口腔頜面部解剖教學(xué)增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用

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關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)；口腔頜面部；解剖學(xué)教學(xué)

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality,VR）技術(shù)是通過計算機(jī)生成三維可視化的圖像，讓使用者能高度沉浸于虛擬場景中全方位地獲取信息[1]。而增強(qiáng)現(xiàn)實（AugmentedReality,AR）在很多技術(shù)方面與虛擬現(xiàn)實相同，但也有明顯的本質(zhì)區(qū)別，其目的并不是構(gòu)建一個完全虛擬的環(huán)境，而是將計算機(jī)生成的圖像疊加到現(xiàn)實世界的圖像上[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的物理環(huán)境變得更為生動和立體。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，RobertMann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)實可視化。雖然期間也出現(xiàn)過關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)缺點的報道，包括惡心、頭暈、視力暫時受損以及缺乏臨場感[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，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)也開始在教育領(lǐng)域中有所應(yīng)用[4]。口腔解剖課教學(xué)的內(nèi)容是讓口腔醫(yī)學(xué)生對復(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對象和方法

1.1教學(xué)對象

隨機(jī)選取四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院2016級口腔專業(yè)五年制20名本科三年級的學(xué)生作為教學(xué)對象，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)分為實驗組和對照組，每組10人。兩組學(xué)生性別、年齡經(jīng)非參數(shù)檢驗、t檢驗對比，無顯著性差異（P＞0.05）。

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

基于韓國“VisibleKoreanHuman”數(shù)據(jù)庫[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)行糾錯和優(yōu)化，并對表面進(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)時長均限制為30分鐘。實驗組采用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的頜面部解剖教學(xué)模型進(jìn)行授課，對照組采用傳統(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：實驗組：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)實功能，將解剖生理內(nèi)容實時嵌入。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，然后通過全方位觀察3D頜面部圖像，對照提供的相應(yīng)教材文字內(nèi)容學(xué)習(xí)。對照組：學(xué)生通過解剖圖譜對照提供的相應(yīng)教材文字內(nèi)容學(xué)習(xí)。

1.4評價指標(biāo)

課堂教學(xué)結(jié)束后，兩組學(xué)生采用隨堂測驗及教學(xué)評價的方式對教學(xué)效果進(jìn)行評估。在考核之后，兩組學(xué)生均對涉及教學(xué)效果的各個方面進(jìn)行考量，對不同教學(xué)模式進(jìn)行問卷評價。每項調(diào)查內(nèi)容按1~5共5個級別打分（1完全不符，5完全符合）。結(jié)果使用SPSS26、GraphPadPrism8.0軟件作圖并統(tǒng)計分析。

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，可清晰呈現(xiàn)預(yù)載的頭頸部解剖模型。實驗組學(xué)生可全方位、多角度地觀察各個解剖結(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。問卷評價統(tǒng)計結(jié)果顯示，利用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)模型進(jìn)行授課的實驗組學(xué)生與利用傳統(tǒng)模式進(jìn)行授課的對照組學(xué)生相比，課堂中采用三維解剖軟件對課程內(nèi)容進(jìn)行整合，可以更好地調(diào)動學(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)計方面重點更為突出（P<0.05）；相比于解剖圖譜，實驗組教學(xué)資料能在后續(xù)實習(xí)操作中準(zhǔn)確找到相應(yīng)解剖結(jié)構(gòu)（P<0.05）?？傮w來說，實驗組學(xué)生對增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)方法滿意度更高（P<0.05），但實驗組學(xué)生自我評價對面頸部解剖結(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。

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

與傳統(tǒng)的教學(xué)方式（對照組）相比，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（實驗組）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、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)生解決實際問題的能力及教學(xué)效果。實驗組學(xué)生與對照組相比，隨堂測驗成績更高（P<0.05），見圖1。

3討論

3.1增強(qiáng)現(xiàn)實技術(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，這些數(shù)據(jù)庫主要收集大量CT/MRI掃描數(shù)據(jù)。第一個數(shù)據(jù)庫于1991年于科羅拉多大學(xué)創(chuàng)建，稱為“可視化人類項目（visiblehumanproject）”，包含7000多例數(shù)字解剖圖像，目前在美國國家醫(yī)學(xué)圖書館平臺免費開放。隨后出現(xiàn)了其他類似的模型，包括本文中使用的韓國數(shù)據(jù)庫“VisibleKoreanHuman”及中國數(shù)據(jù)庫“ChineseVisibleHuman”等。這些數(shù)據(jù)庫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)支配亦錯綜復(fù)雜，入門掌握的難度很大。而增強(qiáng)現(xiàn)實技術(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)實技術(shù)的應(yīng)用甚至能做到以4D的形式（在空間和時間維度上）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)實世界圖像，可以獲得更好的沉浸感和交互感。但其缺點也顯而易見，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)實技術(shù)的高速發(fā)展以及其結(jié)合產(chǎn)生的混合現(xiàn)實的應(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，甚至可以更真實地再現(xiàn)壓力條件（例如在戰(zhàn)場中或在手術(shù)室中）。同時，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)計以及更先進(jìn)的觸覺設(shè)備，以實現(xiàn)更高的還原度[7]。

3.2增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)提升口腔醫(yī)學(xué)教學(xué)效果的評價

在評價教學(xué)效果方面，筆者選用了隨堂測驗結(jié)合學(xué)生成績測評的方法，從結(jié)果可知，結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實教學(xué)的實驗組學(xué)生掌握情況和自我評價均優(yōu)于對照組使用傳統(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學(xué)習(xí)階段。有學(xué)者研究VR/AR仿真系統(tǒng)對某特定技能學(xué)習(xí)效果的有效性，其評價體系中盡量納入學(xué)習(xí)的整個階段，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)計的學(xué)習(xí)場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操訓(xùn)練和臨床見習(xí)、實習(xí)中[9]。當(dāng)然，這種情況會在增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)更進(jìn)一步發(fā)展后有所改善。

作者：田也 陳金龍 單位：四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院