单位文秘网 2021-08-04 08:16:21 点击: 次
组织的硬度、质感和颜色均不相同,口腔医师都需要通过感知牙体组织的形态、颜色、硬度和质感来指导自己的操作。牙体具有复杂的外形和多重物理属性,建立一个不同区域可实现不同机械硬度的虚拟牙体,在形态上能够形成细微几何特征并能实现病变组织与健康组织之间的物理属性差异,对于医师在操作过程中可否获得更真实的触觉和力觉感受至关重要。
Yoshida等设计的多层结构式牙体模型,北京航空航天大学与北京大学口腔医院合作开发的口腔手术模拟原型系统均采用了相似的建模原理。通过激光扫描体外牙将获得牙体轮廓数据作为原始数据,三维重建后可得到由三角片网络表达的模型。在三角片中对不同区域组织的物理属性进行设置,包括将面弹性系数,面阻因子,面动态摩擦因子和静摩擦因子储存在该三角片数据结构中。模型建立后,通过碰撞检测和响应来判断虚拟化身(牙体模型)与被操作物体是否碰撞,记录碰撞产生的嵌入位置、深度和方向等信息,从而完成二者相接触时的力学交互状态。当这些基本条件具备后,才可根据各种作用于牙体上的操作动作,计算出操作所产生的接触力及此力对物体运动状态、形状或拓扑结构产生的影响,最终完成力学响应,模拟出触力觉。
根据不同专业化操作所需的虚拟环境,可以建立不同的组织模型,例如龋坏牙,附牙石的牙体,牙体缺损牙,牙周炎病理模型等。
3.3虚拟工具
工具的建模类似于牙体模型的建模过程,但工具为动态模型。根据实际所用的各类口腔诊疗工具,例如尖探针、牙周探针、手机、钻针、洁治器和刮治器等,通过激光扫描获得工具轮廓数据,再将其物理属性储存于相似的三角片网络数据结构中。
3.4虚拟视觉
虚拟环境可以通过计算机经图像处理显示为操作对象的图像变化传达给施术者,也可以通过视觉模拟观察三维空间内操作对象的变化。“MIS培训演练系统323”作为最早的商业手术训练系统,带有高分辨率阴极射线管的头盔式全息影像显示器(helmetmountdisplay,HMD)以及连接到33MHz的SGI Elan工作站。HMD的头盔使得佩戴者沉浸感十足,可在正常的视线范围内查看手术过程。一个工作站可以支持多个HMD,练习者与考量者可以看见相同的操作场景。
4 虚拟现实与口腔诊疗操作
4.1虚拟现实技术与牙体牙髓病诊疗
探诊是牙体治疗中所用到的最基本操作。通过探诊感知牙体组织的硬度和质地来与病变组织进行鉴别,检查软垢和牙石等沉积物。操作涉及虚拟物(牙体组织或牙石软垢)与虚拟工具之间的接触交互,力学交互设备采集操作者或工具的运动。探针与牙体接触的过程可简单地理解为一个弹簧阻尼模型,通过设置模型的面弹性系数、面阻尼因子、面动态摩擦因子、静态摩擦因子来改变因操作产生的虚拟力。力觉渲染将计算得到的虚拟力进行变换或处理,保证稳定的同步力觉显示。当操作者操控虚拟探针沿牙体表面划动,可因接触力方向改变而感知到其轮廓形态,挤压深度的变化引起接触力大小连续变化而感知其硬度状况。
窝洞预备是治疗龋病的最基本操作,其操作模拟基于切削仿真力觉渲染。当前的研究主要集中在组织的变形和切割模拟。在该过程中,牙体被简化为四层组织结构,即釉质、牙本质、牙骨质和牙髓,由外向内逐层分布,只考虑工具作用于牙体的反作用力,切割力采用弹簧阻尼运动模式。在操作者手持操作柄模仿备洞动作时,虚拟钻针切割面与牙面接触,计算机根据公式得出虚拟力,通过力觉渲染及传感装置输出使操作者感觉到磨牙时的阻力。如前文所阐述,虚拟工具和牙均由三角形网络数据结构组成,当工具切割端的三角片与牙面的三角片相交时,牙体即发生组织的去除,计算机根据工具的嵌入深度计算出组织的去除量,得出工具切割面在牙面上的准确位置,实现牙体组织去除的形变模拟。这样在模拟出牙体组织被去除的过程中保证了工具切割面与断面的形态一致,多线程技术可使图形显示与力觉显示同步。这种原理同样也适用于修复学的一些操作中,譬如全冠预备和桩核冠的预备等。
目前,在窝洞制备及牙体预备方面,比较成熟的是美国穆格公司所开发的Simodont数字化虚拟仿真口腔医师培训系统,用于教授学生如何在特定的环境中进行备牙操作,提供视、像、触觉及音效体验。持口镜柄可对牙体从各个侧面进行检查,视像显示中的图像与其镜映像均为实际尺寸。操作时牙钻手持件内装配的力传感器对钻磨和接触力道进行模拟,釉质的硬度被再现且与牙本质和牙髓区分开来,牙钻手持件的震动在被操作者感受到的同时也反应到屏幕上。操作者对牙钻施加的力道驱动内置式音效模块以及由脚踏板控制的牙钻速度,可模拟气钻或其他类型牙钻发出的声音,使操作者感受到更逼真的操作环境。
4.2虚拟现实技术与牙周病诊疗
通过准确的问诊以及客观、全面的牙周检查,才能对牙周病的类型和严重程度做出准确的判断并制定最佳治疗方案。牙周探诊以及以清除和控制菌斑微生物为核心内容的牙周基础治疗主要是依靠触觉和力觉来完成的精细操作,因此,能实现牙周操作的触觉VR模拟器可成为牙周病诊疗技能重要的学习工具。
牙周探诊的主要内容为探查牙周袋深度、附着水平以及牙石的多少及分布,最主要的工具为牙周探针。牙周袋的深度在一定程度上代表着牙周炎的严重程度。用改良握笔式握持探针,以口内相邻牙为支点,以(20-25)×g力使探针与牙体长轴平行并紧贴牙面,直到在龈沟底感到轻微的阻力,探针上的刻度则代表了牙周袋的深度。基于力反馈的牙周操作虚拟系统可完成这一基本动作的模拟训练。
与其他医学领域的虚拟模拟器不同,用于牙周探查及治疗操作的模拟器需同时兼顾软硬组织的状况,增加了虚拟模拟器开发的难度。牙周操作主要由触觉和力觉来完成,故应用以触觉和力觉反馈为基础的虚拟模拟器。美国伊利诺斯大学开发的触觉VR牙周训练模拟器,主要应用于牙周袋的探诊。该模拟器采用了GHOST SDK开发包,含有图像渲染和触觉渲染两个线程。触觉渲染解读每个时刻触觉装置的数据状态并检测出操作工具与口腔或牙的接触状态,GHOST SDK计算并输出数据给触觉装置和图像设备,学生使用这种模拟器来确定牙颈部釉质牙骨质界的位置及牙周袋的深度。
该系统的虚拟环境由操作工具和口腔复合体组成。口腔复合体包含牙体、牙龈、牙槽骨和牙石,每个部分的物理学数据(刚性系数、黏性系数、摩擦系数等)都储存在数据模块中。GHOSTSDK通过逆向运动计算出由操作者把握的探针尖的位置和方向,采用弹簧阻尼模型计算以点接触式碰撞的两种虚拟材料产生的力,分析计算此时探针尖位置及矢量,随后发送到触觉设备让操作者感受到此碰撞式的接触。当探针到达袋底,操作者将感受到阻力,此时根据图像上的刻度得出探针深度。
顺利完成牙周探诊探查与否,与牙冠牙根的外形,牙体的位置,有无牙石阻挡有关。由于不能直视观察,初学者通常难以很好地掌握这种手感。模拟器合并了几种教学模板:一种为指导探针探入方向的工具,引导学生顺利地找到探入的方向;一种将牙龈可视化,透过牙龈观察到牙根面和虚拟工具的情况,让学生在直视下完成探诊,教师也能在可视化下对学生的操作进行评分。美国伊利诺斯大学开发的这种模拟器PerioSim已经用于该校牙周科学生的探诊训练。
4.3虚拟现实技术与种植
随着口腔医学的发展,口腔种植已经成为修复牙列缺损的重要手段。在种植的操作中,要充分了解每位患者的剩余牙槽骨状况及其周围重要的解剖结构,从而选择一个最佳的种植体植入方向及深度。在种植手术中,医师的经验及技术熟练程度在很大程度上决定了手术的成功与否,因操作不当引起的最常见的并发症是下颌神经管损伤、上颌窦穿通和鼻黏膜损伤。
现已投入使用的口腔种植虚拟手术系统有比利时鲁汶大学开发的SIMPLANT系统、瑞典NobelBiocare公司开发的Nobelguide系统等。Kusumoto等开发的VR口腔种植系统,用于训练无经验的口腔医学生感知种植机备洞的手感,掌握种植体在三维方向上的位置与轴向角度。触觉虚拟与前面提到的牙周和牙体模拟系统原理相似。对基于CT扫描数据生成的患者颌骨三维重建模型进行全方位旋转甚至任意截面的细致观察,以选取最适宜种植体植入的位置,决定种植体的类型、数目、规格以及植入深度和方向。
操作者在手持操纵杆的同时观察图像显示出的钻针的运动,当在颌骨上开始钻孔时,操作者可以感受到力觉反馈,结合力觉反馈与三维图像调整操作。可根据颌骨模型利用计算机辅助设计技术合成外科引导模板。利用这个虚拟的外科引导模板戴入虚拟颌骨模型,通过其定位植入种植体,完成种植体植入的整个操作。还可通过观察种植部位的剖面检查种植体的植入方向和深度以及多枚种植体之间的距离及平行度,从而对操作者的操作进行评价并判断手术的理想程度。医师通过虚拟手术的方式确定理想的手术方案,以特定数据格式进行保存,利用计算机辅助设计和计算机辅助设计制造技术快速生成种植外科定位导向模板,应用于实际手术中,使种植手术的过程变得简单、快捷且低风险。
4.4虚拟现实技术与颌面外科
目前,VR技术已经初步应用于普外科手术技能评估、白内障切除手术、人体解剖仿真、外科手术模拟、术前手术结果预测、外科教学训练和远程医疗服务等领域。在口腔颌面外科领域,软组织手术及拔牙等操作由于动作和力的复杂性而不能被较好的再现模拟,因此,VR技术在口腔颌面外科多用于三维解剖拟、手术计划、手术预测和骨组织操作。
口腔颌面部的血管和神经错综复杂,熟练掌握口腔颌面部的解剖结构可大大地减小手术中的失误率及意外发生率。二维解剖关系往往因观察视角的不同而不同,无法形成直观的空间映像,因而用于临床教学来说信息不足;而建立在遗体上的三维解剖关系,受到来源的限制而且艰辛耗时。利用VR技术建立的三维立体解剖图像可克服二维平面描述解剖仅能表达某一角度的观察结果,避免了仅靠空间想象导致解剖关系理解的偏差,能全方位无死角地呈现解剖结构及其毗邻关系。有学者利用VR系统Dextroscope重建经CT或磁共振成像扫描尸头后的模型与实际解剖相比较上颌动脉的解剖结构发现,二者间差异没有统计学意义,表明VR系统可准确地反映解剖结构。该系统观察区与周围结构可以颜色区分开来并且可在任意角度旋转,因而可全方位清晰地从整体上去理解口腔颌面部的解剖结构。
现今临床应用的三维手术设计及模拟软件,尽管可在三维重建模型上进行操作,但却仍在传统的二维显示屏上显示,这在一定程度上限制了三维模拟显示的效果和意义;而模型外科尽管实现了三维的操作及模拟,但却缺乏颅颌面骨的整体结构,仅反映局部上下颌骨及(牙合)的关系。VR系统不仅包括颅颌面骨的三维结构,也包括软组织结构,能在虚拟环境下行部分手术操作,具有逼真、形象、直观和科学的特点。现有的大部分外科手术模拟器采用与前文所提到的相似的触觉模拟原理,可模拟切骨、截骨以及骨块位移和术后预测。
瑞士Materials公司开发的Simplant系统在CT数据输入后重建的三维模型上,行区域增长、布尔运算,分离下颌骨。Simplant可模拟勒福1型截骨、双侧下颌支矢状劈开、颏成形截骨术,将头颅模型分割,建立颅颌面骨的树状结构模型。操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜观察显示器内的三维虚拟图像,利用虚拟桌面力反馈设备接触颌骨模型,感受其反作用力。操作者双手佩戴数据手套,可在VR空间内对颅颌面骨模型进行操作,在三维空间行平移、旋转等操作,模拟手术骨块的移动并行术后效果的显示及评价。
5 虚拟口腔手术模拟器的评价
近年来,虽然虚拟口腔手术模拟器的开发取得了巨大的进步,但要将其完全投入并应用到口腔教育实践中,仍然有着较长的路要走。VR模拟器能否使学生得到较真实的操作训练,可否改善当前教育模式中的培训效果,怎样去评价模拟器的训练效果,对这些模拟器进行绩效评价是使其从试验室走向临床使用的必经过程。评价可分为定性评价和定量评价,定性评价从通用化角度,需较全面地评价力反馈系统;定量评价从专用化角度,针对具体操作任务的特点,结合操作者操作效果给出量化的性能评价。
定性评价依赖于系统的功能分析和组成要素的分解,手术模拟系统的关键要素在于:需要模拟各种组织以及手术器械、实时性、多感觉反馈、医师与患者间的交互。可通过用户对各指标进行等级评分,统计分析后可以看到用户的关注重点和系统的薄弱环节。美国伊利诺伊大学对自己开发的牙周科手术操系统PerioSim进行了调查问卷。将用户对系统的感受分为七个等级进行打分,经过统计分析获得每个关注指标的置信区间。
在手术模拟器中,触觉反馈对于训练医师的操作能力起重要的作用,因此量化地评价触觉反馈相关指标是定量评价的主要内容。荷兰阿姆斯特丹大学牙学院的口腔专家通过对相同人群在不同培训系统下训练的结果进行评价发现,经VR培训的学生能得到和传统模型训练学生一样的技能提高,能将这些技能顺利地运用到临床实际中。北京大学口腔医院与北京航空航天大学的学者以在虚拟牙周手术模拟器上完成牙周探诊、牙石探查及牙石去除几个基本操作作为评价指标,以学生组和牙周专家组作为研究对象,包括定性和定量研究,利用建构效度来评价定量研究结果。研究显示,学生的操作结果因其临床经验不足出现较大波动,即该结果可以反映使用者的实际技能水平。美国伊利诺伊大学的牙周病学部门选择了20位有临床经验的医师和洁治人员及20名学生,在使用PerioSim系统10min后分别以问卷及评分的形式做出了调查和统计,也得到了相似的结果。
(本文采编 王晴)
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