學(xué)生熟練掌握口腔局麻技能，同時鞏固解剖知識，達(dá)到符合或超乎預(yù)期的教學(xué)效果。“安麻施”訓(xùn)練系統(tǒng)在“醫(yī)工結(jié)合”大背景下，順應(yīng)口腔醫(yī)學(xué)教育發(fā)展的趨勢[12]，綜合了教學(xué)和商業(yè)因素，是改善教學(xué)質(zhì)量、值得商業(yè)推廣的新型教學(xué)設(shè)備，為高校開展口腔頜面外科實驗課程改革提供了切實有效的工具。