基于虚拟仿真技术的牙体形态、颜色和修复体瓷层堆塑教学的初步探索

杨胜涛 董 博 袁 泉 岳 莉

固定义齿修复工艺学的教学目标之一是使学生具备制作模拟天然牙齿解剖形态、颜色及相关生物力学特征的修复体的标准技能，其中对于天然牙体形态和颜色的教学是基础，瓷层堆塑则是实现修复体对于天然牙模拟的核心技术［1,2］。由于完整的离体牙收集难度较大，同时不易保存，传统的牙体解剖形态和颜色教学多借助于二维的照片或者实体仿真模型，存在着直观度低、受时间和空间影响较大、携带和存储不便等不足［3］。修复体的瓷层堆塑则具有较高的经验依赖性，学生不易掌握各瓷层之间的空间位置关系，往往需要进行大量的练习以达到经验的积累，然而受到教学材料及学时的限制，课堂教学效率难以得到进一步的提高。

近年来3D虚拟仿真技术凭借沉浸感强、仿真度高、安全可逆等优势，已逐渐应用于口腔医学专业的教学实践中，并取得了良好的教学效果［4-6］。然而目前虚拟仿真技术在固定义齿修复工艺学教学中的应用研究仍然较少，特别是牙体颜色和修复体瓷层堆塑的3D虚拟仿真教学基本上处于空白状态，这可能与天然牙颜色构成及修复体瓷层堆塑具有较高的个体差异性、虚拟仿真设备难以对其进行真实再现有关。基于此，本文提供了一种对天然牙颜色及修复体瓷层堆塑进行虚拟再现的方法，并成功构建了对应的虚拟仿真模型。同时与虚拟牙列模型进行整合，创建了包括牙体解剖形态教学、牙齿颜色特征虚拟教学及虚拟瓷层堆塑三个内容的固定义齿工艺学的教学软件，并以实际教学为例对其应用流程进行探讨，以为虚拟仿真技术在口腔医学技术专业教学实践中的运用提供思路。

1.虚拟仿真教学模型的构建

1.1 虚拟仿真牙列模型的构建 收集一套完整的仿真牙列模型，运用仓式扫描仪对其进行扫描，将扫描所得的数据导入齿科设计软件中，参照标准天然牙列的排列位置进行扫描数据的三维空间位置排列，将确定好空间位置的牙齿模型依次以STL（Standard Tessellation Language）的标准格式导出获得虚拟牙列模型。对每个虚拟模型设立“显示/隐藏”、“放大/缩小”、“移动/旋转”等基础的三维查看功能。选择11、13、16三个典型的虚拟牙齿模型，参照第七版口腔解剖生理学的教材内容进行牙齿表面解剖标志的三维划分，并以不同颜色对解剖标志进行三维标记，同时建立解剖标志文字命名及牙齿解剖标志之间的响应功能，学生点击文字命名时三维模型对应的解剖标志进行颜色变化以指示解剖部位（图1）。

图1 三维模型中文字命名与解剖标志之间的颜色变化指示

1.2 三维真彩牙体模型的构建 制作青年、中年、老年三个年龄段的仿真中切牙全瓷修复体，对其进行多角度的二维照片拍摄，确保不同照片之间有一定的重叠度。运用仓式扫描仪扫描制作的修复体获得三维模型数据，运用3D软件的“贴图”功能将拍摄的多张二维图片贴附到扫描的三维模型表面，成功构建青年、中年、老年三个具有增龄性特征的真彩牙体模型（图2），对构建的模型设立“放大/缩小”、“旋转/移动”等三维查看功能。

图2 二维照片与重建的三维真彩牙体模型

1.3 三维虚拟塑瓷模型的构建 以A2色上颌全瓷中切牙的瓷层堆塑为例，将其制作步骤分解为“颈部瓷堆塑”、“体瓷堆塑”、“体瓷回切标记”、“体瓷回切”、“发育叶瓷堆塑”等十八个步骤，应用与1.2中真彩牙体模型相同的构建方法，对每一个步骤所得的模型进行多角度的照片拍摄和模型扫描，从而重建出瓷层堆塑的分步模型（图3）。将获得的分步模型进行空间位置关系的叠加，并添加外层瓷层的“透明度调整”功能，从而可以对各瓷层的三维空间位置关系进行虚拟指示，完成虚拟塑瓷模型的构建。

图3 二维照片与重建的三维塑瓷模型

2.教学实践应用流程

以口腔医学技术专业的固定义齿修复工艺学课程教学为例，介绍本虚拟仿真教学方法的实际应用。

2.1 牙体解剖形态的虚拟教学

2.1.1 学时安排及教学目的 本部分内容的虚拟教学为一个学时，主要教学目的为使学生通过虚拟牙列模型的三维学习，掌握天然牙列组成及其牙齿排列特征、上下牙列咬合关系、单颗牙体解剖形态及其命名等内容，为后期修复体的制作打下功能学和形态学基础。

2.1.2 具体教学流程 指导学生在课前预习教学软件中的理论课件，进行基础知识的储备。授课过程中首先显示所有牙体模型，指导学生通过“移动/旋转”、“放大/缩小”等工具进行天然牙列的组成、牙齿排列特征及其三维轴向位置、上下牙列的咬合关系等知识点的虚拟学习。然后依次隐藏上颌牙列和下颌牙列，进行单颌牙列牙弓排列弧度、牙齿构成及其解剖特征的学习。最后依次对单颗牙齿模型进行显示及放大，进行单颗牙齿冠根比例、牙冠长度、宽度、厚度比例的宏观掌握。点击11牙、13牙及16牙三个典型模型进入单颗牙齿解剖标志及文字命名的响应界面，指导学生参照理论知识进行相关解剖标志的辩认，对于不确定的解剖标志，学生可以点击解剖标志的文字命名，牙齿模型上对应的三维解剖部位将有颜色变化的指示，从而对学生进行指导，解决了传统的二维书面教学难以对三维模型进行展示的问题（图4）。最后引导学生以11牙、13牙、16牙为参考完成剩余牙齿的解剖标志的学习与掌握。

图4 牙体解剖形态的虚拟教学

2.2 牙体颜色特征的虚拟教学

2.2.1 学时安排及教学目的 本部分的虚拟教学为一学时，要求学生通过三个不同年龄段人仿真中切牙牙体色彩的学习掌握天然牙颜色构成特征及其增龄性变化规律，为仿真修复体的制作进行颜色学储备。

2.2.2 具体教学流程 指导学生在课前预习教学软件中的“青年”、“中年”、“老年”牙齿的颜色特征及其仿真制作的视频。授课过程中首先查看青年中切牙牙体模型，引导学生根据模型下方针对青年牙齿典型颜色特征的文字提示，运用“旋转/移动”、“放大/缩小”等功能变换，进行牙体明度、饱和度、色调及半透性特征、发育叶特征等颜色学指标的学习。然后依次显示中年牙体模型和老年牙体模型，引导学生在对比教学中明了不同年龄段人牙体的颜色特征及其增龄性变化规律（图5）。

图5 青年、中年、老年真彩牙体模型的虚拟教学

2.3 瓷层堆塑的虚拟教学

2.3.1 学时安排及教学目的 本部分内容为两学时，旨在让学生通过虚拟瓷层堆塑练习掌握全瓷修复体制作的材料选择、工艺流程及不同瓷层构筑的空间位置关系。

2.3.2 具体教学流程 指导学生预先查看软件中人上颌中切牙全瓷修复体瓷层堆塑的教学视频。教学过程中首先完成“学习模式”下的教学，根据软件提示依次选择每个步骤相应的工具和材料，依次进行“颈部瓷堆塑”、“体瓷堆塑”、“回切标记”、“瓷层回切”等虚拟训练。每一步练习完成引导学生通过透明度调整功能调节最外层瓷层的透明度，从而明确不同瓷层之间的空间位置关系（图6）。通过多次练习后选择“练习模式”，此模式下软件无相应的提示，学生进行虚拟操作，软件自动记录学生的操作过程并自动生成评分，引导学生进行查看，以明确操作过程中的错误并及时纠正。

图6 虚拟瓷层堆塑练习及瓷层空间位置指示

3.结果

成功构建了包括牙体解剖形态学习、牙体色彩学习和虚拟瓷层堆塑三个主要教学内容的虚拟仿真教学软件（图7），并在口腔医学技术专业固定义齿修复工艺学课程中完成初步的应用实践，4个学时的授课过程均顺利进行。学生在课后的使用反馈良好，软件自带的题库检测和操作评分结果均显示课程教学达到了满意的效果（图8）。相较于传统的理论教学和实体模型教学，虚拟仿真教学具有形象直观、操作灵活、学生兴趣度较高等优势，具有一定的可行性。

图7 创建的虚拟仿真教学软件

图8 操作评分显示达到了良好的教学效果

4.讨论

数字化教学是未来的发展趋势之一，它打破了时间、空间等不可抗因素对于实践教学的束缚，对于抽象性知识、高危及高耗能实践教学、不可逆性实践教学等都有一定的优势［7］。在口腔医学领域，虚拟仿真技术已经在牙体预备、种植窝洞预备、牙周洁治、正畸术前检查及托槽粘接等实践教学中得到了一定应用［8-12］。然而目前虚拟仿真技术在固定义齿修复工艺学课程教学中的应用研究相对较少，课程仍然以理论课件讲解、录制视频教学、仿真牙列模型教学、实操演示及个人练习等传统方式为主，受到教学课时、教学空间、教学耗材、辅导老师等硬性条件的约束，学生也难以将抽象的二维知识与三维模型进行整合，在一定程度上降低了课堂效率。在这样的背景下，本文探索了虚拟仿真教学在牙体形态、牙体色彩和瓷层堆塑等固定义齿修复工艺学课程教学中的应用，总结其优势与不足。

4.1 虚拟仿真教学的优势

4.1.1 将抽象的书面知识与三维模型进行有机融合 天然牙体积小，解剖结构细微而复杂，许多解剖标志并非仅存在于一个牙体轴面上，二维书面很难对三维的解剖标志进行全面的指示。借助虚拟仿真软件的模型“显示/隐藏”、“放大/缩小”、“移动/旋转”等功能，学生可以对细微的解剖标志进行更便捷的查看。针对11、13、16三颗虚拟牙齿模型建立的解剖命名与三维标志之间的响应功能可以精确的指示相关的解剖标志，从而有利于学生的学习和掌握。

对于天然牙的颜色构成，除了基础的明度、饱和度、色调三要素，还存在着半透性、表面着色等诸多个性化特征，同时受到患者年龄与习惯等诸多因素的影响。本文运用将二维照片贴附于三维模型表面的方法，重建了三维的真彩牙体模型，其颜色学特征与实体模型基本一致，高于口内真彩扫描仪等获得的色彩还原效果，可以更有效地进行牙体颜色特征的教学。通过青年、中年、老年三个年龄段人牙齿的对比教学，更容易体现天然牙色彩的增龄性变化特征。

在进行修复体的制作时，为了重建天然牙的颜色特征，往往需要在1.5mm左右的厚度范围内进行多个瓷层的分层堆塑，由于未烧结的瓷层不具有透明性，学生很难掌握各瓷粉的用量及其堆塑的空间位置。借助虚拟仿真软件中的外层瓷层的透明化功能，可以很明确地观察到各瓷层之间的关系，从而指导学生将适量的瓷层堆塑于正确的位置。

4.1.2 降低了时间、空间等对教学资源的限制 传统的牙体形态、颜色教学方式为实体仿真模型教学，其便携性较低，瓷层堆塑的教学则以辅导老师进行示教的方式进行，对于教学课时、教学场地、教学耗材都有一定的要求。本文提出的虚拟教学软件可以进行线上教学，学生可以在任何时候进入软件进行相关知识的学习，使得相关课程教学变得更加便捷，可以在一定程度上提升教学效率。将瓷层堆塑练习虚拟化之后，可以节约瓷粉等实验耗材，同时降低实验操作给学生带来的安全隐患。

4.1.3 及时获得实践操作的评价反馈 传统的实践教学中学生很难及时获得对于自己操作过程的反馈与评估。而针对虚拟瓷层堆塑的练习，教学软件会自动记录学生使用的工具和操作流程，并在学生操作完成后生成评分表，从而有利于学生及时进行操作的自我评估，并及时更正。软件的题库练习功能可以辅助学生进行相关理论知识的检验，从而提升对于相关理论知识的掌握水平。

4.2 本教学方法的不足之处

4.2.1 虚拟模型数据较为单一 软件中牙体形态教学部分只添加了一套牙列模型，而不同人牙列存在着形态学上的差异，需要进一步增加典型性的牙列数据以进行完善。同时只针对11牙、13牙、16牙三颗牙齿模型完成了解剖标志与文字命名之间的响应，但是不同牙齿解剖形态和命名上仍然存在较大区别，需要进一步增加对于剩余牙齿模型的解剖命名及展示。牙体色彩教学中只选取了A2色的上中切牙作为教学模型，需要增加更多不同色调的牙齿模型以进行对比教学。

4.2.2 智能化程度需要进一步提升 对于虚拟瓷层堆塑的教学，由于修复体制作的影响因素较多，同时各瓷层形态均不规则且厚度不一致，本系统的智能度仍然较低，尚未能实现真正意义上的瓷层虚拟堆塑，只能针对重建的模型进行练习，未来需要进一步提升教学软件的智能化程度，实现真实的虚拟教学。

4.3 总结 虚拟仿真教学是未来教学的趋势之一，本文对虚拟仿真技术在固定义齿修复工艺学教学实践中的应用进行了介绍，并取得了相对满意的教学效果。但是对于瓷层堆塑等个性化程度较高的内容，无法实现完全脱离传统练习的虚拟教学，未来需要对教学软件的功能进行进一步的完善，同时需要与传统教学方式进行一定的对比研究，从而进一步明确虚拟仿真技术的教学优势与不足，以做进一步的改进和完善。