基于MIMICS软件的三维重建技术在儿童口腔医学《牙内陷》教学中的应用思考

吴礼安 周子凌 白玉娣 高磊 张彩娣

[摘要] 目的 探讨基于MIMICS软件的三维重建技术在儿童口腔医学《牙内陷》章节的教学效率及质量。 方法 基于MIMICS软件的三维重建技术能够突破平面视觉限制，将牙内陷复杂抽象的解剖结构以数字化三维模型的形式呈现给学生，使其能够多角度立体地观察牙内陷内部结构，便于理解及掌握。课程结束后对学生的教学效果进行评估，并与传统教学方法进行对比。 结果 基于MIMICS软件的三维重建技术使学生对牙内陷的理解程度明显提高。 结论 基于MIMICS软件的三维重建技术可有效提高教学效率与教学质量，且操作简单，易于掌握。

[关键词] 儿童口腔医学;三维重建技术;牙内陷;MIMICS软件

[中图分类号] G642          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2019）10（a）-0075-04

Thinking about 3D reconstruction technique based on MIMICS software in teaching application of Dens Invaginatus in pediatric dentistry

WU Li′an   ZHOU Zilin   BAI Yudi   GAO Lei   ZHANG Caidi

State Key Laboratory of Military Stomatology  National Clinical Research Center for Oral Diseases  Shaanxi Clinical Research Center for Oral Diseases  Department of Pediatric Dentistry， Air Force Medical University School of Stomatology  Shaanxi Province， Xi′an   710032， China

[Abstract] Objective To explore the teaching efficiency and quality of Dens Invaginatus in pediatric dentistry using a three-dimensional reconstruction technique based on MIMICS software. Methods The three-dimensional reconstruction technique based on MIMICS software could present the digitized three-dimensional model of an abstract anatomy of dens invaginatus to the dental undergraduates， the multiangle and stereoscopic inside structure was observed with breaking through the limitation of plain vision， and easy to understand and master. The teaching effect of the undergraduates was evaluated after class and compared with the one using traditional teaching manner. Results The understanding of dens invaginatus of the undergraduates was improved obviously using this three-dimensional reconstruction technique based on MIMICS software. Conclusion This technique can effectively enhance the teaching efficiency and quality， which is easy to manipulate and master.

[Key words] Pediatric dentistry; Three-dimensional reconstruction technique; Dens invaginatus; MIMICS software

随着人民生活水平的日益提高，家长对儿童口腔健康的重视程度也日益增加。因此，儿童口腔医学已成为口腔医学教育中的重要组成部分。儿童口腔医学是以年龄划分的独立口腔全科，儿童生长发育的特殊性与口腔诊疗的独特性决定了儿童口腔专科医生除掌握其他口腔学科的基本理论和基本技术外，还要结合儿童的生理心理学特点掌握与儿科相关的医学知识[1-2]。同时，儿童口腔医学综合了“拔、补、镶、矫、防”等多个口腔医学学科的内容，包括口腔颌面外科学、牙体牙髓病学、口腔修复学、口腔预防医学、口腔正畸学等。儿童口腔医学是一门专科性、理论性、实践性、应用性都很强的学科[2-6]，但是有许多内容十分抽象，加之课堂教学时间有限，很难做到让学生真正、完全的理解。牙内陷就是其中的一个教学难点，更是一个重点。因而，改良教学手段，使抽象的内容变得直观、具体，容易理解和记忆，学生在临床实习阶段接触患者时能够准确理解、正确诊断、自如运用非常重要。虽然现代信息技术在医学教育领域得到了廣泛应用（如网络课程、教学光盘、多媒体课件等），但当前口腔医学教育主流的授课方式仍是文字和二维平面图像[7]，且对于牙内陷等结构复杂、需要较强空间想象力加以理解的内容则不能完全满足。本文介绍了一种基于MIMICS软件的三维重建技术，并将其应用于儿童口腔医学《牙内陷》教学中，其中的体会与思考供大家探讨。

1 离体牙数字化三维模型的建立

1.1 实验器材与软件环境

硬件系统：台式电脑（Dell Precision T7600 台式工作站，Windows7旗舰版64位操作系统，E5-2643中央处理器）;内存（DDR3，32 G，1333 MHz）;专业显卡（NVIDIA Quadro 4000）;硬盘（1 TB，7200 RPM）;锥形束CT（microCT）（Siemens Inveon，德国;扫描分辨率：40 μm;像素矩阵：2048×3072）。MIMICS软件系统（MIMICS 17，Materialise Belgium）。

1.2 数字化三维模型的建立

征求患者同意后，收集临床因牙周病而拔除的正常形态上侧切牙与牙内陷上侧切牙，要求牙体完整，无龋坏，根尖发育完成，切端无明显磨损。采用microCT获取其三维数据，转换为DICOM格式后导入MIMICS软件。

牙髓腔与牙体硬组织的灰度值差异较大，程序可自动提取牙髓腔轮廓;但牙釉质与牙本质灰度值差异较小，程序无法自动提取，为避免混乱，手动提取。具体方法为：在microCT水平横断图像釉牙本质界处提取若干标记点，通过连接各标记点，获取每一断层中同一牙釉质的轮廓。通过逐层叠加，获取牙釉质与牙本质的三维形态。对牙周膜的建立参照文献[8-9]中的方法，即牙根向外偏移0.2 mm，建立牙周膜的模型。最后采用分辨率较高的颜色对各个结构进行标注，即可建立反映牙体内部结构的三维模型，包括牙釉质、牙本质、牙髓和牙周膜。通过对三维模型进行放大、缩小、旋转等操作，从不同角度立体观察内陷牙的解剖结构。

2 三维重建模型在《牙内陷》教学中的应用

2.1 课程设置

该课程开设于口腔医学专业本科5年制第4学年、8年制第5学年。以卫生部规划、全国高等学校教材《儿童口腔医学》为教材，利用牙齿发育异常这一章节理论课程4学时中的1学时进行理论授课，随后进行1学时软件操作练习。

2.2 教学方法

理论教学采用课堂教学方式，内容包括介绍牙内陷的定义、病因、分类、临床表现、诊断标准、治疗原则等。教员利用幻灯片及多媒体视频方式课堂讲授25 min，之后15 min结合牙内陷的临床照片及X线、microCT截面图，在计算机上对牙内陷三维模型进行旋转、放缩，并对其内部结构进行进一步解析，帮助学生从多角度对牙内陷解剖结构进行观察与理解，形成直观印象。

实验教学需借助数字化实验室，将离体牙数字化三维模型导入预先安装MIMICS软件的计算机中。教员先利用5 min回顾理论课内容，并强调重点;剩余时间结合视频展示牙内陷临规范化治疗步骤，指导学生掌握三维软件的操作方法，并根据前期授课内容，引导学生观测牙内陷三维模型的各个细节部分。利用MIMICS软件的手术模块，学生可在虚拟模型上模拟开髓或根尖手术过程，同时教员巡回进行操作辅助和问题答疑。下课前5 min左右进行课程总结，并列出思考题。

2.3 教学效果评价

为评估教学效果，实验课结束后进行随堂测试。内容为口腔执业医师理论考试中牙内陷的相关试题，题型为单项选择题及多项选择题，同时发放教学意见反馈表。将统计结果与上一学年采用传统讲授式教学的同一学制学生的测试结果进行比较。

3 教学效果评价结果

随堂测试结果显示，学生的答题正确率较上一学年同学制学生有明显提高。教学意见反馈表显示，采用数字化三维模型教学，不仅解决了传统牙内陷教学过程中学生不易理解，甚至理解错误的知识点，而且激发了学生自主学习的动力，提高了其独立思考的能力，使学生对高新技术在口腔医学中的应用有了更深刻的理解，促使学生不断更新知识，养成良好的自主学习习惯。

4 三维重建模型在《牙内陷》教学中的应用思考

传统的医学教育模式多采用“填鸭式教育”，老师单方面输出，与学生在课堂上的沟通交流较少，学生在课堂上多是被动接受，对于主动与老师沟通有羞涩和恐惧心理。近年来，关于儿童口腔医学教学改革方案很多[10]，如翻转课堂教学法[11-12]、问题导向教学法[13]、OMT法[14]、OSCE法[15-16]、PBL教学法[17-18]、CBL教学法[18-19]、TBL教学法[20]、微课[21-23]等。这些改革方法主要是对授课方法进行改进，较少有教学论文是关于如何帮助学生更好地理解知识点。儿童口腔医生在对儿童进行口腔治疗时，不仅要关注患儿，还需要事先向家长介绍患病情况、治疗计划、疾病风险、费用等问题，获得家长的理解和信任，从而顺利完成治疗。这就要求接诊医师对疾病的本质有着足够深刻的了解。因此对儿童口腔专科医生的培养应更加严格，不仅要求其具有高度专业的临床操作能力，还要对不同学科知识有着深刻的理解[24]。儿童口腔医学是一门综合性学科，涉及的知识点广而深，对于较深的知识点，如何帮助学生更好地理解，激发和启迪学生的思维，培养学生临床思维能力，是教员的责任与义务[25-27]。这就要求教员具备更加多元的教学能力，使不同层次的学生均能掌握好各个知识点，充分发挥主观能动性和团队协作性[28-29]。

牙内陷是口腔临床的一种常见病，发病率可达0.04%～12%[30]。由于其解剖结构特殊、分类方法众多、治疗难度极大，是口腔医学教学中的一个重点与难点。当前我国现行的口腔医学体系中，牙内陷属于口腔内科学的范畴，在牙体牙髓病学与儿童口腔医学中均有涉及。对该内容理解和掌握的程度，决定了学生毕业后对相关疾病的处理能力。结合以往的学生反馈及考核结果可以看出，采用传统的教学方法，学生对于牙内陷内容的理解与掌握仍存在较大欠缺与偏差。

针对这一教学问题进行研究探讨，发现主要有两个原因：首先，对于理论授课，学生以听讲、思考和记忆为主，由于牙内陷解剖结构复杂，釉质、牙本质、牙髓相互堆叠嵌套，需要很强的空间想象能力。而现行的教材及相关资料，均为文字叙述，或是二维X线、CT截面图，对于牙内陷的理解有相当大的难度，相当一部分学生的理解甚至是错误的。其次，学生对于实验课普遍表现出极大的兴趣和热情，乐于亲自动手，但传统的实验课通常不包含这一内容，因为无法获取足够数量的、完整的内陷牙供学生使用，只能通过临床见习甚至是观看录制的临床治疗视频熟悉其治疗步骤，或利用模拟人及仿真头颅模型模拟临床操作过程[31]，这对于没有临床经验的本科生，显然难以达到预期的教学效果。如果理论课上对相关知识点的掌握不够充分，更是难以对临床治疗相关步骤与选择有一个正确的理解。通过对部分毕业生的回访发现，不少学生是在相关治疗出现失误后，才重新对牙内陷的各解剖结构进行反思，最终得以正确认识，这也不可避免地对治疗及医患关系产生不利影响。基于此，采用三维重建技术，将原本抽象的解剖结构具体化、可视化，加深理解并指导学生自行對牙内陷三维模型进行观测，充分发挥学生的自主性及主观能动性，对自己尚未掌握的部分加深理解，将各基础学科和临床知识点连贯、渗透、融会贯通，从而培养学生的发散思维和横向思维能力，提高灵活运用知识的能力及逻辑思维能力[29]。与传统教学方法比较，多媒体授课的优势在于多媒体课件可以涵盖更多教学素材，提高学生对常见口腔疾病的认识，更好地掌握其临床特征[32-33]。

近年来随着计算机图形学和图像处理技术的发展，医学图像三维重建技术可将扫描得到的三维数据、断层二维图像序列重建成三维图像，并实现立体视图的可视化。目前，microCT或锥形束CT（CBCT）均可获取高精度的三维数据，相比较而言，microCT获取的三维数据精度更高，但仅限于离体牙，且仅部分院校配备。CBCT可获取患者牙齿的三维数据，相对于microCT更加普及，绝大多数院校甚至部分诊所均有配备。而MIMICS软件是目前应用最为广泛的医学图像三维重建软件，可对三维模型进行旋转、平移、缩放、测量等，通过多角度观察及测量分析，其內置的手术模块可对多种手术过程进行模拟[34-36]。本文介绍的基于MIMICS软件的三维重建技术，较其他三维重建技术操作简单，不需要复杂的计算机专业知识，适合医学专业人员掌握。

将三维重建技术引入《牙内陷》口腔医学教学中，不仅可保持传统多媒体教学的直观、生动，同时可加强图像的形象性和精确性，学生可以从各个角度，各个层次，更好地理解内陷牙解剖结构和治疗过程，解决了传统教学无法表述清楚的重点和难点内容。实践结果显示，将三维重建技术引入《牙内陷》复杂解剖结构的教学，不仅有利于学生理解与记忆，有效提高教学效率及质量，还可极大地提高学生的学习热情，激发其创造性思维和解决问题的能力，不失为一种有益的尝试。

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（收稿日期：2019-05-08  本文编辑：任   念）