口腔医学领域中虚拟现实和增强现实技术的应用研究

作者:在线查重系统     发表时间:2022-03-28 01:08:01   浏览次数:21


  由于科学与技术的发展,VR与AR技术横空出世,给每个行业都带来了颠覆性的变化,可以说VR与AR技术是信息技术时代下的产物,在口腔医学中,因为立体的显示方式精准的结果预测,VR与AR技术技术也被广泛应用。


  摘要:近年来,虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术发展迅速,给很多行业带来了颠覆性的改变。近5年来,VR与AR技术在口腔医学中的应用范围越来越广泛,主要包括临床教学、术前设计和术中导航3个方面,相较于传统技术具有诸多优势。VR与AR技术的应用必将为医生提供更多的帮助,让手术变得更加精准、客观和高效,进一步提高医疗服务质量,使患者和医生都能从中获益。


  关键词:虚拟现实;增强现实;口腔医学;临床教学;术前设计;术中导航


  作者:孟凡皓1,朱智慧1,张小辉2,张韬1(1中国医学科学院北京协和医院,北京100032;2深圳罗湖区人民医院)


  经过近几年的快速发展,虚拟现实(VR)和增强现实(AR)这两项技术为我们的生活带来很多改变,也逐渐被应用于医学领域。VR是多种技术的高度结合,包括了模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面;它利用计算机生成一种模拟环境,可以让使用者完全沉浸到该环境中,并且通过有触感反馈功能的控制器与虚拟环境进行互动。而AR可以实时计算摄影机影像位置、角度,配合图像图形技术,在屏幕上把虚拟图像叠加在现实世界并进行互动。目前,已有报道在微创肝脏手术[1]中运用AR技术将肝脏内部的血管和肿瘤的位置显示在术区,也有学者尝试将AR和MR技术应用于神经外科[2]和泌尿外科[3]等学科。早在1997年Wagner等[4]介绍了AR的概念,并首次在AR设备的辅助下完成正颌手术;2001年Thomas等[5]开发的Impulse2000训练系统,可以模拟患者口腔内患龋情况,用于医学生临床技能练习。近5年来,VR与AR技术在口腔医学中的应用范围越来越广泛,主要包括临床教学、术前设计和术中导航3个方面。现就VR和AR在口腔医学中的应用进展综述如下。


  1临床教学


  头颈部解剖结构复杂,在狭小的范围内可能同时存在腺体、肌肉、神经和血管等重要组织;在教学过程中仅依靠课本或视频资料缺乏立体感和层次感,而尸体标本数量有限、价格高昂,这都为教学增加了困难。将VR技术应用到头颈解剖教学中,可生动、立体地展现复杂的解剖结构。2012年,李阳等[6]利用Dextroscope系统进行上颌动脉下颌段的三维解剖研究,并与实际标本进行对照,为减少上颌动脉下颌段的术中损伤提供解剖依据。结果表明虚拟解剖组所测得的相关数据与尸体组测得的实体数据一致,提示该技术具有可靠性与一定的优越性。


  操作技能的练习所用耗材成本较高,借助VR和AR系统,可为医学生提供逼真的操作练习环境。目前已有用于正颌外科手术培训的VR手术模拟系统[7,8],该系统可以为使用者反馈操作的力度和器械运转的速度,并能提示操作者截骨角度和距离与术前设计方案之间是否存在偏差。Miki等[9]介绍了一种模拟内窥镜辅助下完成颌下腺切除术的VR培训系统,并通过试验证实,初学者经过7次练习后均更加熟练,手术所需时间较一开始明显缩短。下牙槽神经阻滞麻醉是颌面外科中一项基础操作,但如果操作不慎可能会引起麻醉效果不佳或麻药入血等问题,甚至造成更严重后果。Correa等[10]介绍了一种用于下牙槽神经阻滞麻醉训练的VR系统,可以评估注射位置和深度是否正确,并且提供近乎真实的进针感觉反馈。也有学者将传统教材与AR技术相结合[11],开发了一本贵金属高嵌体预备教材,通过识别课本上每一章节的特殊“标识物”,AR设备就会将相应的操作过程以三维图像的方式呈现在眼前,仿佛老师在眼前演示一样。2013年,Kikuchi等[12]介绍了一种用于练习预备金属烤瓷冠的VR系统。Llena等[13]对AR技术在培训医学生窝洞预备中的效果和使用满意度进行研究,发现仅在一类洞的深度和二类洞颊、舌向预备范围上与传统教学方法相比有差异。彭春等[14]对VR技术在口腔正畸进修医师教学中的应用效果进行探讨,主要是进行虚拟正畸托槽粘贴和排牙培训,通过培训后进行问卷调查和理论成绩对比发现,VR技术可显著提高临床进修医师的学习主动性,利于对口腔正畸教学要点的理解,提高口腔正畸临床操作技能的掌握,有助于口腔正畸临床进修医师教学。


  近几年,伴随着VR模拟系统在口腔教学中越来越多的应用,比如大阪大学的HAP-DENT、伊利诺伊州的Periosim、荷兰穆格Simodont和北京大学口腔医院的iDental等系统,有诸多学者对VR和AR技术在口腔教学中的应用效果进行研究。2015年Wang等[15]对iDental系统的精确度进行评估,并分别从主观和客观上评价该系统在模拟牙体预备这项操作时的应用效果,发现还需在该系统中加入颊黏膜和支点才能更真实地还原口腔内操作环境。Ioannou等[16]对VR手术模拟器和动物模型的培训效果进行了对比研究,结果表明VR手术模拟器可以减少培训的成本,并且培训的效果也要优于传统的动物模型试验。2016年,英国的Mirghani等[17]对Simodont牙科VR模拟器在口腔教学应用中的效果进行评估,发现Simodont评分结果可以反映出大一与大五学生的水平差异。


  2术前设计


  颌面外科手术因其特殊的手术部位,手术的难度与风险较大,而且患者对美观有较高的要求;术前对病变情况进行充分评估,可以更好地确定切除范围,降低手术风险。VR和AR技术可以根据患者的CT或MRI数据进行三维重建,完整呈现病变的位置以及与重要解剖结构的关系,可以帮助医生在术前更好地进行手术规划与方案设计;并且,VR技术凭借其出色的沉浸感和触觉反馈设备,甚至可让医生在术前模拟手术,使手术更加安全、高效。Olsson等[18]运用VR技术模拟游离腓骨肌皮瓣重建下颌骨手术,可以通过VR系统在术前模拟肿瘤切除、腓骨重建方案设计及受区血管选择,可以减小术中风险,获得更好的手术效果。此外,有学者将VR技术应用于正畸和阻塞性呼吸暂停低通气综合征治疗等方面。2016年Medellin-Castillo等[19]介绍了一种具有触觉反馈功能的VR系统,可以将二维图像上的标志点准确还原到三维重建模型上,帮助医生准确确定头影测量标志点,减少误差和设计时间;并且,对需要正颌的患者,该系统还可以设计手术方案。李阳等[20]运用DextroscopeVR系统,借助CT数据进行重建与融合,获得上呼吸道的三维图像,在三维模型上对上气道狭窄的区域进行测量,并根据测量结果,为患者选择相应的手术方案进行治疗。结果发现术后上气道的狭窄部位均明显扩大,各区段体积至少增大2倍以上,取得了良好的治疗效果。VR技术可以将二维CT、MRI数据以三维立体的形式呈现在医生的眼前,让医生更加直观地了解病变信息。


  3术中导航


  传统术中导航只能显示二维图像,并且术者需要反复观察屏幕与术区,这无疑增添了很多不便。AR技术凭借其与身边环境实时交互的特点,可以将术前设计方案或是重要的解剖结构以三维图像的形式投射在术区,使术者实现裸眼观察。2013年,Suenaga等[21]使用3DAR技术在实物模型上模拟截骨手术,以评估该系统的精准度和可行性。结果发现术者裸眼所看到的图像位置不会随观察的角度而改变,而且图像与实物重合的精确度可以达到1mm以下。2013年Lin等[22]介绍了一种基于AR技术的口腔种植系统,并通过术后CT数据来评估术前虚拟设计方案与实际预备位点之间的误差。结果发现,总共完成的40例种植体的位置均在安全范围内,深度和角度上的误差是可以接受的。2015年,Liu等[23]利用AR技术在锥形束CT血管造影引导下行机器人舌癌切除手术,并与X线透视引导技术相对比,发现切除范围更理想,并能更好地保护舌动脉等重要组织。虽然,现在大多数关于AR技术在术中应用还停留在实验阶段,但已有学者尝试佩戴AR设备完成正颌手术,术中指导上颌骨的截骨和就位。2016年Zhu等[24]运用AR技术在颌面外科手术中将下牙槽神经管的位置投射到术区,避免了术中损伤重要神经。临床中已经有20例应用经验,包括偏突颌畸形、半侧颜面短小和下颌角肥大等患者的整形手术,所有病例术后通过CT验证都取得了满意的结果;除1例术后出现血肿外,其余均未发生并发症。这也为AR技术在术中的导航应用带来了启发。


  2016年Profeta等[25]将AR技术和单光子发射计算机断层成像术(SPECT)相结合用于检测头颈部肿瘤患者淋巴结转移与分布的情况,并借助AR技术来辅助完成淋巴结活检手术。该实验结合了γ探头(类似于传统放射引导手术)和追踪系统(类似于导航设备),为患者注射γ放射性同位素后,立即检测头颈部放射活性的分布情况,并以此来推断有无可疑转移淋巴结,最终借助AR技术以图像的形式将可疑淋巴结直接叠加显示在术区,让医生裸眼就可以准确看到淋巴结的位置。


  4小结


  目前,已有许多学者尝试将AR和VR应用于口腔医学的各领域当中,相较于传统技术具有如下优势。①临床教学:VR凭借完全沉浸式的特点和触控设备实现交互反馈,可以为医学生提供逼真的练习环境,节省教学成本。②术前设计:AR和VR都可以完全真实的还原患者的病灶位置、与重要解剖结构的毗邻关系等重要信息,不仅可用于设计手术方案,还可以用于与患者术前沟通,让患者及家属更好地了解手术风险或预后情况。③术中导航:AR凭借其可以与真实环境进行交互的优势,并且可以裸眼观察,让术者更好地了解病情。所以,AR与VR在医学领域中有巨大的应用潜力。随着技术的不断发展,VR和AR技术在医学中也将实现广泛应用。目前已有学者完成AR技术与手术机器人结合完成下颌角切除术的可行性试验,同一个标本的两侧下颌角分别通过机器人和医生完成,对比发现并没有明显差异。VR和AR技术的应用必将为医生提供更多的帮助,让手术变得更加精准、客观和高效,进一步提高医疗服务质量,使患者和医生都能从中获益。


  参考文献:


  [1]HaouchineN,CotinS,PeterlikI,etal.Impactofsofttissueheterogeneityonaugmentedrealityforliversurgery[J].IEEETransVisComputGraph,2015,21(5):584-597.


  [2]Kersten-OertelM,GerardI,DrouinS,etal.Augmentedrealityinneurovascularsurgery:feasibilityandfirstusesintheoperatingroom[J].IntJComputAssistRadiolSurg,2015,10(11):1823-362.


  [3]DickeyRM,SrikishenN,LipshultzLI,etal.Augmentedrealityassistedsurgery:aurologictrainingtool[J].AsianJAndrol,2016,18(5):732-734.


  [4]WagnerA,RasseM,MillesiW,etal.Virtualrealityfororthognathicsurgery:theaugmentedrealityenvironmentconcept[J].JOralMaxillofacSurg,1997,55(5):456-462.


  [5]ThomasG,JohnsonL,DowS,etal.Thedesignandtestingofaforcefeedbackdentalsimulator[J].ComputMethodsProgramsBiomed,2001,64(1):53-64.


  [6]李阳,汤可,许向亮,等.Dextroscope虚拟现实系统用于上颌动脉下颌段三维解剖研究[J].北京大学学报(医学版),2012,44(1):75-79.


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