口腔颌面部解剖教学增强现实技术应用

关键词：增强现实技术；口腔颌面部；解剖学教学

虚拟现实（VirtualReality,VR）技术是通过计算机生成三维可视化的图像，让使用者能高度沉浸于虚拟场景中全方位地获取信息[1]。而增强现实（AugmentedReality,AR）在很多技术方面与虚拟现实相同，但也有明显的本质区别，其目的并不是构建一个完全虚拟的环境，而是将计算机生成的图像叠加到现实世界的图像上[2]。换言之，使用者可通过机器看到周围环境的物理视图，然后通过叠加虚拟图像，使我们能感受到真实的物理环境变得更为生动和立体。平板电脑、手机、AR眼镜和其他经过优化的可穿戴设备均可作为运行AR应用程序的硬件载体。近年来，虚拟/增强现实技术在娱乐、科技等相关产业蓬勃发展，各种科技产品层出不穷，医疗健康领域也不例外。1965年，RobertMann首次将医学虚拟系统用于骨科医生住院医师培训中。20世纪80年代后期，头戴式显示器作为可穿戴式设备用于医学中的虚拟现实可视化。虽然期间也出现过关于虚拟现实技术缺点的报道，包括恶心、头晕、视力暂时受损以及缺乏临场感[3]，但随着各类影像技术的进步和硬件设备的改进，增强现实技术在医疗领域中得到了越来越广泛的应用，为临床医生提供了额外的指导信息。与此同时，增强现实技术也开始在教育领域中有所应用[4]。口腔解剖课教学的内容是让口腔医学生对复杂的颌面部解剖结构有准确的认知，是培养临床操作技能的基础。解剖学教学的关键在于帮助学生在脑海中建立解剖结构的模型，使其了解不同结构之间的空间关系。传统的解剖学教学主要依赖课本文字、解剖图谱、教学模具以及尸体解剖等，学生在接触尸体解剖前主要靠凭空想象，在接触尸体解剖后又容易手忙脚乱，很难达到理想的学习效果。笔者在此介绍一种基于增强现实技术的教学方式，以期将复杂的、抽象的颌面部解剖结构以三维可视化的形式呈现，用于颌面部解剖的教学，从而达到革新教学方式、提高教学质量和效率的目的。

1对象和方法

1.1教学对象

随机选取四川大学华西口腔医学院2016级口腔专业五年制20名本科三年级的学生作为教学对象，所有学生均学习过系统解剖学课程，但尚未学习口腔解剖生理学课程。通过抽签的方式随机分为实验组和对照组，每组10人。两组学生性别、年龄经非参数检验、t检验对比，无显著性差异（P＞0.05）。

1.2制作基于增强现实技术的颌面部解剖教学模型

基于韩国“VisibleKoreanHuman”数据库[5]，获取原始解剖数据模型，导入FEIAmira-avizo软件进行3D模型的重建，使用AutodeskMaya软件进行纠错和优化，并对表面进行平滑处理，导出二进制STL格式文件，其后导入平板电脑终端（由斯坦福大学临床解剖系MatthewHasel友情提供其团队自主研发的AR工具系统）。

1.3研究方法

教学内容选用口腔面颈部局部解剖章节，学习时长均限制为30分钟。实验组采用增强现实技术的颌面部解剖教学模型进行授课，对照组采用传统授课模式，两组均由同一高年资讲师进行指导。具体如下：实验组：结合本次授课内容形成面颈部解剖模块，运用三维解剖软件增强现实功能，将解剖生理内容实时嵌入。学生利用平板电脑、手机的摄像头扫描教师提供的标志完成注册，然后通过全方位观察3D颌面部图像，对照提供的相应教材文字内容学习。对照组：学生通过解剖图谱对照提供的相应教材文字内容学习。

1.4评价指标

课堂教学结束后，两组学生采用随堂测验及教学评价的方式对教学效果进行评估。在考核之后，两组学生均对涉及教学效果的各个方面进行考量，对不同教学模式进行问卷评价。每项调查内容按1~5共5个级别打分（1完全不符，5完全符合）。结果使用SPSS26、GraphPadPrism8.0软件作图并统计分析。

2研究结果

2.1口腔学生学习颌面部解剖学的积极性和满意度比较

利用增强现实技术，结合颌面部解剖教学的需求，依托平板电脑作为硬件平台，可清晰呈现预载的头颈部解剖模型。实验组学生可全方位、多角度地观察各个解剖结构及其毗邻关系，通过可视化的手段代替学生的主观想象。问卷评价统计结果显示，利用增强现实技术模型进行授课的实验组学生与利用传统模式进行授课的对照组学生相比，课堂中采用三维解剖软件对课程内容进行整合，可以更好地调动学习兴趣及积极性，参与感更强（P<0.05）；教学内容设计方面重点更为突出（P<0.05）；相比于解剖图谱，实验组教学资料能在后续实习操作中准确找到相应解剖结构（P<0.05）。总体来说，实验组学生对增强现实技术的教学方法满意度更高（P<0.05），但实验组学生自我评价对面颈部解剖结构和层次准确掌握程度上无显著差异（P>0.05），见表1。

2.2口腔学生颌面部解剖学的学习效果评价

与传统的教学方式（对照组）相比，增强现实技术（实验组）的应用更有利于学生直观了解口腔颌面部解剖结构，尤其在学习颌面部骨性结构、毗邻关系、关节运动、肌肉起止和空间关系、血管神经分布等方面可促进学生的理解掌握，增强学生解决实际问题的能力及教学效果。实验组学生与对照组相比，随堂测验成绩更高（P<0.05），见图1。

3讨论

3.1增强现实技术医学应用的发展现状

解剖学是大多数VR/AR应用于教育领域的经典范例[3]。研究人体解剖的VR/AR应用程序开发中的第一步是构建包含人类图像和信息的大型在线数据库，这些数据库主要收集大量CT/MRI扫描数据。第一个数据库于1991年于科罗拉多大学创建，称为“可视化人类项目（visiblehumanproject）”，包含7000多例数字解剖图像，目前在美国国家医学图书馆平台免费开放。随后出现了其他类似的模型，包括本文中使用的韩国数据库“VisibleKoreanHuman”及中国数据库“ChineseVisibleHuman”等。这些数据库模型中包含的大量数据标本，很好地满足了解剖学教学的需求。解剖学是需要长期学习、不断积累的，尤其是头颈部解剖，其结构复杂、孔隙多、交通广泛，血管和神经支配亦错综复杂，入门掌握的难度很大。而增强现实技术通过三维可视化使复杂的解剖结构学习不再单纯依赖学生的空间想象，且大大增强了学习的乐趣，成为一种较好的学习工具。除了基础的解剖学教学，增强现实技术的应用甚至能做到以4D的形式（在空间和时间维度上）展示器官发育的变化[6]。一些可穿戴的增强现实硬件设备，如谷歌眼镜、爱普生智能眼镜及更为先进的微软Hololens可以将虚拟形成的3D图像投影到真实环境上的眼镜。这些设备将眼镜与跟踪相机和传感器系统结合在一起，通过相机捕获现实世界图像，可以获得更好的沉浸感和交互感。但其缺点也显而易见，即成本高昂。而本文中用平板电脑作为增强现实应用的硬件载体，具有更好的普适性。随着虚拟仿真和增强现实技术的高速发展以及其结合产生的混合现实的应运而生，未来除视觉、触觉外，亦可能整合嗅觉刺激，将气味用作模拟医学诊断工具，甚至可以更真实地再现压力条件（例如在战场中或在手术室中）。同时，医学信息学也在不断发展，医疗数据将有更高的分辨率，尽管VR/AR技术已经取得了重大发展，但是仍然需要更快的处理速度、更高的分辨率、更好的方案设计以及更先进的触觉设备，以实现更高的还原度[7]。

3.2增强现实技术提升口腔医学教学效果的评价

在评价教学效果方面，笔者选用了随堂测验结合学生成绩测评的方法，从结果可知，结合增强现实教学的实验组学生掌握情况和自我评价均优于对照组使用传统解剖图谱的学习效果（P<0.05）。此处选择的教学阶段为解剖学的入门阶段，其反映出的结果未必能全面反映整个学习阶段。有学者研究VR/AR仿真系统对某特定技能学习效果的有效性，其评价体系中尽量纳入学习的整个阶段，通过技能习得的水平与付出的努力程度（学习时间、频次）绘制学习曲线。通常，如果期望学习曲线具有较高的平稳性，就意味着用这种方法获得技能的最终水平很高，初期曲线上升陡峭的话则意味着提高技能的难度较低。在VR/AR模拟器中学习的受训者，其学习曲线表现为初期陡峭，后期则较平稳地维持在相对低的高度，这意味着受训者能很快地掌握技能，但是单纯依靠VR/AR很难达到较高的水平[8]。笔者设计的学习场景很大程度上归于新手的入门期，所以取得了较好的结果。而后期要更好地掌握，则需要转移到其他的教育环境中，即回归到尸体解剖的实操训练和临床见习、实习中[9]。当然，这种情况会在增强现实技术更进一步发展后有所改善。

作者：田也 陈金龙 单位：四川大学华西口腔医院