人工智能在口腔教学中的应用探讨*

姜华 黄东宗 李鸿波 汪林 白阳 刘洪臣

人工智能是计算机科学的一个重要分支，是研究开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用的一门新兴的科学技术。其研究内容包括深度学习、智能机器人和数据开拓等多个方面，人工神经网络、知识图谱、虚拟现实技术、远程虚拟数字化技术、智能机器人等都是人工智能的核心技术［1］。随着人工智能技术的发展，人工智能在口腔医学中的应用越来越广泛。在口腔医学教学中，人工智能技术也广泛用于辅助或者替代传统教学方法，包括牙体牙髓学、口腔修复学、牙周病学、口腔种植学和口腔颌面外科学等多个学科的教学培训［2］。在口腔教学领域，虚拟现实技术、远程虚拟教学、智能机器人是应用最多的人工智能技术。人工智能在教学中的应用，可以弥补传统教学方法的不足，减轻教学负担，提高学生学习的积极性，打造高效课堂，切实提高教学质量。尤其运用人工智能实现了远程虚拟教学，学习口腔医学专业理论知识，全面培养临床思维，通过虚拟现实技术模拟口腔软硬组织与多种疾病实况，利用人机交互系统，实现临床操作的实时反馈，提升临床技能，是传统口腔教学的重要辅助。本文对虚拟现实技术、远程虚拟教学、智能机器人在口腔教学中的应用作一探讨。

1.基于虚拟现实技术的口腔临床实践技能培训

随着人们对口腔治疗需求的不断增加，口腔医学生的专业能力、临床培训和经验积累越来越重要。口腔治疗的疗效通常取决于临床医生的操作技能，仿真头模能辅助训练口腔医学生的临床操作能力，但是目前的仿真头模只是由简单的功能性头部区域和牙齿排列组成，与真实患者有差距［3］。虚拟现实技术与医学训练相结合是随着计算机技术、传感器技术和自动化技术的发展而出现的一个新的研究领域。虚拟现实技术利用计算机技术在视觉、听觉、触觉和其他感官上生成与真实环境相似的数字环境，操作员使用专用设备与虚拟对象交互并感受到来自虚拟对象的反馈［4］。通过虚拟现实技术，可以创建具有高保真度和实时性能的虚拟操作环境［5］，进而将训练成果和操作经验运用到真实口腔临床操作实践中。该系统由计算机创建和处理，带有头盔显示器和力反馈手柄等专用设备，允许用户在体验多传感器反馈的同时观察场景并与之交互，从而产生近乎真实的训练效果［6］。

近年来，以虚拟现实技术为代表的智慧教学模式在口腔教学中的应用受到广泛关注，出现了很多用于口腔教学的模拟训练系统，比较常用的有DentSim系 统、Simodont Dental Trainer系 统、Individual Dental Education Assistant(IDEA）系统、iDental系统等［7］。口腔模拟训练系统通过虚拟现实技术复制口腔软、硬组织，提供临床诊断和治疗环境。通过力反馈技术模拟牙钻与牙齿、口镜、软硬组织之间的相互作用力，尽可能逼真地再现口腔临床技能训练的全过程［8］。口腔模拟器是计算机与口腔技术的深度融合，主要包括虚拟现实技术和力反馈技术［9］。

迄今为止，已经进行了许多初步试验，研究表明基于虚拟现实技术的口腔模拟器在临床技能训练中有积极的作用。Eve等［10］分析了口腔本科生与口腔修复住院医师在使用新型触觉虚拟现实模拟器进行模拟龋齿去除练习时的表现。对于新手和有经验的操作员来说，在实验过程中，去除效率（定义为随钻孔时间去除龋齿病变的百分比）显著提高。Al-Saud等［11］利用触觉虚拟现实模拟器研究了反馈对牙齿预备技能获得率的影响。当未经训练的受试者与经验丰富的口腔老师一起接受触觉装置反馈时，学生在练习技能时，可以更快地获得基本的手动灵巧，而模拟器的培训帮助学生加速基本的手动灵巧技能的学习。Urbankova等［12］在临床前口腔教育中使用触觉虚拟现实技术测试了学生的临床操作技能。试验结果表明，在口腔临床前训练阶段，触觉虚拟现实技术在识别有潜在学习挑战的学生方面可以发挥作用。Suebnukarn等［13］的另一项研究也评估了用于运动技能训练的触觉虚拟现实口腔模拟器的验证。通过对专家和非专家的判别能力的分析，验证了虚拟现实模拟器的有效性。De Boer等［14］研究了在虚拟学习环境中工作的学生在表现和欣赏方面的差异。与二维视觉相比，在虚拟学习情境中使用三维视觉对学生的学习成绩和对环境的欣赏都有显著的积极影响。Correa等［15］研究了用于下牙槽神经阻滞的口腔麻醉训练模拟器的验证。所开发的系统利用虚拟现实技术和触觉装置，在麻醉过程中，在针插入任务中提供感知力反馈，为学习者提供插入真实针的触觉感觉。结果显示模拟测试非常适合局部麻醉培训，包括适当的定位、插入深度以及虚拟组织阻力的敏感性。在更复杂的手术治疗技术中，Khelemsky等人［16］分析了一种名为Touch Surgery的新型认知虚拟现实模拟器用于眼眶底重建的有效性，其所提出的虚拟现实模拟可以作为颌面外科住院医师培训用的认知训练和评估工具。Miki等人［17］进行了一项研究，以评估一个虚拟现实的去除颌下腺内窥镜辅助训练系统，证实应用内窥镜辅助手术的虚拟现实培训系统对口腔外科医生的培训是有效的。

与基于仿头颅模型的传统训练方法相比，口腔模拟器有许多优点，可以为学生提供更好的学习环境。除了口腔操作技能，学生还可以通过口腔模拟器获得相关的理论知识［18］。由于口腔模拟器允许临床技能的可重复和可逆的临床前训练［19］，它们给学生提供了更灵活的训练体验［5］。它们还允许通过记录培训过程进行数字客观评估和教程反馈。此外，口腔模拟器的培训更具有临床意义，因为它们再现了与真实临床环境中遇到的情况相似的情况［5］，可以降低治疗风险，提高患者的安全性［20］。先前的研究表明，使用口腔模拟器进行训练可以节省教员的时间［19，21］，并允许学生在任何时间反复练习，直到他们掌握为止。一些研究表明，与传统的训练方法相比，使用口腔模拟器进行训练可以缩短训练时间［21］。因此，口腔模拟器在教学中的应用可以弥补传统教学方法的不足，减轻教学负担，提高师生的方便性。据报道，口腔模拟器还能够提高学生的信心和积极性［22］以及辨别和解决医疗紧急情况的能力［23］。

然而，目前的口腔模拟器在立体视觉、视频分辨率、力反馈、教学内容和结果评估等方面存在不足，许多口腔模拟器在训练中没有不同程度的难度设置，学生在训练过程中不能循序渐进地学习。此外，口腔模拟器只进行基本技能训练，缺乏技能在临床案例中的应用，无法评估学生对技能的逐步掌握程度。这些缺点可能直接影响口腔模拟器的有效性［22］。因此，口腔模拟器不能完全取代传统的技能训练方法。口腔模拟器提供的自动评估和教程反馈被认为是传统教学方法的补充［24］。一些研究认为，将传统方法和虚拟方法结合起来，将是技能培训中选择的最佳方法［25，26］。

2.基于网络的远程虚拟教学

2019年冠状病毒感染性疾病的流行给口腔医学教育带来了无数的挑战。在隔离和封锁措施中，面对面的教育在全球范围内受到干扰。口腔医学教育工作者提出了创新的解决方案，恢复基于网络的数字化口腔理论学习，提供远程教学。远程教育将传统教学与现代信息技术相结合，是信息技术最重要的应用之一，它以各种形式提供基于计算机的在线和离线学习以及基于网络的教学［27］。不同的在线平台被用于教学和学习以及学生评估和考试，学习也转向了虚拟学习。目前世界上许多大学提供远程学习、基于网络的学习、封闭式在线学习和教育视频节目等［28］。传统的医学和口腔医学教育是以导师和学生在传统课堂环境中的参与为基础的。然而，这种教育现在可以远程提供，甚至可以存档供以后使用。数字化实现了基于云的学习记录、评估和反馈，并提供了电子学习模块［29］。

基于网络的数字化在线学习工具在包括正畸学［30］、口腔解剖生理学［31］、口腔放射学［32］、口腔外科学［33］、牙周病学［34］、口腔种植学［22］、口腔修复学［29］和龋齿检测［35］等均有普遍使用。Schittek等［34］利用基于网络的数据库应用程序记录牙周病学中的实践历史记录和决策，学生使用屏幕上的自由文本通信与患者数据交互，提高了他们在第一次接触患者时的能力和同理心。Reynolds等［36］描述了在口腔诊所为本科生引入便携式口腔数字助理（掌上电脑），以访问虚拟学习环境，便携式口腔数字助理被证明是访问在线教育的一种方便和通用的方法。研究发现，手机等移动设备也支持网络学习，因为它提供了通过发表评论、划下划线、注释图像和绘制图形来个性化数字学习的机会［37］。免费的3D图像查看软件有利于规划3D虚拟模型情况下的可摘局部义齿设计［38］。有证据表明，学生对使用新的教育方法而不是传统的学习方式更感兴趣［39，40］。此外，网络学习可以帮助学生采用循证医学方法及时获取最新的知识［41］。因此，虚拟教育和在线教学在世界范围内日益流行。Thiele等人［42］对学生进行了评估，认为传统的课堂教学是令人厌烦的，在某个预定时间学习限制了学生实际的学习能力。相比之下，学生在虚拟教学中可以随时获取教育内容，提高了教学效果。关于传统教学和虚拟教学两种方法的区别，Potomkova等人［43］的一篇综述讨论了网络教学与传统教学的优劣。发现相对于传统的授课式教学，学生更喜欢使用网络教学，因为网络教学具有易访问、易使用、学习自由、较高的医学图像质量和重复学习的优势。无时间限制地在线获取数字化学习资料被认为是虚拟教育的一大优势，基于网络的教学模块促进了学生的个性化学习方式，并适应了学生不同的学习节奏，并促进学生、教师和管理人员之间的协作和交流。

虚拟学习的主要优点是学习者可以随时随地无限制地访问教育内容［44］。然而，考虑到这种方法的独立性，小组讨论和与同学的交流往往较少。建立虚拟教学网络的成本高、需要计算机和使用该系统所需的技能、计算机知识不足以及不熟悉规则和方法等都是这种教学方法的局限性。另外目前还没有统一的口腔数字化教育标准，各种在线学习工具针对同一学科设置的学习内容，学习方法和学习目标等均存在一定差异。

3.基于医疗机器人的患者模拟系统

口腔教学机器人的概念于1969年首次提出［45］，Tanzawa等人开发了一种机器人病人，它可以为口腔临床训练再现真实的临床情况。这个机器人病人被设计成一个身高157厘米的全身模型，头部有8个自由度，能够执行各种自主动作，可以分泌唾液，此外还可以与学员进行对话。他们将机器人患者引入一项针对口腔学校五年级学生的客观结构化临床检查，以评估他们的口腔技能和治疗的安全性。结果：许多学生能够恰当地处理病人的意外动作。此外，问卷调查的结果显示，几乎所有的学生都认识到机器人病人的教育价值，特别是在“风险管理”方面，他们更喜欢机器人病人而不是传统的人体模型。研究通过五年级学生的实践，评价了机器人病人在口腔临床教学中的实际应用，说明了机器人病人在口腔领域的有效性［46］。

2017年，日本齿科大学开展了利用仿人机器人进行口腔教育的实验，研发了完整的人体受试者模拟机器人系统Simroid系统-基于机器人的交互式口腔培训患者模拟系统，由具有真实的外观和反应的人形机器人组成，以便口腔医学生习惯于真实的患者［20］。Simroid仿人机器人高165cm，它可以模仿人类的表达和行动。可以进行手腕、肘部、舌头和下颚的运动，疼痛时摇头，眨眼，转动眼睛，口头表达不适等。此外，它还可以模拟诱导唾液流动和出血的功能，并使用悬雍垂传感器模拟呕吐反射［47］。Abe等［20］通过临床试验验证了Simroid系统的临床教学效果。结果显示：与传统教学相比，Simroid系统在模拟医患沟通和评估治疗态度和临床技能等方面都具有明显优势。Tanzawa和他的同事提出应用口腔急救机器人训练学生对口腔环境医疗紧急情况的反应能力，旨在帮助口腔医学生适应紧急情况［47］。口腔机器人通过真实的人机互动能提高学生临床沟通能力。机器人在口腔教学中的应用前景广阔，但是还存在一些限制：机器人基本的操作和感觉能力以及学习能力不足，训练后不能对学生的操作结果进行准确的定量评价，学生不知道自己的操作结果是否符合要求；机器人成本高，只有少数大学能够引进。

4.结论

人工智能为口腔教学提供了新的可能，应用前景广阔，人工智能在口腔教学中的初步应用已被证明可以为学生提供个性化的学习辅助，通过远程虚拟教学和大数据分析学习口腔医学专业理论知识，全面培养学生的临床思维，通过虚拟现实技术模拟口腔软硬组织与多种疾病实况，利用人机交互系统，实现临床操作的实时反馈，提升临床技能，是传统口腔教学的重要辅助，是未来口腔教学的重要手段。但是由于人工智能技术的操作难度大、成本高，技术研究不足等问题，目前口腔教学人工智能的技术研究还相对有限，多数只能针对特定任务，一个全面的通用口腔教学人工智能系统还没有实现。

未来人工智能与口腔医学融合的可能性是多方面的。理想的是建立一个全面的提供所有基本需求的通用人工智能系统，该系统具有适当的安全程序，可以直观可靠地学习和利用专业知识、实现以人为中心的人机交互和基于云数据的学习推理，改善医疗和教学质量［48］。要实现这一目标，仍有大量工作需要做。首先需要加强人工智能口腔医学知识的普及，加强学科合作，培养综合型人才，不断深入研究人工智能口腔教学系统。其次还必须为人工智能口腔教育研究制定新的标准，侧重于产生高质量的数据、普遍接受的文件格式、安全和适当的数据管理的技术标准，保证人工智能解决方案的可信性和通用性。最后要确定伦理规范，注重数据安全保护，将个人隐私和权利放在首位。随着科技的发展，基于大数据、虚拟现实、机器人、深度学习等技术的人工智能将为学生提供个性化的学习辅助，其功能将更加多样化、智能化和便捷化。因此，人工智能将对口腔教学产生重要的影响。