黄鹏宇 朱永清 何炳蔚 俞宏根 朱国锋 魏翔
摘 要：将虚拟现实（virtual reality，VR）与3D打印相结合旨在培训和选择出最优方案。进行近似真实手术操作环境下的牙种植过程模拟，能显著增强牙种植手术培训的效果。本文论述了两项技术的应用过程，即通过三维建模后赋予物体物理特性以及相互关系，建立起人机交互的虚拟手术环境，再利用3D打印技术打印出离体牙用于练习操作。一方面该技术用于培训可以大大降低手术培训的时间及费用，提高初学者手术操作的熟练程度及精细水准，另一方面在手术前根据实际情况模拟出具体的操作情境，最终抉择出最佳方案，这样可大大提高手术的成功率。
关键词：3D打印技术；虚拟现实技术；牙种植；手术模拟；手术培训
中图分类号：R783 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）02-0162-03
Abstract：The combination of virtual reality（VR）and 3D printing is aimed at training and selecting the best plan. Simulating the dental implant process under the approximate real operating environment can significantly enhance the effect of dental implant training. In this paper，the application process of two technologies is discussed，that is，the physical characteristics of the object and the relationship between them are endowed after 3D modeling，the virtual operation environment of human-computer interaction is established，and the teeth in vitro are printed out by three-dimensional printing technology for practice operation. On the one hand，this technology can greatly reduce the time and cost of surgical training，improve the proficiency and fine level of operation for beginners，on the other hand，simulate the specific operation situation according to the actual situation before operation，and ultimately choose the best scheme，which can greatly improve the success rate of surgery.
Keywords：3D（three-dimensional） printing technology；virtural reality technology；tooth implantation；simulation of operation；operation training
0 引 言
在医学手术过程中，经验丰富的教授主任往往能够更好地完成，因其拥有大量的手术实践经历，且能将曾做过的手术进行类比，进而根据患者实际情况制定相应计划，使手术成功率大大提高。但经验丰富的老专家是需要时间长河的堆叠才能成就的，而专家们所经历的手术与现实情况还是有一定差别的，完全根据以往的经验来实施手术，有时也难以做出最好的手术方案，更不用说对于那些经验仅停留在教科书上，实践不足的大部分年轻医生们，完成一次成功的手术，实在是一个巨大挑战。
以牙种植手术为例：牙种植手术指的是一种以植入骨组织内的下部结构为基础来支持、固位上部牙修复体的缺牙修复方式。它包括下部的支持种植体（dental implant）和上部的牙修复体（dental prosthesis，implant-supported）两部分。它采用人工材料（如金属、陶瓷等）制成种植体（一般类似牙根形态），经手术方法植入组织内（通常是上下颌）并获得骨组织牢固的固位支持，通过特殊的装置和方式连接支持上部的牙修复体。
手术的不可逆与成本较高的特性，对牙种植医护水平提出了更高的要求。同时需要亲自操刀的医生对患者的口腔情况能进行独立分析，这在很大程度上会影响手术的精确度及效果，根据实际情况及相关经验制定并筛选出较合理的手术方案（角度，力度，方位等），然后进行模拟预测试，最终确定一项最佳方案，可大大提高手术精确度。
因此，针对传统培训过于抽象及实际手术的不可重复性，为了做到低成本高精度地模拟重复不同的真实的手术过程，在客观条件的限制下最大程度地保证培训的吸收效率及手术的成功率，本项目提出采用虚拟现实技术与3D打印技术相结合的应用方法。
一方面，利用虚拟现实技术，为受训者模拟出近似真实的手术操作环境，这种新型培训方式优于传统的教科书培训的地方，体现在其可观性，具体性及可短时间内掌握具体的操作细节等方面。另一方面，在一些颇具难度的手术中，医生可以在实际手术前时通过VR模拟现实情境并在3D打印出的模拟样品中进行预操作来进行方案选择，从而保证实际手术操作的精准高效，进而减少手术并发症，提高手术成功率，增加手术的安全性。
1 虚拟现实技术应用
虚拟现实（virtual reality，VR）技术是一门建立在多学科高端发展成果上的新兴边缘学科，它涉及到计算机图形学、人工智能、网络技术、计算机仿真技术、人机交互接口、传感与测量、微电子技术和精确力反馈系统等众多相关科研领域[1]。而在每个人都非常关心的医疗领域中，VR技术也发挥着十分重要的作用。VR技术可以广泛地应用于手术培训、手术预演、临床诊断和医疗教学各个环节。运用VR技术可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内，通过视、听和触觉感知来学习各种手术操作，体验并学习如何应对临床手术中的实际情况。这样不仅可以节约培训医务人员的费用和时间，也能使非熟练人员进行手术的风险大大降低，对提高医学教育与训练的效率和质量以及改善医学手术水平发展不平衡的现状有特殊意义。
本项目的虚拟现实应用部分，总体上可分为两步实现。首先利用3DS Max（3D Studio Max）等建模软件进行建模，再将模型导入Unity3D软件，赋予其物理特性以及相互关系，即可使用虚拟现实硬件交互设备体验虚拟手术操作。该部分所应用到的软件主要有：3DS Max、Mimics（Materialise Interactive Medical Image Control System）和Unity3D，应用到的虚拟现实硬件交互设备主要有：HTV Vive头显和VR手柄。
整个过程可具体分为以下五个步骤（详细见视频）。
第一，利用合作医院提供的口腔CT，使用Mimics软件来重建口腔模型，该模型只包括牙齿和骨骼。再用3DS Max软件制作一个钻头模型。将两种模型导入Unity3D软件，赋予物理特性以及相互关系，使得钻头触碰到牙齿时，会出现一个具有一定深度与大小的锥形孔洞。钻头以VR手柄来操纵，钻头工作时有震动效果。但这个孔洞的形成无法使其中途停止，也无法控制孔洞大小。（见图1、图2和图3）。
第二，使用Unity3D软件编写程序，进一步完善此项交互。完善结果表现为：按住手柄按键则钻头开始工作，触碰到牙齿时，牙齿与钻头重合的部分消失，形成孔洞。松开按键则钻头停止工作，孔洞不再扩大或加深。按住VR手柄按键时，同样有震动效果。
第三，进行牙齿周围的神经、血管与粘膜的分布模拟。利用合作医院提供的口腔CT，使用Mimics软件来完善口腔模型，进行神经、血管与粘膜的分布模拟。神经、血管与粘膜以不同颜色加以区分。
第四，使用3DS Max软件制作各种型号的钻头和种植钉。将制作好的钻头与种植钉模型导入Unity3D软件，在Unity3D软件中编程，使各种型号的钻头与种植钉显示在口腔模型的右侧，并且可以使用VR手柄选取任意型号的钻头或种植钉进行操作。
第五，将完善的口腔模型导入Unity3D软件，在Unity 3D软件中编程，使得钻头或种植钉触碰到神经或血管时，操作者收到听觉反馈，实现对手术失误的报错。
整个过程所构建的虚拟手术情境，以文字、图片等信息进行补充，结合人机交互设备，高精细度呈现牙种植的手术场景。视觉、听觉和触觉等感官的模拟使操作者可以沉浸在系统构建的虚拟场景中，对场景中的虚拟信息进行操作，从而身临其境地进行牙种植手术的模拟操作。
2 3D打印技术应用
3D打印技术是依托于计算机、三维数字成像及多层次连续打印等技术而发展成的一种快速成型技术。其主要包括数据采集与获取、数据导入后三维重建及3D打印三维模型等3步。3D打印与传统制造最大的区别是前者为“增材制造”，而后者为“减材制造”。“增材制造”简化了制造程序，提高了生产效率。因此，3D打印具有速度快、精度高、可成型复杂结构、个性化和批量生产等优点[3]。
虚拟现实技术所构建的手术场景，虽然逼真且具有可重复练习等优点，但毕竟是虚拟场景，和实际牙种植手术操作有一定差别，因此需要有实体模型来进行进一步的训练或考核。在现阶段的口腔内科教学、操作模拟等方面，多采用离体牙进行操作练习来提高口腔内科操作技能。由于离体牙来源限制、不可复制、交叉感染和伦理问题等原因而无法用于大规模操作培训，而树脂牙和塑料块又与真实牙齿解剖形态相差较大，仿真性较差，效果也不理想[4]。
而采用3D打印技术制作口腔模型，可以很好地解决这些问题。
第一，利用3D打印技术具有个性化的特点，制作出的口腔模型可以精确模拟各种病例，有利于提高学生的牙种植技术水平，加深对牙种植手术的认识，这对将来正确应对手术中出现的各种情况具有较大意义。
第二，利用3D打印技术可成型复杂结构的特点，使口腔模型可以精确呈现牙齿周围的血管等复杂结构，且牙齿与周围组织衔接自然，形态逼真，减少了操作者在日后的牙种植手术中误伤血管或神经的风险，显著增强了手术培训效果。（见图4，图5）。
第三，利用3D打印技术精度高的特点，制作出的口腔模型与实际的误差小，更为精确。有利于减少操作者在实际牙种植手术中因手术不精准、种植体角度不佳或安装不精密而造成的失误。第四，利用3D打印技术可批量生产的特点，可以实现实体牙模型大规模操作培训的运用。
设备与材料：3D打印机（SPS 600B）、光硬化树脂。
3 结 论
本项目以种植牙手术中的培训与手术前的方案选择模拟为例，研究将3D打印与VR技术结合应用。种植牙手术需保证最佳种植位点与多牙间保持共同就位道，且某些牙术区邻近上颌窦或神经管等，手术难度较大，针对不同情况往往需要进行不同的方案来适配，如果手术不精准、种植体角度不佳或安装不精密，则会损害邻牙，拉伤神经、造成牙周炎，导致患者疼痛及影响种植牙使用寿命。因此，对于牙种植手术的培训及一些特殊情况的术前模拟就显得尤为重要。但由于牙种植手术的实施区域是结构复杂的口腔，由此产生的对手术的高精细度要求和模拟手术的高成本限制，使得牙种植医师的手术训练成为一个难题。以书本授课、模具操作和现场观摩等方式开展的医学教学的传统教学方法，不可避免地存在理论知识抽象难懂、实践与临床脱节等问题。本项目针对牙种植手术培训的一系列问题，采用虚实结合的方式，利用虚拟现实技术全方位模拟手术场景，利用3D打印技术制作实体口腔模型，大大降低了手术培训的时间及费用，提高了初学者手术操作的熟练程度及精细水准，使得高精度仿真的应用，得以大规模地实现。并且进行手术前的方案选择也达到了前所未有的模拟准度，降低了手术难度，进而减少了手术并发症，提高了手术成功率，增加了手术的安全性。
参考文献：
[1] 杨建，刘福祥.虚拟现实技术在牙种植领域的应用与发展前景 [J].国际口腔医学杂志，2008（S1）：261-266.
[2] 邓晓军，秦向阳，高鹏，等.虚拟现实技术在医学教育中的应用 [J].重庆医学，2017，46（18）：2582-2584.
[3] 汪烈，陈智渊，刘融，等.个体化 3D 打印种植导板在多牙种植中的临床应用 [J].上海口腔医学，2017，26（4）：453-457.
[4] 宋颖，唐雷，吴补领，等.构建3D打印牙齿模型及其形态仿真性研究 [J].中国临床解剖学杂志，2016，34（3）：298-302+307.
[5] 孙成，于金华.3D打印技术在口腔临床的应用 [J].口腔生物医学，2014，5（1）：49-52.
作者简介：黄鹏宇（1995.06-），男，福建罗源人，本科，研究方向：医工结合。
