口腔医学教育对虚拟现实模拟器的需求范文

［摘要］虚拟现实（VR）及增强现实（AR）是未来趋势，该技术领域以营造身临其境的真实体验为目标，在各行业及领域逐步研发及应用。当前，VR及AR模拟器正成为现代教育的重要组成部分。在口腔医学领域，VR及AR被认为是一种强有力的辅助教学工具，其在临床前培训中可以显著提高口腔医学生的手眼协调能力及临床操作能力。该文概述了基于口腔医学背景的VR及AR模拟器特性，并探讨了VR及AR在口腔医学临床前教育中的应用方式及前景。

［关键词］增强现实；虚拟现实；牙科模拟器；医学教育

口腔健康是全身健康的重要组成部分，且口腔健康与全身健康状况密切相关。1995年和2005年开展的全国口腔健康流行病学抽样调查资料显示，10年间35岁以上成人患龋率和牙周疾病（牙龈出血、牙石、牙周袋）检出率均有所上升［1］。随着老年人口数量的增加、老龄化社会结构的日益加重和经济的持续增长［2］，民众口腔健康的意识逐渐增强，口腔保健问题也越来越受到重视，对口腔医生的需求也与日俱增。相较于其他专业而言，口腔医学对于医生的手眼协调能力、临床技能训练和诊疗经验积累要求更高。而上述技能和素质的获取则直接反映在学校的临床前教育中。当前，世界各地的口腔教育机构皆希望通过完整的教育体系和培训，在进行理论教育的同时，通过大量的实际操作练习和评估来完成口腔科医生的培养。因此，在口腔医学教育中，基于伦理学、医生成长曲线等客观现实，应用于模拟临床操作的辅助产品开发技术将发挥越来越重要的作用。

1虚拟现实（VR）及增强现实（AR）的背景

随着口腔医学教育的不断发展，各种模拟训练的技术和方法正纳入临床前课程中，以提高口腔医学生精细运动技能和临床前的手眼协调能力，以使其得以自院校顺利过渡到临床环境。目前，模拟训练已经成为口腔医学教育中不可或缺的组成部分［3］，这在世界各地的口腔医学教育机构已得到了公认。在专业教育课程中适当使用模拟训练技术和方法，可以让学生在不对患者造成可能伤害的前提条件下，提高学生的临床操作技能。由于临床培训需求的增加、经验丰富教师的缺乏、成本因素和教学与评估的趋势变化，包括大学在内的口腔医学教育机构着手开发基于模拟技术的教学及学习软件，以提高学生的操作水平和学习能力。如今，基于计算机技术的不断发展，多项虚拟技术可应用于口腔医学临床前教育，例如AR和VR。近年来，AR和VR作为连接数字世界与真实场景的纽带，已被广泛使用。VR是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，其利用计算机生成一种模拟环境，是一种多元信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真［4］。AR是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是将原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，通过计算机技术模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，并被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验［5］。将AR和VR技术应用到口腔医学临床前教育中，将大大提高学生的动手操作能力，减少教学过程中的潜在风险，节约时间成本。目前，口腔医学教育机构使用的模拟训练教具多为逼真的人体模型及牙科模拟手术中所采用的牙科模型。将逼真的模型作为教具，虽然方便教师的讲解及解释，在模拟操作中也能提高学生的手眼协调能力和灵活性，但是教师很难向学生描述模型操作过程中的触觉（即力反馈）。随着VR及AR模拟器研究的不断深入和推进，研究者尝试开发新型口腔医学教具，将触觉（力反馈）和虚拟临床环境引入临床模拟练习中。该类新技术和教学工具的使用可以在提高学生手眼协调能力和临床决策能力的同时，减少教学过程中教师和教育机构的时间成本和潜在风险。

2牙科模拟器

研究表明，毕业于不同国家或不同口腔医学院校的毕业生，在相同的临床条件下，可能会有不同的临床决策［6］。这意味着在每个国家或学校都有自己的教学和评分方法。而VR和AR技术的引入则可能使不同的教学及评分方法呈现标准化的可能，以便学生可以获得良好的临床前操作技能及临床决策能力。目前，市面上已存在多种牙科模拟器，如Den－tSim、Simodont等。大部分牙科模拟器将VR和AR系统结合，其中包括人体工程学的姿势、即时反馈、考试模拟、数据实时传送、使用牙齿类别和左右操作等。这些基于VR和AR技术的牙科模拟器，不仅整合了学习和教学系统，还能培训操作者临床技能，提高其手眼协调能力。同时，牙科模拟器还可以改善操作者的姿势，辅助开发操作者的触觉（力反馈），以提高操作者的临床技能。许多关于VR和AR的技术可以训练用户，让他们熟悉系统和掌握技能。牙科模拟器包含口腔基础教学、手术技能训练、手术操作审核等板块，操作者能体验特定操作所需要的力量、方向、角度等，系统还能记录操作者操作过程中的力觉和运动数据，用于回放和分析，从而实现个性化的教育和培训。本院拥有的uniDent模拟器是我国自主研制的首款视觉、力觉融合的多功能虚拟现实口腔模拟器，主要用于牙周及种植基础教学、手术技能训练、操作考核。在三维场景实施逼真绘制，拥有实时（1000Hz）、精细（准确区分皮肤、舌头、牙齿刚度）力反馈等技术优势。uniDent在硬件上由视觉显示、3D教学平台和触觉感知3个部分组成。视觉显示是利用计算机图形技术建立逼真的口腔临床操作环境，通过高清显示器及平面反射镜，使虚像与手部力觉空间精确配准。3D教学平台通过高清触控显示屏进行人机界面交互，同时进行三维多媒体口腔基础教学和考核评估，使学生理论知识学习和实践操作训练相结合。触觉感知是通过双手力觉反馈技术进行精确力觉感知，左手设备可模拟口镜，右手设备可模拟刮治器、种植机等多种口腔科室手术器械。相较目前市面上已有的DentSim、Simodont模拟器，uniDent的考核评分规则更完善。例如龈上洁治方面，考核评分包含定量评价及定性评价。定量评价包括操作时间、去除牙石数目、误操作数；定性评价包括器械选择、握持方式、支点选取、用力方式、用力方向、尖端1／3、损坏牙龈等。对学生而言，完善的考核评分标准可以使其明确需要改进的操作；对教师而言，完善的考核评分标准可以改善教学方式及教授知识的侧重点。

3口腔教育和VR、AR

口腔医学生学习的关键是要确保基本概念被理解，同时基本操作被熟悉。当教育的目的是将知识转移到现实世界并进行临床操作，而不是记忆事实或程序时，模拟器的使用就更为有效。VR能够让学生在虚拟的环境中与教学内容互动，解决传统课堂中互动性、情境性、沉浸性不强等问题。AR是VR技术的延伸。AR技术具有5个方面的特性，其在教育中的应用潜力主要体现在：抽象的学习内容可视化、形象化；支持泛在环境下的情境式学习；提升学习者的存在感、直觉和专注度；使用自然方式交互学习对象；传统学习方式与新型学习方式相结合。VR及AR模拟器除帮助提高动手能力和提高手眼协调能力外，还可以帮助学生探索其对治疗内容和概念的理解。VR及AR模拟器中进行自我评估的功能可以帮助学生衡量其作品的质量，并获得改进的空间。VR及AR模拟器能将数据直接传送给教师，使得教师对学生的学习质量、知识掌握程度有更直观的了解。对学生而言，频繁的反馈、反思和修正机会对于提高其学习质量至关重要。对教师而言，实时直观地了解学生的学习状态能更及时地改善教学进程，更有针对性地进行教学。使用VR及AR模拟器模拟牙科治疗，使教师能够更好地吸引学生，同时学生能建立自己的知识库。这些模拟器能够存储和回放学生的工作，使学生能够自我学习和评估。VR及AR模拟器的优势在于，其允许灵活的学习与自我教学，而不局限于课堂培训的时间，从而增加学生的培训时间，并降低未来整体的培训成本。目前，牙科模拟器仍存在诸多限制，如触觉反馈不灵敏，对学生的操作反馈较少等。这项技术很大程度上仍然需要在各个步骤进行大量改进。VR及AR学习环境不仅仅是一个技术平台或工具，更可能是一种新的教学模式［7］。口腔教育有望融合新型教育理念和计算机技术，从而在高等教育中成功运用计算机相关AR和VR技术来重塑教学和学习过程。

4小结

自20世纪90年代以来，VR及AR技术的研究日益深入，适用领域日益广阔。口腔教育领域具有直接反馈和客观评价功能的VR及AR模拟器可能会成为未来口腔教育的重要工具。目前，VR及AR模拟器已具有诸多功能，如人体工程学的姿势、即时反馈、考试模拟等，但仍有许多问题需要改进，例如提高触觉敏感度、相关模块开发等。VR及AR模拟器与口腔教育的结合，可以显著改善传统教育的缺陷。在未来的口腔教育领域，VR及AR模拟器有非常广阔的应用前景。

参考文献

［1］任延方．中国国民口腔健康需求，口腔医学教育及住院医师培训的现状与思考［J］．中华口腔医学杂志，2015，50（8）：457－461．

［2］傅瑜弘．积极心理学视域下老龄人口生活质量提升研究［J］．北华大学学报（社会科学版），2018（6）：71－77．

［3］李春刚，马斌，曹芳，等．军队中心医院临床教学基地建设的实践与体会［J］．西南国防医药，2018，28（10）：982－983．

［4］黄奕宇．虚拟现实（VR）教育应用研究综述［J］．中国教育信息化，2018（1）：11－16．

［5］蔡苏，王沛文，杨阳，等．增强现实（AR）技术的教育应用综述［J］．远程教育杂志，2016，34（5）：27－40．

作者：陈陶 何清清 袁帅 王超 王思 单位：重庆医科大学附属口腔医院种植科