虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用.doc

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虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用 摘要：虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用已日益廣泛。 該文結(jié)合四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)情況，對(duì)中心的數(shù)字化3D虛擬口腔解剖實(shí)習(xí)平臺(tái)、穆格數(shù)字化虛擬I：1腔技能培訓(xùn)系統(tǒng)及口腔醫(yī)學(xué) 仿真機(jī)器人實(shí)習(xí)機(jī)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作一介紹，并對(duì)虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用作一展望。 關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；口腔醫(yī)學(xué)教育；應(yīng)用現(xiàn)狀 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(tīng)、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，通過(guò)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)。該技術(shù)由美國(guó)VPL公司 創(chuàng)建人拉尼爾(JaronLanier)在8O年代初提出，最早源于美國(guó)軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)。9O年代初在商業(yè)領(lǐng)域得到進(jìn)一步發(fā)展。目前虛擬仿真技術(shù)的 應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，除在軍事作戰(zhàn)模擬，飛機(jī)、船舶、車輛現(xiàn)實(shí)虛擬駕駛訓(xùn)練，飛機(jī)、導(dǎo)彈、輪船虛擬制造，以及在城市規(guī)劃、地理信息、室內(nèi)設(shè)計(jì)、文物保護(hù)等現(xiàn) 實(shí)虛擬仿真模擬外，其在醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域的應(yīng)用也被廣泛關(guān)注。本文結(jié)合四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)方面的應(yīng)用，對(duì)虛擬仿真技術(shù)在口 腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望作一介紹。 1虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域應(yīng)用的必要性 醫(yī) 學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象的新型教學(xué)方式。學(xué)生在虛擬環(huán)境中 開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。教育部根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020周學(xué)東，等：虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用 年)》，啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作。 虛 擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用是促進(jìn)醫(yī)學(xué)教育生動(dòng)化的需要。三維虛擬仿真軟件和虛擬課堂系統(tǒng)相結(jié)合，蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)打破了時(shí)空局限性，為學(xué)生提供了真正的“開(kāi)放性教學(xué) 環(huán)境。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育難以直接展示人體結(jié)構(gòu)、疾病發(fā)生及發(fā)展過(guò)程等內(nèi)容，教學(xué)缺乏生動(dòng)性，難以形象化，不利于學(xué)生更好地掌握醫(yī)學(xué)知識(shí)。虛擬仿真三維軟件技術(shù) 建立的人體結(jié)構(gòu)模型，使學(xué)生通過(guò)人機(jī)交互，在模型內(nèi)部“漫游”，能夠非常直觀、輕松地學(xué)習(xí)人體解剖結(jié)構(gòu)。不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且將抽象的內(nèi)容具體 化、形象化，給學(xué)生留下深刻的記憶，也給教員提供了方便，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用是提高醫(yī)學(xué)專業(yè)實(shí)踐性的需要。醫(yī)學(xué)是一門 實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的優(yōu)劣對(duì)學(xué)好這門課程至關(guān)重要。學(xué)生只有通過(guò)足夠的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的綜合實(shí)驗(yàn)才能獲得 必要的綜合技能。為醫(yī)學(xué)教學(xué)打造的各種三維虛擬互動(dòng)軟件和虛擬課堂系統(tǒng)的問(wèn)世，使得教學(xué)模具具有重復(fù)性和可逆性，學(xué)生得以有效培訓(xùn)一些無(wú)創(chuàng)性的操作方法， 這對(duì)提高醫(yī)學(xué)教學(xué)質(zhì)量起到了很大的促進(jìn)作用。 虛 擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用是醫(yī)學(xué)教育順應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要。隨著社會(huì)的發(fā)展，患者自我保護(hù)意識(shí)加強(qiáng)，醫(yī)患關(guān)系矛盾日益凸顯。這就要求學(xué)生在進(jìn)入臨床實(shí) 踐前必須盡可能地熟練掌握各種操作技巧，因此需要在臨床前的技能訓(xùn)練中給學(xué)生提供更真實(shí)、【核心期刊-代發(fā)】更先進(jìn)的模擬環(huán)境進(jìn)行各種臨床操作技巧的訓(xùn)練。應(yīng)運(yùn)而生的虛擬現(xiàn) 實(shí)技術(shù)為教師、學(xué)生提供了一個(gè)無(wú)創(chuàng)性、無(wú)損毀性、無(wú)危險(xiǎn)性的訓(xùn)練方式，通過(guò)學(xué)生在虛擬模型上的操作，完成對(duì)醫(yī)學(xué)生基本技能的訓(xùn)練，為臨床實(shí)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基 礎(chǔ)。 2虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域應(yīng)用的必然性 目 前，國(guó)內(nèi)外口腔醫(yī)學(xué)高等院校進(jìn)行臨床前技能培訓(xùn)主要應(yīng)用仿頭模訓(xùn)練系統(tǒng)。但這種仿頭模訓(xùn)練系統(tǒng)無(wú)法將患者在治療過(guò)程中的疼痛、不適等感受反饋給操作者，使 學(xué)生及時(shí)糾正不良操作，缺乏臨床感；其次該系統(tǒng)使用的是塑料牙，質(zhì)地遠(yuǎn)不及真牙，不能體會(huì)真牙的操作感；再者，該訓(xùn)練模式只能進(jìn)行牙體硬組織疾病等部分常 見(jiàn)口腔疾病的治療和操作訓(xùn)練，難以模擬口腔軟組織疾病等其他口腔常見(jiàn)疾病，也不能進(jìn)行拔牙、牙周根尖周手術(shù)及牙槽外科手術(shù)等操作訓(xùn)練。綜合來(lái)看，仿頭模的 模擬訓(xùn)練項(xiàng)目較局限，給操作者帶來(lái)的體驗(yàn)真實(shí)感不強(qiáng)，臨床感不高，具有一定的局限性，不能完全適應(yīng)日益發(fā)展的教學(xué)要求。因此，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí) 驗(yàn)教學(xué)是口腔醫(yī)學(xué)教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。 3虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀 將 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與口腔教學(xué)相結(jié)合，在口腔教學(xué)領(lǐng)域是一次革命性的突破，歐美國(guó)家已有近20所高校使用了該技術(shù)。目前該技術(shù)在我國(guó)口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域也有了初步 的嘗試和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)一些知名院校已在各專業(yè)課程的教學(xué)過(guò)程中逐步借助虛擬仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的教學(xué)功能，改進(jìn)或替代傳統(tǒng)的教學(xué)方式，其教學(xué)效果獲得了師生 的認(rèn)可與好評(píng)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)質(zhì)量的提升。目前虛擬仿真技術(shù)在口腔教學(xué)中的應(yīng)用主要有以下幾方面： (1) 在口腔解剖生理學(xué)教學(xué)中，應(yīng)用虛擬仿真三維成像技術(shù)建立虛擬解剖實(shí)驗(yàn)室，其原理是以CT、MRI斷層掃描、人體切片、實(shí)物標(biāo)本掃描等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng) 用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)【扣扣1138-745058】上重建逼真的實(shí)物圖像、器官組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)等各種虛擬解剖模型，從而建立虛擬口腔解剖標(biāo)本的數(shù)據(jù)庫(kù)，并作為口腔解剖生理教學(xué)的 虛擬解剖實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生開(kāi)放。學(xué)生可對(duì)該虛擬仿真解剖實(shí)驗(yàn)室的虛擬三維模型進(jìn)行立體或剖面觀察，還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)終端對(duì)虛擬解剖實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)自主學(xué) 習(xí)。 (2)在口腔種植學(xué)、口腔修復(fù)學(xué)等學(xué)科的 教學(xué)中，利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)口腔種植設(shè)計(jì)方案和口腔修復(fù)設(shè)計(jì)方案的虛擬三維圖像模擬，并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行力學(xué)系統(tǒng)和生物學(xué)合理性的分析和評(píng) 估，實(shí)現(xiàn)在口腔醫(yī)學(xué)教學(xué)過(guò)程中對(duì)治療方案和手術(shù)過(guò)程進(jìn)行虛擬圖像模擬和治療效果評(píng)估的教學(xué)功能。 (3) 在口腔疾病基本操作訓(xùn)練方面，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能較傳統(tǒng)模具訓(xùn)練的教學(xué)方式實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大、更逼真的功能。目前部分口腔醫(yī)學(xué)院校已著手建設(shè)口腔醫(yī)學(xué)臨床前技 能訓(xùn)練的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，利用虛擬仿真三維成像技術(shù)和高仿真機(jī)器人實(shí)現(xiàn)臨床診療過(guò)程的高仿真模擬和學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作能力的訓(xùn)練，整個(gè)過(guò)程無(wú)風(fēng)險(xiǎn)性、可重 復(fù)、實(shí)驗(yàn)成本低，并可根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行病案制定和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的靈活組合，具有高度仿真性和操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。 4虛擬仿真技術(shù)在華西口腔醫(yī)學(xué)院教學(xué)中的應(yīng)用 四 川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)起源于1917年，開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)口腔醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先河。華西口腔實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心經(jīng)過(guò)百年錘煉和不斷革新，現(xiàn)已成為教學(xué)理念先 進(jìn)、教學(xué)特色鮮明、教學(xué)體系科學(xué)完善、師資隊(duì)伍一流、教學(xué)成果顯著的口腔醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的國(guó)際知名品牌，成為引領(lǐng)我國(guó)口腔實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的方向，已成 為具有強(qiáng)大示范輻射作用的國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的國(guó)家級(jí)口腔醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(下稱示范中心)。隨著醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展需求，我院與時(shí)俱進(jìn)，以示范中心為依托，根 據(jù)高等教育信息化建設(shè)和開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)思想，應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)和高仿真技術(shù)，在示范中心的平臺(tái)上專門建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。現(xiàn)階段我院虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 教學(xué)中心主要包含以下3個(gè)平臺(tái)。 4．1數(shù)字化3D虛擬口腔解剖實(shí)習(xí)平臺(tái) 數(shù) 字化3D虛擬口腔解剖實(shí)習(xí)平臺(tái)是基于3D技術(shù)可視化人體工程構(gòu)建的牙體解剖學(xué)及相關(guān)教學(xué)的應(yīng)用軟件而實(shí)現(xiàn)。該軟件按照國(guó)人牙體形態(tài)結(jié)構(gòu)和特征完成人的虛擬 口腔構(gòu)建和制作，利用AMBERcTC3D引擎建立三維牙體圖像，既可以進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)，以觀察牙體不同面的外形，還可在不同平面進(jìn)行切 割，觀察牙體的內(nèi)部構(gòu)造?！驹u(píng)職稱發(fā)表論文】該軟件可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)版和光盤版實(shí)現(xiàn)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生自學(xué)、復(fù)習(xí)。其直觀的視覺(jué)體驗(yàn)，不僅可以廣泛應(yīng)用于口腔解剖生理學(xué)及相 關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還能進(jìn)一步擴(kuò)展到其他口腔臨床學(xué)科，如口腔內(nèi)科學(xué)、口腔頜面外科學(xué)、口腔修復(fù)學(xué)和口腔正畸學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、病案討論和治療方案設(shè)計(jì)等多方面應(yīng) 用，解決在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中真牙收集困難的實(shí)際問(wèn)題，并能提供大范圍的教學(xué)應(yīng)用，保障人才培養(yǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的需求。 4．2穆格數(shù)字化虛擬口腔技能培訓(xùn)系統(tǒng) 數(shù) 字化虛擬口腔技能培訓(xùn)系統(tǒng)由3D圖形生成工業(yè)計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)觸感生成計(jì)算機(jī)、教學(xué)課程示范計(jì)算機(jī)，以及學(xué)生操控終端和相應(yīng)應(yīng)用軟件組成。應(yīng)用軟件包括模擬臨 床病例、FI腔常用器械和操作評(píng)估體系等系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理是：運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)和力反饋觸覺(jué)系統(tǒng)建立了一套能模擬臨床治療真實(shí)場(chǎng)景的力學(xué)感受系統(tǒng)， 能模擬出正?？谇唤M織、離體牙的3D圖像，以及口腔常見(jiàn)疾病的軟、硬組織3D圖像，還可根據(jù)不同的治療方案選擇不同的虛擬工具，操作者在手持手柄時(shí)能感受 到虛擬工具與虛擬3D牙體接觸時(shí)的作用力與反作用力，獲得和現(xiàn)實(shí)中手持工具操作時(shí)相同的力學(xué)感受，從而能達(dá)到模擬訓(xùn)練臨床操作的效果。此外，該機(jī)能模擬大 部分口腔常見(jiàn)疾病的治療過(guò)程，并且能模擬出仿頭模難以實(shí)現(xiàn)的口腔軟組織疾病，以及活體組織在治療過(guò)程中的出血等實(shí)時(shí)反應(yīng)。不僅模擬疾病種類多、效果逼真、 操作手感真實(shí)，而且能解決目前牙體標(biāo)本和疾病模型供應(yīng)缺乏、實(shí)驗(yàn)替代材料與真實(shí)疾病組織相差較大、學(xué)生在操作中難以獲得臨床病例真實(shí)感受的難題，以及直接 對(duì)臨床患者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大的問(wèn)題，更好地滿足目前的教學(xué)需求。 利 用該系統(tǒng)能開(kāi)設(shè)出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下難以開(kāi)展的、具有臨床高風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如牙體窩洞預(yù)備、開(kāi)髓、根管治療、根尖手術(shù)、拔牙術(shù)、口腔修復(fù)牙體預(yù)備、牙種植等 多種難度較大的臨床操作技能訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。學(xué)生在訓(xùn)練過(guò)程中能熟練掌握牙科手機(jī)力度控制和各種牙科器械的使用，并在牙科治療的各個(gè)具體項(xiàng)目上都能得 到良好的技能訓(xùn)練，為臨床實(shí)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，解決在專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)“身臨其境”的難題。 4．3口腔醫(yī)學(xué)仿真機(jī)器人實(shí)習(xí)機(jī) 口 腔醫(yī)學(xué)機(jī)器人訓(xùn)練機(jī)是一種臨床前技術(shù)訓(xùn)練和臨床實(shí)習(xí)的高仿真模擬訓(xùn)練設(shè)備，不僅有對(duì)學(xué)生進(jìn)行必備臨床技能培訓(xùn)的功能，還能模擬臨床患者疼痛、嘔吐等實(shí)時(shí)反 應(yīng)，甚至能模擬因操作不當(dāng)造成患者不愉快等真實(shí)反應(yīng)：如從患者眼睛上面移動(dòng)物品時(shí)，能模擬出患者的恐怖感；操作者不慎碰到胸和肩膀時(shí)模擬出患者的不快反 應(yīng)；在設(shè)備口腔內(nèi)安裝了表現(xiàn)嘔吐的反射傳感器，來(lái)訓(xùn)練對(duì)敏感患者的操作治療。同時(shí)學(xué)生還可以通過(guò)對(duì)機(jī)器人的問(wèn)診、解釋治療過(guò)程等語(yǔ)言交流工作學(xué)習(xí)與患者進(jìn) 行交流，完成學(xué)生接待患者時(shí)的“態(tài)度、習(xí)慣、接待方法”等重要方面的培養(yǎng)。通過(guò)仿真人的動(dòng)作、語(yǔ)言、表情多種反饋信息，學(xué)生可以改良自身操作手法和與患者 交流的語(yǔ)言，能夠達(dá)到在沒(méi)有教師的指導(dǎo)下，可以通過(guò)影像回放來(lái)重新冷靜地審視自己，實(shí)現(xiàn)自我改善、自我學(xué)習(xí)的目的。 5結(jié)束語(yǔ) 虛 擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情 況時(shí)，為醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。從華西口腔實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前已開(kāi)展的部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)效果看，師生對(duì)該技術(shù)的接受程度高，該 技術(shù)的應(yīng)用能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，深受學(xué)生歡迎。未來(lái)虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展方向還會(huì)向?qū)崿F(xiàn)更加逼真的現(xiàn)實(shí)環(huán)境、更好的人機(jī)交互體會(huì)、更高的現(xiàn)場(chǎng)感方面發(fā) 展。隨著人們對(duì)虛擬仿真技術(shù)的逐漸了解，以及它在各個(gè)行業(yè)的普遍應(yīng)用給人們帶來(lái)的極大方便，虛擬仿真技術(shù)勢(shì)必會(huì)得到更快的發(fā)展。這種技術(shù)革新是不可逆轉(zhuǎn)的 趨勢(shì)，它將隨著時(shí)間的推移日臻完善，并且會(huì)運(yùn)用得更加廣泛。