虚拟现实技术用于龋坏识别教学

赵思铭，赵晓含，张 杰，王党校，王晓燕△

(1.北京大学口腔医学院·口腔医院，牙体牙髓科 国家口腔疾病临床医学研究中心 口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室 口腔数字医学北京市重点实验室,北京 100081; 2.北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室,北京 100191)

龋病是口腔中最常见且高发的疾病，临床上对龋病的治疗，首要步骤是彻底地清创，去净腐质，同时注意生物学原则，尽量保存正常的牙体组织[1]，这是治疗成功的前提和关键。去净腐质的临床标准包括视诊其颜色，牙本质无明显着色，有光泽；探诊其硬度，牙本质质地坚硬，尖探诊不能探入。探诊硬度是判断的关键，教学中常出现的问题是学生对于龋坏组织和健康牙体组织的识别能力不足，在去腐过程中，未能彻底去净龋坏组织，需要在离体牙上多加练习，以获得识别的技能。当前，收集离体牙的难度越来越大，这与培训中离体牙多多益善的目标产生矛盾；对于离体牙的切削操作具有不可重复性，学生无法在同一颗离体牙上反复对比去净腐质前后龋坏区域探诊硬度的变化；且因各离体牙具有唯一性和特异性，导致学生接受的培训并非完全一致，而学生培训的效果与其用于培训的离体牙有一定关系。离体牙的需求量、可重复操作性和标准一致性，是教学中亟待解决的关键问题。虚拟牙科培训系统具有可重复性、标准化一致性等特点，可以在一定程度上解决教学中的这一问题。近年来，国内外有多款虚拟牙科培训系统已经开发并应用于口腔专业教学领域，如荷兰的Simodont Dental Trainer系统[MOOG Inc. & ACTA (Academic Centre for Dentistry Amsterdam), 荷兰]可以用于模拟牙科钻削、去腐、窝洞充填、冠桥牙体预备等[2]；英国的HapTEL系统 (The Kings College London & University of Reading,英国)可用于培训牙体直接充填修复操作中的去腐、洞型预备[3]；瑞典的Forsslund 系统 (Forsslund Systems AB, 瑞典)可应用于牙体切削和智齿拔除操作[4]；哈佛牙医学院的Virtual Reality Dental Training System (VRDTS)可用于模拟牙体切削和窝洞充填[4]；北京航空航天大学的iDental(后更名为UniDental)系统可用于牙体切削、牙周检查治疗等[5-7],但现有的各系统在模拟的真实度上均存在或多或少的缺陷[5-6]，且尚未见着重于探查识别龋坏的模拟系统。本研究基于虚拟现实牙科模拟系统UniDental进行龋坏识别软件开发，旨在应用于口腔医学专业本科生临床前期龋坏识别教学，提高学生识别龋坏组织的能力。

1 资料与方法

1.1 龋坏识别软件的开发

基于众绘科技的UniDental系统(图1)开发龋坏识别软件。由于牙齿龋坏组织由表及里，硬度的增加或粗糙度的减小都并非是均匀变化的[1]，需建立抽象龋洞模型(图2)：(1)将龋洞由表及里，人为分成浅、中、深3层；(2)赋予每层内部以相同的硬度值，浅、中、深层硬度逐渐增大，浅层软、中层韧、深层硬，其中深层的硬度值设定为正常牙本质硬度；(3)赋予每层内部以相同的粗糙度值，浅、中、深层粗糙度逐渐减小，匹配相应硬度的牙本质，深层的粗糙度设定为正常牙本质粗糙度。各层牙本质硬度和粗糙度的值由临床经验丰富的医师预设。受试者可操作力反馈手柄(可提供最大5 N的力反馈)，在图3所示软件操作界面中切换硬度和粗糙度探查项目，分别选择浅、中、深层，使用虚拟探针探查患牙牙合面中央黑色龋坏区域，进行垂直向硬度探查和水平向粗糙度探查操作，探查时使用手柄逐渐用力达该层力反馈预设值，分别感受相应的硬度和粗糙度，若操作力度超过预设值，手柄会抖动提醒操作者减小力度，若操作力度大于手柄5 N极值时会出现落空感。

图1 UniDental系统

1.2 受试者

受试者为北京大学口腔医学院2014级口腔医学专业本科生，共计64 人，受试者参与实验时处于本科生临床前期教学阶段龋坏牙去腐培训系列课程中，已进行相应理论和部分操作培训。

1.3 实验方法

受试者操作UniDental系统龋坏识别软件，分别在龋洞的浅层、中层、深层进行垂直向硬度探查和水平向粗糙度探查操作培训。完成培训后进行问卷调查，评价该龋坏识别软件：(1)问卷中以评分1 ～ 5分对力反馈效果进行评级，1分表示非常不真实，2分表示比较不真实，3分表示一般，4分表示比较真实，5分表示非常真实；(2)以评分1 ～ 5分对龋坏识别能力的提高帮助度进行评级，1分表示完全没帮助，2分表示帮助较小，3分表示一般，4分表示比较有帮助，5分表示非常有帮助；(3)选择个人倾向的教学模式，包括传统离体牙教学、虚拟现实技术、两者都要3个选项。

图2 抽象龋洞模型 图3 龋坏识别软件界面

1.4 统计学分析

使用SPSS 20软件,对力反馈真实度和对龋坏识别能力提高帮助度评分进行秩和检验(Kruskal-Wallis test)，P<0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 力反馈真实度

力反馈真实度评分结果(表1)显示各层硬度和粗糙度及其层间变化梯度的力反馈真实性，数据由中位数和各评分例数百分比组成。发现学生对力反馈真实度的评分中位数均为4，表示比较真实。通过各层硬度探查评分对硬度变化梯度进行秩和检验，发现3层硬度评分结果对硬度变化梯度评分的影响均有统计学意义(P<0.05)。通过各层粗糙度探查评分对粗糙度变化梯度评分进行秩和检验，发现浅、中层粗糙度评分结果对粗糙度变化梯度评分的影响有统计学意义(P<0.05)。

2.2 对龋坏识别能力的提高帮助度

对龋坏识别能力的提高帮助度结果(表1)中位数为4，表示比较有帮助。将各层的力反馈真实度评分对能力提高帮助度进行秩和检验，发现硬度相关的4组数据对结果影响有统计学意义(P<0.05)。

2.3 教学模式的选择

90.4%的学生支持传统离体牙教学模式，1.6%(1位)学生认为虚拟现实技术更好， 7.8%(5位)的学生希望两种模式同时进行。

3 讨论

UniDental系统使用的力反馈手柄的外形和设计对实验结果有一定的影响，标准的口腔临床龋坏探查操作中，术者右手以执笔式握持牙科探针，以无名指作为支点支于患牙邻近硬组织，操作时探针尖端作用于牙体组织表面。实验中使用的力反馈手柄，其力反馈连接点位于手柄前部、接近尖端(并非尖端)， 术者握持部位在连接点之后，操作时阻力出现的部位较口腔内真实操作时更靠近手部，而非尖端，会在一定程度上影响操作者的手感。此外，力反馈手柄能提供最大5 N的力反馈，操作力超过最大值，手柄会出现反馈力突然消失的现象，而正常牙本质硬度约为68 KHN(Knoop hardness number)， 使用尖探针探诊(尖端直径0.5 mm)，正常牙本质可以承受的最大探诊力度远超过5 N[6]，虽然软件中预设的深层(正常牙本质)硬度力反馈值为最大值5 N，仍远小于实际值。故当受试者按照已有的离体牙上操作经验使用逐渐增大并超过5 N的力时，会出现反馈力逐渐增大又突然消失落空的现象，这一不佳的体验影响硬度的真实度评分。这个问题拟通过升级力反馈手柄硬件来改善，新的硬件能提供最大10 N的反馈力，但具体的测试效果尚待进一步研究。另外,对于手柄的外形，其握持柄部的直径约为牙科探针的 2.5倍，手感上的差异也会导致体验性下降，外形的改进有待于工业设计的进一步完善。

从硬度测试的结果来看，随着深度增加，各层探诊硬度增大，虽然中位数显示结果均为比较真实，但由于前述手柄力反馈最大值的缺陷，深层硬度的评分影响了硬度变化梯度的评分，而对于浅、中层，虽然硬度的力反馈模拟可以更接近真实牙体组织，但手柄能提供的垂直向探诊感受不是实际中的探入软物感以及取出探针时无阻力，而是一种探入时手柄会轻度下沉模拟扎入软物感，反向取出探针瞬时有轻度黏滞感[8]。这一感受差异可能是导致浅层、中层硬度测试真实值不佳的原因，故硬度探查的真实度对龋坏识别能力的提高帮助度有影响，后续需要进一步改进软件算法，改善体验。

从粗糙度测试的结果来看，中位数显示结果均为比较真实，但浅层、中层粗糙度评分影响粗糙度变化梯度评分结果。随着深度增加，各层的探诊粗糙度变小。深层为正常牙本质，粗糙度最小，软件容易模拟其光滑感；而浅层、中层龋坏部分，其粗糙度在力反馈手柄上体现为黏滞感，这一感受与在真实牙体组织上探诊的粗糙感存在一定差别。另外，龋坏和正常牙本质粗糙度可设定的力值区间较小，故模拟难度较大，这一问题需在后续的实验中进一步提高赋值的精确度来改善体验。

表1 问卷调查评分表

问卷结果显示该实验对学生龋坏识别能力的提高比较有帮助。传统离体牙教学方式对离体牙的依赖性高，但离体牙具有唯一性、不可复制性，对其切削操作后不可恢复，因此学生无法反复体会龋洞各深度的硬度、粗糙度变化，尤其是如何掌握去净最后一薄层韧牙本质前后的硬度和粗糙度的变化[9]，是临床前期教学和临床教学中的难点[10]。并且离体牙具有特异性，学生对教学内容掌握程度的好坏与其使用的离体牙的质量和数量存在一定关系。而虚拟现实技术恰好可以弥补这一不足，虚拟现实技术的可重复性，让学生可以在软件上反复体会去腐过程中各层硬度、粗糙度的梯度变化，且所有学生可以接受同样的标准化训练，因此该训练有利于学生龋坏识别能力的提高。

另外，教学模式选择的结果显示，90.4%的受试者倾向于延续传统离体牙教学模式。分析原因：(1)虚拟现实技术还存在很多不足，包括力反馈的真实性、操作界面的真实性等；(2)学生对于新的教学模式的适应程度各不相同，初次接触虚拟现实技术，个别学生在短时间内接受的能力有限，包括手柄的使用和软件中三维空间感的体会[6]，导致其无法掌握正确操作方法来感受不同的力反馈效果，回顾其问卷，给出的评分较低，一定程度上影响了整体结果；(3)龋坏识别的能力是一种临床经验和操作水平积累的体现，口腔医学专业的特殊性决定了它不可能脱离临床实际操作，目前传统的离体牙教学模式能创造更接近临床实际的条件，给学生提供相应的模拟训练。1.6%的应试者选择虚拟现实教学模式，7.8%的受试者希望同时接受两种模式培训。

综上所述，虽然虚拟现实技术仍不够完美，不能取代传统教学，但希望它可作为传统离体牙教学模式的补充应用于临床前期教学，随着虚拟现实技术的发展，模拟真实度的进一步提高，能在口腔专业教学领域获得更广泛的应用。