增强现实技术在口腔颌面颈部解剖教学中的应用效果研究

增强现实技术在口腔颌面颈部解剖教学中的应用效果研究

增强现实技术在口腔颌面颈部解剖教学中的应用效果如何？北京大学口腔医学院的一项最新研究给出了答案。研究结果显示，增强现实技术能够显著提升学生的学习兴趣和三维空间理解能力，为医学教育带来了新的可能性。

研究背景

解剖学是医学教育中一门重要的基础学科，传统的解剖学教学主要依赖课本文字、解剖图谱、教学模具以及尸体解剖等。然而，这些方法存在诸多局限性：书本上的文字和平面解剖图缺乏空间感，主要凭借学生的主观理解在大脑中形成三维器官及空间关系；教学模具缺乏真实感；尸体标本资源严重不足，无法满足学习需求。

增强现实技术是目前新兴的可视化技术，它通过软件对CT、MRI等高分辨率医学影像数据进行三维重建、虚拟设计和手术模拟等数字化处理，利用可视化设备(手机、电脑、头戴式显示器等)将重建结构立体化呈现。从本质上来说，增强现实技术是将计算机生成的虚拟物体、场景叠加至真实世界中，实现用户与环境的直接交互，以增强用户体验的真实感。

研究方法

研究以北京大学2020级口腔医学专业本科生为实验对象，选择口腔颌面颈部解剖相关知识为实验内容。根据实验内容选择影像数据，通过数字化软件对影像数据中上下颌骨、颈部动静脉等重要血管和骨组织结构进行三维重建，生成解剖实验模型，将重建模型加密后储存于云端。通过联网移动设备扫描实验模型对应的二维码，获取增强现实图像，辅助实验人员讲解和实验对象学习。

研究结果

实验共纳入83名本科生，所有实验对象均能顺利使用增强现实技术识别口腔颌面颈部解剖结构。实验参与人员均可通过联网的移动设备扫描二维码，从云端获取三维解剖实验模型，并在移动端对模型进行放大、缩小、旋转等操作。增强现实技术能够以不同的解剖部位内容为基础，制定个性化的内容呈递方式，通过更为真实的三维立体图像帮助实验对象分辨解剖结构，获取解剖知识。

课后问卷调查结果显示，学生对于增强现实技术辅助口腔颌面颈部解剖结构识别的接受程度较高(9.19分)，增强现实技术在培养学生三维空间理解能力(9.01分)、提升课程趣味和激发学习热情方面(8.55分)获得了较高评分。

研究结论

增强现实技术能够实现解剖模型的三维可视化，激发学生学习热情，辅助学生更好建立三维空间理解能力，在帮助学生进行口腔颌面颈部解剖结构识别过程中取得了良好的应用效果。

图 1.

增强现实技术辅助口腔颌面颈部解剖教学的应用流程
The application process of augmented reality technique in the teaching of oral and maxillofacial anatomy
QR, quick response.

图 2.

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手机端显示正位(A)、侧位(B)和仰头位(C)三维解剖教学模型
Mobile phone display of 3D anatomical teaching models in frontal (A), lateral (B) and supine (C) positions

图 3.

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单独显示的上颌骨(A)、下颌骨(B)、动脉系统(C)和静脉系统(D)的图像
Separate images of the maxilla (A), mandible (B), arterial system (C) and venous system (D)

图 4.

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选择组合解剖结构的动/静脉系统(A)和脊椎/下颌骨/动/静脉系统(B)的图像
Combined images of selected anatomical structures of the arterial/venous system (A) and spine/mandible/arterial/venous system (B)

讨论

1. 增强现实技术能够提供更为真实的三维立体图像
   调查问卷结果显示，学生认可增强现实图像对于三维空间理解能力的帮助(9.01分)，说明该技术在帮助学生建立三维立体感方面效果显著。传统的二维解剖图谱受印刷条件限制，往往只能选取具有代表性的解剖面进行呈现，难以形成三维结构的空间感；而目前教学使用的解剖模型、生物塑化标本，受其制作成本以及制作工艺的限制，难以精细地重现深部解剖结构。而增强现实技术以高分辨影像数据作为图像重建基础，利用成熟的数字化处理技术，能够生成清晰、立体、直观的三维重建模型。学生通过自身联网设备，可以直接操作三维重建模型，通过对模型放大、缩小、旋转、重点显示，能够更加真实地感受各个解剖结构的三维立体感。在此过程中，增强现实技术能构成书本知识与临床实践的桥梁，让初次接触解剖课程的同学们可以尽快学习解剖知识，培养空间立体感。

2. 增强现实技术让学习更加便捷，激发学生的学习主动性
   学生认为增强现实图像结合理论授课的方式是有趣的，能够激发学生对于解剖学习的热情(8.55分)，说明学生愿意在增强现实技术的帮助下主动学习解剖学知识。在移动互联网大力发展的今天，手机、平板电脑等移动设备已经十分普及。在本次利用增强现实技术辅助口腔解剖教学过程中，借助网络，教师和学生只需要扫描三维重建模型所对应的二维码，即可随时随地观看模型。在传统的解剖教学中，老师和学生需要在固定的授课时间和授课地点进行教学活动，但利用增强现实技术能突破时间和空间上的限制，学生利用网络可以随时随地的进行学习。在新冠肺炎疫情的特殊时期，学生的线下学习常常会受到各种因素影响，大量的课程由线下转为线上，将会给学生课程学习带来许多不便之处。而利用增强现实技术，学生可以拥有更多的学习自主权，对于知识的预期、课上学习以及课后巩固，都可以根据自身情况进行调整，这将很大程度上提高学生的学习热情，激发学生的学习主动性。

3. 增强现实技术能实现教学内容个性化
   相较于传统的解剖课程上使用教学图谱、解剖模型、生物塑化标本进行辅助教学，教师可以根据课程内容需要制作相应的三维重建模型，再利用增强现实技术进行呈现。本研究基于已有的高分辨影像数据，从解剖课程内容出发，分别对头颈部重要的软硬组织结构进行重建，并根据需要设定相应标签。本研究制定的三维重建模型能够顺利地应用到教学中，所有课上同学均能够通过扫描二维码获取课前制作的三维重建模型，从技术层面证实了通过增强现实技术制作个性化教学内容的可行性。

4. 增强现实技术推广能够促进教育资源的均衡分布
   我国地区之间经济状况差异较大，存在地区之间教育资源分配不均的情况。在经济发达地区，师资力量雄厚，教学设备较先进；而在偏远地区，教学设备落后，教育资源匮乏，甚至连最基本的解剖图谱、解剖模型都难以获得。但无论是使用教学图谱、解剖模型、生物塑化标本还是增强现实技术，其最终目的还是培养学生在解剖学习过程中构建相应解剖结构的三维空间概念。相较于前三者而言，目前的增强现实技术可谓是“一次投入、终身受益”，虽然在前期制作虚拟教学模型的投入较高，但在后期使用的过程中，不存在模型、图谱损耗的问题。在技术条件允许的前提下，完全可以通过“发达地区牵头制作课件，偏远地区分享、使用课件”的模式实现教育资源共享，从而缓解教育资源两极分化，缩小地区之间差距，促进教育资源的均衡分布。

5. 增强现实技术存在的不足
   问卷调查显示，学生建议在增强现实图像上应该附注更多的文字以加深相应解剖结构的理解(9.04分)。说明对于绝大多数尚未进行口腔颌面颈部解剖学习的同学们来说，由于缺乏相应的解剖学知识，对于相应结构的理解还需要更多的文字注释加以辅助。问卷还提示，仅依靠增强现实图像进行解剖知识学习比较困难，说明现阶段增强现实图像更多的是作为解剖教学课程的辅助手段。

综上所述，通过在口腔颌面颈部解剖教学中探索性应用增强现实技术，能够提升学生对于解剖学习的热情，培养学生在学习解剖知识过程中的三维空间理解能力。增强现实技术在目前阶段已经能够顺利地应用于口腔颌面颈部解剖教学中，应该发挥其三维立体可视化的优势，完善其图像注释方面的不足，使其能够在口腔颌面颈部教学领域中发挥更大的作用。

本文原文来自北京大学口腔医学院，研究得到了北京大学人工智能助推课程建设项目的资助。