张莉 李鸿艺 何世熹 邝海 安文婧

摘 要 虚拟仿真技术及3D打印技术从数字化三维模型和实体三维模型两方面给临床教学医学打开了一扇新窗口，国内一些教育机构也正在积极研究、探索如何将该技术应用到教学和培训中，并提出建立虚拟仿真技术及3D打印技术辅助教学模式。本文将对虚拟仿真技术及3D打印技术在口腔颌面外科学临床教学中的应用进行论述及文献学习。

关键词 虚拟仿真技术 3D打印技术 口腔颌面外科学 临床教学

中图分类号：G424                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.03.037

Application of Virtual Simulation Technology and 3D Printing

Technology in Clinical Teaching of Oral and Maxillofacial Surgery

ZHANG Li[1]， LI Hongyi[1]， HE Shixi[1]， KUANG Hai[1]， AN Wenjing[2]

（[1] Department of Oral and Maxillofacial Surgery， Guangzi Medical University，

College of Stomatology， Nanning， Guangxi 530021;

[2] School of Foreign Languages， Guangxi University， Nanning， Guangxi 530004）

Abstract Virtual Reality and 3D printing technology have opened a new window for clinical teaching medicine from both digital 3D models and physical 3D models. Some domestic educational institutions are also actively researching and exploring how to apply this technology to teaching and training. Propose the establishment of virtual simulation technology and 3D printing technology to assist teaching mode. This article will discuss and study the application of virtual simulation technology and 3D printing technology in clinical teaching of oral and maxillofacial surgery.

Keywords virtual reality; 3D printing technology; oral and maxillofacial surgery; clinical teaching

口腔颌面外科学是我国口腔医学的重要组成专科，不同于欧美的牙外科，口腔颌面外科是口腔外科、颌面外科以及头颈外科的交叉学科，在20世纪战争年代中基于战伤处理得到了迅速的發展，具有非常强的实践性。历代医务工作者参加该学科临床、科研的同时， 为培养中国的口腔颌面外科医师，亦投入心血到医学教育中。但由于口腔颌面外科学与生俱来的实践性，传统的二维图文教学方式往往难以达到较好的效果，因此需要引入更新技术的教学方式。随着数字化技术的迅速发展，数字化外科发生着翻天覆地的变化，为提高教学质量，我们亟须将数字化技术完美融合到口腔颌面外科学教学中！

虚拟仿真技术（Virtual Reality，VR）是一种借助计算机集成的技术，以计算机网络和三维图形学为基础，将一系列二维切片影像数据重建得到物体的三维模型。[1]VR技术的出现，使得原来学生们必须在临床见习及实习阶段才能接触的实际医疗环境和医疗行为，在数字化空间里得以最大程度接近真实的还原和重现，而且可以突破时间和空间的限制进行选择。对于临床类操作，可缓解学生接触真实患者因经验不足导致的紧张，避免可能因错误导致的医疗损害甚至医患矛盾等，更进一步激励学生主动学习的兴趣及允许更多的思考。因此VR技术给医学类等实践性较强的学科教学带来了极大的便利。[2]

3D打印技术（3D printing technology）是根据三维模型，使用特定的材质将数字化模型转化为1：1实物的技术。[3]目前在骨外科、心胸外科、泌尿外科、神经外科、烧伤整形科等多个科室的临床治疗和教学中得到广泛的应用：有病变区及供区模型来术前模拟，亦有人造器官（如：心脏、肾脏、盆骨）移植及个性化植入物、个性化手术导板等的制作。3D打印技术不仅使传统的外科手术治疗效果更精确及可预测，也促进了临床医学教学手段的升级与更新，推动了口腔颌面外科学的发展。

上述两种技术分别从数字化虚拟模型和实体三维模型两方面给临床教学打开了一扇新窗口，因此国内教育机构也正在积极研究、探索如何将该技术应用到教学中，并提出建立虚拟仿真技术及3D打印技术辅助教学模式。本文将对虚拟仿真技术及3D打印技术在口腔颌面外科学临床教学中的应用进行论述及文献学习。

1 虚拟仿真技术及3D打印技术在颌面部创伤教学中的应用

颌面部软硬组织常由于交通事故、运动意外等原因而遭受损伤，导致上下颌骨骨折移位、咬合关系错乱、面部畸形、并伴有张口受限等不同程度的功能障碍。[3]颌面部骨骼由于遭受外力的方向和大小不同，可引起多种类型的骨折，并由于附着在颌骨上的肌肉牵引引起不同方向的移位，或临近存在复杂的三维解剖结构，而引起不同的症状，学生要想充分的理解创伤原理及治疗需要常依靠空间想象，这也成为口腔颌面外科学教学的重点和难点。

近年来，随着三维图形学计算机技术的不断推进、虚拟仿真技术对颌面部解剖结构的精确还原，3D 打印技术可根据颌面部骨骼CT扫描创建出高度模拟的实物模型，使教学和临床实践更为形象化。在教学中，学生们可以通过VR技术回顾解剖结构，观看不同外力导致的不同损伤类型的模拟动画，并实际触摸3D 打印骨折模型进行观察，让学生多层次多角度的理解颌面部骨折的原理;[4]其次，学生可以通过VR虚拟手术或3D模型外科手术，对三维模型进行切割、复位、钛板钛钉植入、缝合等操作练习，加深对颌骨骨折的治疗原则、具体手术方案的选择、手术步骤的实施等的强化理解;再者，通过反复操作训练，进一步加强了学生的临床技能和临床思维。[5-7]

因此，虚拟仿真技术结合3D打印技术在颌面部创伤中的应用，不仅显著提高了骨折复位手术的精确度，缩短了手术时间，减轻了患者痛苦，大大提高患者体验感和满意度;而且，加深了学生对于该模块的理解，调动了学生的学习热情，增加了参与感和体验感，进而提高了学生的临床综合能力。

2 虚拟仿真技术及3D打印技术在颌面部肿瘤教学中的应用

颌面部肿瘤是发生在颌面部的多种良恶性肿瘤的统称，不同于颌面部骨折，颌面部肿瘤不僅可以累及颌骨，更常见的是原发于口腔软组织器官如舌、腭、口底、牙龈等部位的恶性肿瘤。颌面部肿瘤的影像学诊断包括X片、CT、MRI及超声等。由于上述的颌面部解剖复杂性及侵犯多器官的特点，肿瘤的定位及边界确定具备相当难度，这对于医学生和初入临床的医生来讲非常困难。此外，颌面部肿瘤切除后的器官缺损，需要制取相应的骨肌皮瓣进行修复重建，而皮瓣的制取亦对初学者充满挑战性。虚拟仿真技术可将多种来源的影像数字源在三维空间内进行重建和配准融合，让应用者可以看到包括颌骨、肌肉、血管、肿瘤等多结构的数字模型。而3D 打印技术可打印出实物3D 模型，学生们可直观、清晰地认识颌面肿瘤及其对周围血管神经的压迫或侵犯情况，并作出初步的判断。[8-10]加之对取皮瓣区域的数字化建模，也使得皮瓣的制取更加精确安全。在这些基础上，手术医生能够提前了解病灶，进而制定肿瘤的切除方案，亦可开展同期缺损修复重建技术，应用三维重建、3D打印技术、手术导航技术等先进技术，使得开展胸大肌、斜方肌、背阔肌等带蒂肌皮瓣或前臂皮瓣、股前外侧肌皮瓣、腓骨等带血管蒂游离皮瓣等技术修复口腔颌面部大面积缺损和畸形更加游刃有余。

应用虚拟仿真技术及3D打印技术详细地在术前观察毗邻结构及手术模拟，既可以提高临床技术，使术中能够更精准、完整地切除病变部位，避免重要血管、神经的损伤及并发症的发生;也可以加深学生及临床医师对颌面部肿瘤的理解，提高了教学的效率和效果。

3 虚拟仿真技术及3D打印技术在颌面部先天畸形教学中的应用

如果说颌面部肿瘤的治疗是对病变的破坏后再重建，那么颌面部先天畸形的治疗就是对形状异常甚至接近正常解剖结构进行调整使之符合美学原则。美学原则既包括传统三停五眼的审美，也有现代二维影像学检查的头影测量标准，同时还有包括不同种族民族的颌面部多结构三维化审美，因此对学生和初学者提出了极高的审美水准要求。传统二维化的多媒体教学手段及解剖标本辅助的模式，仍难让学生在较短时间内理清颌面部解剖结构的整体三维关系及相对位置，不利于形成整体观，产生各种误差，直接影响理解，甚至产生错误。3D打印技术则不会产生这样的误差，直观形象，准确可靠。结合计算机虚拟仿真技术进行术前的模拟，使用者术前即可看到术后的效果图，大大提高手术准确性和患者满意度。Olszewski等[11]应用3D打印颌面部模型进行模拟手术，在实体模型上设计截骨线并进行切割、调整位置及内固定等操作，证实模拟手术有助于避免损伤牙根等重要结构;赵雪竹等[12]训练学生进行模型预手术及手术导板的制作，在3～5实践操作之后再进行实际手术操作，100%的学生认为模型手术有助于迅速确定最佳骨钻孔位置。我院开展的精准数字化正颌外科技术，运用计算机虚拟现实技术、三维实时测量技术、RP技术、手术导航技术，使正颌外科技术在临床应用更精准、可预测性更高、创伤更小、疗效更好。

虚拟技术虚拟仿真技术和3D打印技术的教学应用，使原本枯燥的知识内容体系以三维形式呈现，直观可视，方便学生反复操作，掌握关键知识点的同时也提高了个人审美标准，为正颌外科人才的培养提供了一条可行的道路。

4 虚拟仿真技术及3D打印技术在口腔颌面外科学教学课程设置的优化及不足

虚拟仿真技术及3D打印技术在教学中的应用充分调动了学生的主观能动性，培养了临床操作能力和临床思维能力，提高了学习效率。根据口腔颌面外科学教育培养特点及临床实践的特点，建设典型三维数字化案例库、开展案例教学授课、提高学生发现问题、解决问题的能力是重中之重。目前，我们已建设3个口腔颌面外科三维数字化案例库：颌面部创伤典型案例库，颌面部肿瘤典型案例库，颌面部先天畸形典型案例库，可以满足临床教学的需求。自我院开展虚拟仿真教学项目以来，获得了师生的一致好评，尤其“基于临床流程的腓骨肌皮瓣修复下颌骨缺损的虚拟仿真教程”在广西信息化大赛中斩获了一等奖的好成绩，我院信息化教学在各种教学比赛中获得了极大肯定，也给广大教学院校提供参考！

当然，虚拟仿真技术及3D打印技术在医学教学中仍存在一定的不足之处：根据CT数据重建的三维模型主要为骨组织，但对软组织如肌肉、韧带等结构的重建较为困难，与实际操作相比，模型操作存在误差及缺乏力反馈，[13]在人文环节不能很好的还原医患交流。这些都还需要我们在未来加强技术及进一步完善。

5 结论

虚拟仿真技术及3D打印技术辅助的口腔颌面外科教学模式具有明显优势，能显著提高学生的学习热情和主观能动性，针对颌骨外伤、颌骨肿瘤或先天性颌面畸形模型的虚拟及模型外科操作是一种较新临床教育模式，[14]符合现代化教学趋势。尽管目前还存在一些不足，如设备成本较高、打印材料局限、重建部位受限、人文环节欠缺等。[15]但是，随着三维图形技术、医学影像技术及三维动画技术的进一步发展和深度融合，这些短板将逐步完善，该教学模式将具备高度的场景还原性、模型精确性以及基于剧情的医患人文性，使其在口腔颌面外科教学中得到更广泛的应用，其深远意义会得到进一步的验证。

*通讯作者：李鸿艺

[基金项目]全国医学专业学位研究生教育指导委员会研究课题（B3-YX20180302-05）;2019年度广西高等教育本科教学改革工程项目（2019JGB118）

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