牙科教育与研究中的增强/虚拟现实和人工智能

# 牙科教育与研究中的增强/虚拟现实和人工智能 ## 1. 引言 随着深度学习（DL）、机器学习（ML）和人工神经网络（ANN）等信息技术的发展，牙科领域迎来了新的变革。信息技术在牙科教育和研究中的应用，以及其与战略框架、专业素养和患者护理的相互作用至关重要。 人工智能教育（AIEd）旨在打造“人机混合”协作平台，通过人工智能、人机交互和学习科学的应用提升学生学习效果。增强现实学习体验（ARLE）则是将虚拟元素与现实世界叠加，让教育者能够提供合适、有说服力且沉浸式的学习体验。 在当今信息快速变革的时代，牙科教育和研究是否需要进行课程改革是一个值得探讨的问题。答案是肯定的，传统牙科教学模式存在诸多不足： - 缺乏专家指导或专家辅导时间有限； - 牙科教育未与非牙科领域融合； - 未将技术进步融入牙科教育和研究； - 缺乏真实案例来提升手动灵活性和认知理解。 传统牙科模拟器（如幻影头模、塑料牙齿）虽在培养学生心理运动技能和为临床应用做准备方面有一定作用，但也存在不少缺点： - 可能存在感染控制问题，如水管污染（如军团菌）； - 塑料牙齿无法完全模拟天然牙齿和牙周组织的形态、成分和其他特征，感官反馈不足； - 操作不可逆且不环保； - 导师无法实时反馈和评估。 为了弥补传统牙科模拟器的不足，20世纪90年代末和21世纪初引入了大量计算机支持和虚拟现实（VR）模拟器，开启了数字化牙科教育的新时代。 ## 2. VR和AR在牙科教育与研究中的应用 ### 2.1 VR系统分类 VR系统通过虚拟模拟吸引广泛的感官通道，可大致分为以下三类： - 完全沉浸式VR（如头戴式显示器，HMD）； - 半沉浸式VR（如洞穴自动虚拟环境，CAVE）； - 非沉浸式屏幕VR（计算机辅助设计系统，CAD）。 ### 2.2 常用VR牙科模拟器 一些常用的VR牙科模拟器包括PerioSim®、Dentsim™、个体牙科教育助手（IDEA）、Simodont®、Voxel Man和计算机化牙科模拟器（CDS）。以下是它们的比较： | 模拟器名称 | 所用牙齿类型 | 左右操作 | 真实生活体验 | 人体工程学姿势 | 数据直接传输 | 即时反馈 | 考试模拟 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | PerioSim® | 动画牙齿 | 可用 | 牙齿触感真实，牙龈欠佳 | 否 | 不可用 | 否 | 是 | | Dentsim™ | 塑料牙齿 | 可用 | 塑料牙齿在真实人体模型上体验真实 | 是 | 运行时控制应用可让导师控制运行时间和成绩 | 是 | 是 | | IDEAa | 动画牙齿 | 可用 | 触感需调整以模拟真实感觉 | 否 | 软件有回放模式 | 是 | 否 | | Simodont® | 动画牙齿 | 可用 | 3D图像真实，但牙齿结构纹理需改进 | 是 | 导师可同时观看六个模拟器并记录准备情况 | 是 | 是 | | Voxel man | 动画牙齿 | 可用 | / | 否 | 不可用 | 是 | 是 | | CDS | 动画牙齿 | 可用 | / | 是 | 操作过程可记录和审查 | 是 | 是 | ### 2.3 VR牙科模拟器的应用领域 VR牙科模拟器在多个牙科领域有广泛应用： - 牙髓病学：龋齿检测、龋齿去除、光固化技能和牙髓腔制备； - 牙周病学：牙周探查、超声洁治； - 口腔颌面外科：牙科麻醉培训、拔牙技能、正颌手术； - 牙科放射学：口腔内X射线成像； - 修复学：牙齿预备； - 种植学：种植方案设计； - 正畸学：治疗计划、托槽粘结。 ### 2.4 VR应用的优缺点 与传统基于幻影头模的培训方法相比，牙科模拟器具有诸多优点，如提供更灵活的培训时间、允许数字化客观评估、消除治疗风险和提高患者安全性。然而，VR在牙科教育中的应用也存在一些缺点： - 高清视频数据传输速率不足，响应延迟； - 缺乏利用深度学习、机器学习和人工神经网络等前沿技术改进模拟力反馈； - 在交互式环境中，视觉和触觉响应不够流畅，无法增强牙科模拟器的沉浸感。 ### 2.5 AR系统分类 根据AR在教授牙科技术操作技能方面与传统方法的性能比较，AR可分为以下三类： - AR应用优于传统方法：如Moog Simodont牙科训练器、巴西坎皮纳斯的牙科模拟器、Omni触觉设备、牙科模拟器AR模式（v1.13 - 巴西坎皮纳斯）； - AR应用与传统方法性能相当：如力反馈臂设备、两个Omni触觉设备、PHANTOM Omni、触觉设备； - AR应用