虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合動(dòng)作捕捉系統(tǒng)在刷牙宣教教學(xué)中的應(yīng)用

林育華 詹婧彧 黎 瑞 施 敏 李金軍

（上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔預(yù)防科，上海交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，國家口腔醫(yī)學(xué)中心，國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，上海市口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市口腔醫(yī)學(xué)研究所，上海 200011）

刷牙宣教是口腔保健宣教中重要的一部分[1]，每個(gè)口腔醫(yī)學(xué)生和醫(yī)生都需掌握刷牙宣教，且刷牙宣教是口腔執(zhí)業(yè)醫(yī)師操作考試的內(nèi)容[2]。目前刷牙宣教的教學(xué)方式是在刷牙模型上示范和操作，很難記錄每次操作的結(jié)果，無法重現(xiàn)每次操作，缺乏趣味性。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和動(dòng)作捕捉技術(shù)的發(fā)展，我校結(jié)合這些新科學(xué)技術(shù)的手段，研發(fā)了基于MR 和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的刷牙虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，并應(yīng)用于日常教學(xué)中。

基于MR 和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的刷牙虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是利用虛擬仿真教學(xué)方式以及操作演示模塊，讓學(xué)員分解動(dòng)作、獲得效果反饋，加深對(duì)顫動(dòng)、拂刷等動(dòng)作要領(lǐng)的理解，達(dá)到掌握正確刷牙方法的教學(xué)目的。該系統(tǒng)硬件包含光學(xué)定位儀、牙模、牙刷、電腦和服務(wù)器，軟件包含理論學(xué)習(xí)、視頻演示、操作練習(xí)和考核。該系統(tǒng)可以記錄刷牙的過程，可以重現(xiàn)之前的操作，方便糾正錯(cuò)誤的動(dòng)作。本研究將該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)過程，探索該系統(tǒng)是否適合刷牙宣教教學(xué)，學(xué)生能否通過該系統(tǒng)進(jìn)行自學(xué)，學(xué)生是否更感興趣。

1 研究對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象和分組

選取上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院第一年剛?cè)雽W(xué)的口腔規(guī)培生36 名，隨機(jī)分為A、B 兩組，A 組19 人，B 組17 人。

1.2 方法

A 組教師采用傳統(tǒng)教學(xué)法，即ppt 講課和模型進(jìn)行示范教學(xué)，學(xué)生練習(xí)，教學(xué)前和教學(xué)后進(jìn)行技能考核。B 組學(xué)生采用軟件教學(xué)法，即采用基于MR 和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的刷牙虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，教學(xué)前和教學(xué)后進(jìn)行實(shí)踐技能考核。實(shí)踐技能考核教師均持有國家執(zhí)業(yè)醫(yī)師實(shí)踐技能考試考官證，采用相同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)員進(jìn)行考核。兩位教師均通過標(biāo)準(zhǔn)一致性檢驗(yàn)（kappa＞0.8）。最后，通過問卷調(diào)查進(jìn)行教學(xué)效果評(píng)價(jià)。該問卷為結(jié)構(gòu)化問卷，包括學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)興趣、技能掌握程度和教師講課質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面。

基于MR 和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的刷牙虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的介紹：

本套系統(tǒng)硬件部分包含12 個(gè)攝像頭，1 套電腦，1 個(gè)大屏幕，（我校采用的動(dòng)作捕捉攝像頭為 OptiTrack -Prime 13W），軟件部分包含刷牙教學(xué)操作系統(tǒng)和動(dòng)捕軟件系統(tǒng)。刷牙教學(xué)操作系統(tǒng)包含：實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)介紹、學(xué)習(xí)模塊和測(cè)試模塊。其中學(xué)習(xí)模塊包含：理論學(xué)習(xí)、視頻播放和操作練習(xí)（包含網(wǎng)頁版練習(xí)和動(dòng)捕版練習(xí)）。測(cè)試模塊分為網(wǎng)頁版測(cè)試和動(dòng)捕版測(cè)試，見圖1～6。

圖1 硬件部分

圖2 軟件界面

圖3 網(wǎng)頁版練習(xí)模塊

圖4 動(dòng)捕版練習(xí)模式

圖5 網(wǎng)頁版測(cè)試界面

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 22.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，實(shí)踐技能考核結(jié)果成績組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。問卷調(diào)查結(jié)果比較采用卡方檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 實(shí)踐考核結(jié)果

兩組學(xué)生實(shí)踐考核結(jié)果見表1，A 組的教學(xué)前實(shí)踐考核平均成績?yōu)椋?0.8±18.63）分，B 組教學(xué)前實(shí)踐考核平均成績?yōu)?63.6±15.98）分，兩者差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。A 組的教學(xué)后實(shí)踐考核平均成績?yōu)椋?2.7±5.36）分，提高了30.9%，B 組教學(xué)后實(shí)踐考核平均成績?yōu)?91.2±6.55）分，提高了43.4%，兩組教學(xué)后成績均比教學(xué)前顯著提高（P＜0.05），但兩者之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。以此可見，兩種教學(xué)方法均能有效提高學(xué)生的實(shí)踐考核水平，且兩種方法之間效果相似，無明顯區(qū)別。

表1 實(shí)踐考核結(jié)果（分，±s)

表1 實(shí)踐考核結(jié)果（分，±s)

2.2 問卷調(diào)查結(jié)果

在教學(xué)完成后，所有受試者均完成了問卷調(diào)查，結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，學(xué)習(xí)目標(biāo)兩組學(xué)員均認(rèn)為教學(xué)目標(biāo)清晰明確，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），學(xué)習(xí)興趣度有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，軟件教學(xué)法組更有興趣（P＜0.05），自覺技能掌握程度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），講課質(zhì)量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表2 兩種不同教學(xué)方法的效果評(píng)價(jià)(人)

虛擬仿真軟件教學(xué)可以大大激發(fā)學(xué)生的興趣，加強(qiáng)他們的主觀能動(dòng)性。受試者認(rèn)為兩種教學(xué)方法均能讓自己掌握相應(yīng)技能，同時(shí)也對(duì)教學(xué)質(zhì)量滿意。

3 討論

虛擬仿真，也稱虛擬實(shí)境，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使操作者產(chǎn)生身臨其境的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)[3]。

近年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在口腔教學(xué)領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用，目前成熟的產(chǎn)品有日進(jìn)的simodont、迪凱爾的艾知星、眾繪的UniDental 等[4]。其中可以分為兩大類：一類為力反饋設(shè)備結(jié)合3D 圖像，代表的產(chǎn)品有simodont 和UniDental；另一類為通過導(dǎo)航儀實(shí)時(shí)捕捉標(biāo)記點(diǎn)的影像，從而計(jì)算出標(biāo)記點(diǎn)的精確坐標(biāo)，做到實(shí)時(shí)跟蹤器械與牙模，代表的產(chǎn)品有迪凱爾的艾知星[5]。而我校的基于MR 和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的刷牙虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)屬于第二類。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)多數(shù)應(yīng)用于電影拍攝[6]，我校的這套系統(tǒng)屬于國內(nèi)首次在口腔教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

利用虛擬仿真技術(shù)在口腔實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域可以使教學(xué)的形式更加生動(dòng)，更加具有吸引力。在本次的教學(xué)研究中，學(xué)生明顯對(duì)基于MR 和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的刷牙虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)更感興趣，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。而且利用此教學(xué)系統(tǒng)相比較于傳統(tǒng)的教學(xué)方式可以更好展示操作者的操作過程，利于學(xué)生相互之間糾正動(dòng)作。通過本次研究，可以發(fā)現(xiàn)使用基于MR 和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的刷牙虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)對(duì)于學(xué)生的技能掌握效果與傳統(tǒng)教學(xué)沒有差異。學(xué)生通過軟件系統(tǒng)自學(xué)可以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

利用虛擬仿真技術(shù)可以打破空間的限制，學(xué)習(xí)者可以在任意有網(wǎng)絡(luò)的地方，通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。在疫情期間，以基于MR 和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的刷牙虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開展基于虛擬技術(shù)的線上刷牙宣教實(shí)踐活動(dòng)，用于普通人群的刷牙宣教，獲得第36 屆上海市青少年科技創(chuàng)新大賽三等獎(jiǎng)。

當(dāng)然基于MR 和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的刷牙虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)也存在一些問題，比如在設(shè)備運(yùn)行前，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，需要專業(yè)人員操作；動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)于光線要求高，需要沒有反光的場(chǎng)地，同時(shí)操作者身上不能有反光的材質(zhì)，這些都會(huì)影響動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的精度，從而影響動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的多場(chǎng)景應(yīng)用。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生完全可以通過基于MR 和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的刷牙虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行自學(xué)，達(dá)到掌握刷牙宣教的目的，使這項(xiàng)技能培訓(xùn)教學(xué)開展更加便捷，節(jié)約教師資源。