混合现实技术在口腔正畸学教学中的应用效果评价

Evaluation of the Effectiveness of Mixed Reality Technology Applied in Orthodontics Teaching

摘要

随着5G和混合现实技术（Mixed Reality， MR）的发展，MR被广泛应用于医疗和医疗教学等相关领域。为了探索MR教学对口腔正畸临床中微支抗钉植入术相关内容教学效果的影响。本研究按照随机原则，将124名安徽省口腔医院正畸科学生分为实验组（MR教学组）和对照组（传统教学组）。实验组通过接受正畸微支抗钉植入术MR教学，体验模拟真实诊疗过程中的手术操作；对照组采用传统临床见习的手术带教方式。研究结果显示，理论成绩方面，实验组学生的微支抗钉植入术与对照组没有显著差异；实践技能方面，实验组学生明显优于对照组。教学问卷调查结果显示，学生对MR教学系统的欢迎程度和使用满意度分别为98.39％（62人）和95.16%（62人）。MR实验教学平台与传统临床见习的带教方式相比，MR技术能够显著提升学生对微支抗钉植入术临床操作流程的熟练度，有助于正畸临床学习兴趣的培养及教学质量的提升。

Abstract

With the development of 5G technology and mixed reality (MR) technology, MR is widely used in the fields of healthcare and medical education. In order to explore the impact of MR teaching on the teaching effectiveness of anchorage nail implantation in orthodontic clinical practice, we randomly divided 124 orthodontics students from Anhui Provincial Stomatological Hospital into experimental group (MR teaching group) and control group (traditional teaching group). The experimental group received MR teaching on orthodontic micro-anchor nail implantation and witnessed surgical operations that simulated the real diagnosis and treatment process. In the control group the traditional clinical internship surgical teaching method was adopted. The results showed that no significant difference in the score of theory tests between the two groups. In terms of practical skills, students in the experimental group outperformed those in the control group. The results of the teaching questionnaire survey show that the popularity and satisfaction of students with the MR teaching system were 98.39% (62 students) and 95.16% (62 students), respectively. Compared with the traditional clinical internship teaching method, the MR experimental teaching platform can significantly improve students’ proficiency in the clinical operation process of micro-anchor nail implantation, which helps to cultivate students’ interest in orthodontic clinical learning and improve teaching quality.

关键词

口腔正畸 / 混合现实技术 / 虚拟仿真教学 / 正畸微支抗钉植入术 / 医学教育

Key words

Orthodontics / Mixed reality technology / Virtual simulation teaching / Orthodontic anchorage nail implantation / Medical education

人工智能是计算机科学的一个重要分支，是研究开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用的一门新兴的科学技术^［1］。近年来，人工智能和大数据引领新一轮的科技和产业变革，对医学专业提出了新要求，发展智能医学、精准医学和转化医学等新医科^［2］。新医科的提出对医学教育提出了相应的要求，虚拟仿真、虚拟现实、人工智能等多种信息技术的应用丰富了教学形式，从智能手机、电脑到VR（Virtual Reality）一体机等应用于课堂，开发出了多种教学模式，使教学更加具有生动性、趣味性和互动性^［3］。“互联网+教育”的新型教学模式使学生可以跨越时间和空间进行学习，这种便利、高效、智能的学习方式已逐渐渗透于学校教育，融入学生的学习生活^［4］。

口腔正畸学是以错颌畸形为研究对象的口腔医学的重要分支，主要研究内容包括探索发病机理、寻求诊治方法、摸索预防措施等等^［5］。由于正畸治疗的复杂性和长期性，世界范围内的口腔医学教育都把正畸学作为本科后教育^［6］。在传统的正畸本科后教育中，普遍采用课堂传授理论知识，而后临床带教教师示教临床操作，两者有时相隔数月，传统课堂传授理论知识的局限性及理论与实践间隔的长期性不利于口腔正畸教学效率的提高和学生临床思辨能力的培养^［7］。

目前，随着5G技术和传感设备的普及和发展，混合现实技术（Mixed Reality， MR）取得了显著的进步，其包括增强现实和增强虚拟，通过把数字化的信息投入到现实中，在虚拟世界、现实世界和用户之间建立起一个交互反馈的信息回路，并且可以实时产生可视化影像^［8］。MR是最新的人机交互平台，具有交互性、多感知性、沉浸式等特点，能够综合计算机技术、三维图形技术、仿真技术等手段 ，借助 VR 设备虚拟出多感官的立体世界，使用者在视觉、听觉、触觉等方面产生多感官体验，具有身临其境的感觉，让学生有很强的参与性体验^［8］。

近二十年来，种植体支抗在正畸治疗中的应用愈发广泛，涵盖了前方牵引及骨支抗腭开展等多种治疗方式。植入性支抗钉的出现具有重大意义，它使得正畸治疗不再局限于非侵入性治疗，改变了传统正畸治疗过度依赖患者依从性的状况。借助支抗钉，一些复杂的矫治得以实现，进而显著提高了临床中正畸治疗的疗效，扩大了矫治范围。然而，这种将侵入性的支抗钉引入传统正畸矫治技术的做法，也给临床应用带来了挑战。一方面，它对正畸医生的临床操作水平提出了较高要求；另一方面，种植钉植入存在一定风险及问题，例如可能引发感染、种植钉松动脱落等，这些在一定程度上限制了支抗钉在正畸治疗中的广泛应用。作为口腔正畸临床的重点和难点，如何精确植入支抗钉对术者的口腔解剖理论知识与临床操作水平有着较高要求。随着支抗钉的种类和应用场景的不断更新，对学生学习带来新的挑战^［9］。口腔内狭窄及有限的操作环境，在给术者提供较好的操作视野的同时，往往导致学生不能直观地看到术区和具体的操作步骤，影响学习效果^［10］。混合现实技术能使用户看到流程化的支抗钉植入场景和真实诊疗过程中的术者视野，可以将复杂的手术器械、手术流程实时模式化和影像化，丰富了口腔正畸临床教学方式^［11］。综上所述，本研究构建特定的评价体系，用于探索MR教学对正畸微支抗钉植入教学效果的影响，为新医学背景下的口腔临床教学改革注入新活力。

1 方法

1.1 实验对象

选取在安徽医科大学附属口腔医院正畸科轮转的口腔规培生、研究生和进修生（本科学历及以上）共计124人（2022年 — 2024年）。纳入标准：口腔医学五年制本科毕业，精神、认知和沟通交流无障碍，自愿被纳入本研究且依从性较好。排除标准：本科时期有科目不及格者，既往接受过上颌骨骨性扩弓器（Maxillary Skeletal Expander， MSE）微支抗钉植入手术者。

1.2 实验方法

1.2.1 MR课程建设及功能测试

基于上颌横向发育不足（Maxillary Transverse Deficiency， MTD），即上下颌牙弓及基骨宽度不调的疾病背景，带教教师使用MR设备进行上颌骨骨性扩弓器中微支抗钉植入的临床教学，同时结合PPT介绍微支抗钉植入的相关知识点；教学过程中依次介绍所需的器械、手术的操作步骤。混合现实技术能以更直观的方式来介绍器械的类型、大小型号和用途。在介绍的同时应用在患者的手术流程中，打造一个身临其境的学习氛围，体现了MR技术在临床教学中的实时交互性。同时，结合导航设备将患者三维CT数据重建到MR设备中，将三维影像和患者的解剖位置相统一，最大限度地模拟微支抗钉植入术的场景，指导学习者熟练掌握正畸微支抗钉植入术的器械和操作流程。微支抗钉植入术全过程以全息影像的方式进行呈现，学员们可以立体、直观、多角度进行观察学习，可自主探索并按需切换视角，从而加深对整个手术过程的掌握和对上颌骨三维空间结构的理解。在教学过程中，教师可以根据自身需要对解剖结构的颜色、透明度、大小进行改变，以方便学员的观察理解。

1.2.2 实验分组与教学方法

将124名正畸科学生随机平分为MR教学组（62人）和传统教学组（62人），分两小班进行授课。在进行实验前，我们对两组学生本科时期口腔专业必修课平均成绩进行比较，确定两组学生学习能力没有明显差异。穿戴MR教学设备的教师，采取实时直播加PPT的方式，对MSE中微支抗钉植入术进行教学指导和讲解。对照组的教师采用先理论讲解而后伺机寻找临床带教机会，临床带教现场进行指导和讲解。两种教学方式均包括理论知识讲解、手术器械介绍，以及手术步骤讲解等。

1.2.3 评价

评价方法包括理论知识和实践技能测试，以及针对MR教学的问卷调查。在课程结束后，将全部学生重新随机分两小班，进行微支抗钉植入术的理论知识和实践技能测试，理论成绩和实践技能各50分，总分100分，打分教师为非带教教师。理论知识考核主要围绕：支抗钉的种类、植入部位、适应症和术后护理等内容，两组考核内容一致。在仿真头模上进行技能操作考核，主要包括以下内容：术前准备（5分）、消毒麻醉（10分）、器械和支抗钉选择（15分）、支抗钉植入效果（位置、方向、深度、偏差度数以及初期稳定性等）（15分）以及术后宣教（5分）。针对MR教学组的学生和教师进行问卷调查，学生问卷内容包括对MR系统是否对支抗钉植入术学习有帮助，包括主观感受、实用性、创新性、满意度、建议及改进等，教师的问卷内容包括对MR系统的使用感受，包括MR设备操作难易程度、便利性、舒适性、满意度、建议及改进等。

1.3 统计与分析方法

采取随机抽样的方式将124名学生分为两组，使用SPSS 24.0对本实验所有数据进行分析，使用均值±标准差（x±s）来表示计量资料。使用t检验、卡方检验、Fisher精确检验分析学生成绩，P<0.05表示显著性差异。

2 结果

2.1 基线资料

在本研究中一共有124名学生，男生58人，女生66人，年龄区间为23~32岁。MR教学组62人，男生30人，女生32人；传统教学组62人，男生28人，女生34人。对两组学生本科时口腔专业课成绩进行统计学分析，结果显示传统教学组（对照组）本科必修课成绩为（78.97±8.83）分，MR教学组（实验组）本科必修课成绩为（78.27±8.37）分，两组学生平均成绩差异极小，且差异无统计学意义（P>0.05），如表1所示。

2.2 成绩对比

在两组教学结束后于安徽医科大学附属口腔医院正畸科候诊大厅进行理论成绩闭卷考核，考试时间为一小时，考试结束后试卷由科室两名未参加本次教学研究的带教教师进行阅卷评分，并记录理论成绩。结果显示，MR教学组和传统教学组学生在“理论成绩”上无明显差异（38.58±4.58 vs.39.1±5.10，P=0.555）；在安徽医科大学附属口腔医学院实训中心进行技能考核，学生在仿真头模上进行上颌骨骨性扩弓器中微支抗钉植入相关操作，两名带教教师在旁边进行监督打分，并统计成绩。结果显示，学生在“实践技能”成绩上显著高于传统教学组（37.72±2.9 vs.39.69±2.44，P=0.000），差异具有统计学意义；将理论成绩和实践技能成绩相加得出总成绩，随后进行统计学，分析显示MR教学组学生成绩高于传统教学组（76.00±5.58 vs.78.79±5.88，P=0.008），差异具有统计学意义，如表2所示。

2.3 教学问卷调查

在教学及考核均结束后，向MR教学组学生发放共计62份调查问卷，共计回收问卷62份。结果显示，有61人（98.39％）对MR教学方式表示欢迎；59人（95.16%）认为MR教学效果好且印象深刻，虚拟现实技术将影像资料和患者口内重合，非常直观地展示颌骨相关解剖结构，清晰地感受支抗钉植入的全过程，学生普遍反映该种教学方式十分新颖；有部分学生反映存在网络延迟和清晰度不足的问题，但瑕不掩瑜，对MR教学系统的体验表示满意，部分学生对仿真头模不满意。向MR教学组教师发放6份调查问卷，收问卷6份，6人均表示MR的教学效率高，有利于患者信息和临床资料的整合，对MR教学方式表示欢迎，但是头戴式的MR设备重且不易固定，网络不稳定影响教学效果，建议整改设备。

3 讨论

随着社会认知和经济的发展，越来越多的人选择正畸治疗，期望收获美丽的笑容和健康的口腔。一口整齐洁白的牙齿，不仅给患者美观和自信，同时还有利于口腔健康的保持^［12］。流行病学调查显示，错颌畸形在乳牙期、替牙期和恒牙期发病率均呈逐年增高的趋势，社会对正畸治疗的需求也在迅速增加^［13］。然而，国内正畸专科医师已难以满足日益增长的正畸患者的需求，目前正畸培训受到越来越多的口腔医生的欢迎^［14］。

现代正畸发展的一百年来，为了达到精确控制牙齿移动的目的，涌现了多种矫治技术及配套的矫治器。从方丝弓技术到直丝弓，再到目前的隐形矫治技术，为了使牙齿发生移动均需要在牙齿上施加一定方向的力，同时产生大小相同方向相反的力，为了抵消这个反作用力的措施被称为“支抗”。因此，无论何种矫治技术，支抗控制都是正畸治疗成功的关键因素^［15］。在正畸临床工作中，作为“绝对支抗”存在的微种植支抗在正畸诊疗中扮演着非常重要的角色^［16］。例如，在口腔正畸领域，对于那些难以实现的远中移动牙齿或整个牙列的控制移动问题，可通过种植支抗钉来解决。此外，在上颌或上下颌骨植入钛板等种植体，将其作为固位装置，能够为实现更多的上颌骨前移提供可能。不仅如此，利用种植体还能实现牙齿压低以及垂直向控制牙齿移动等操作，为口腔正畸治疗提供了更多有效的方式和手段，进一步推动了口腔医学在该方向的发展与创新。在这些应用中，微种植支抗的精确植入是其发挥功能的先决条件，不当的植入会导致诸多并发症，比如：牙根损伤、支抗钉脱落、支抗钉周围组织炎症等等。通常，种植体支抗的植入成功率一般约在80%。植入失败的原因常见为感染、骨质结构不良及操作不当会产生种植体折断的风险。由此可见，除了病患本身解剖结构及颌骨生理特性的差异，是术者对支抗钉的植入部位定位不够精确所导致的。因此，加强对口腔医学生种植微支抗的临床前教育及技能培训，对于提高种植支抗的整体成功率具有重要意义。传统的正畸微种植体支抗植入教学存在诸多缺点，其采用课堂理论课加临床带教的方式，理论课堂多采用文字描述加二维的图片展示，并且临床带教和理论课相隔数月，导致学生无法系统有效地将理论和操作结合来理解抽象的微种植支抗植入相关的知识及操作要点^［17］。自虚拟现实及增强现实技术之后，混合现实技术作为又一次重大的技术革新，已成为新一代的人机交互平台。它能够展示出高清的全息影像，借助手势识别技术模拟出最为自然的操作方式。在口腔医学领域，借助这一技术，学员在口腔手术的围手术期学习相关手术技巧时，能够获得具有空间立体感与沉浸式体验感的学习过程，从而大大降低由于口腔内组织结构（如牙齿、牙髓、牙周组织、血管、神经等）之间复杂空间关系给学员术中判断和精准操作带来的影响。MR技术的出现可以实时传输术者视野，构建出实时三维影像，展示真实的临床操作，MR技术目前已被逐步应用于远程会诊、手术操作、医学教育和培训等，但是在口腔正畸教育领域却未见报道。

传统的医学教学模式长期以来以纸质教材和多媒体课件讲授作为核心内容。然而，这种方式存在诸多弊端，不仅缺乏互动性，难以调动学生的积极性和参与度，吸引力也明显不足。并且，近年来招生规模不断扩大，医院里的临床带教教师资源相对不足，平均每位带教教师需要指导的学生数量过多。在手术教学中，由于学生无法以术者的角度清晰、完整地观察手术过程，对手术操作的细节把握不足，大大影响了学生对知识的理解与吸收，降低了学生的学习效率。正畸微支抗钉的植入部位包括上下颌前牙区、上下颌后牙区、颧牙槽嵴、腭侧牙根之间、腭中缝两侧及下颌骨外斜线等等。传统教学中对各种植入位置的适应证、植入流程和注意事项等知识点的讲解较为枯燥，学生很难理解掌握颌骨复杂的解剖结构和手术之间的关系，理解困难，严重影响了临床教学的效果，不利于正畸专科医生的培养。MR技术将虚拟和现实结合，通过虚拟现实技术和增强现实技术，打破虚拟世界和现实世界的界限，同时结合导航设备将患者三维CT数据重建到MR设备中，将三维影像和患者的解剖位置相统一，使术者能够体验到混合环境下的全新数字全息影像。虚拟的3D影像和患者口内真实情况相结合，使术者不需要在脑海中重新构建3D影像，即可直观、立体地观察患者的颌骨影像资料，大大提高了支抗钉的植入效率和植入的精准度。5G技术能使支抗钉植入术中的实时影像传输到大屏幕上，使学生能够以术者的视野观察学习，提供身临其境的学习体验。同时，患者术后影像学检查也显示，使用MR技术植入的正畸微种植支抗钉位置精确，植入效率较高。口腔微种植支抗钉植入MR教学能够实时传输术者视野，使学生更加直观地看到颌骨中支抗钉植入部位，和植入过程的重点和难点。本研究结果显示，学生在无论是器械辨认程度，还是手术流程熟悉程度方面均得到了大幅度的提高，但是样本量偏小，因此我们后续增加研究样本量，为MR技术进入临床教学打下坚实的理论和实践基础。同时，MR技术对于正畸治疗中托槽和附件粘接、头影测量、正畸方案的制定、弓丝更换等常规正畸教学也有很好的启发，并且远程MR教学有利于正畸技术的推广和基层偏远地区医生诊疗技术的提高^［18］。

4 结语

随着MR技术的不断发展，口腔正畸MR教学更能真实反映临床真实情况，为学生提供更加真实、立体、生动形象的学习体验。MR技术所提供的远程连接和共享虚拟现实环境，还能进行远程医疗教学和团队合作，促进知识的传递和经验的分享。目前将MR技术全面引入口腔正畸临床教学仍面临一系列挑战，如设备成本高、网络质量依赖、技术操作复杂等问题，因此，未来需要在技术和教学模式上进行进一步研究^［19］。我们相信随着移动网络技术的革新和MR技术的发展，仿真虚拟技术一定能为口腔医学教育带来更多的可能性。

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基金资助

国家自然科学基金(82301039)

安徽医科大学校级临床教学案例资源建设项目(2024xjxm48)