虚拟现实技术是近年来迅速发展起来的一项高新技术，它在医学领域已经得到了广泛应用，并且产生了重要的影响。作为纳斯达克上市企业“微美全息US.WIMI”旗下研究机构“微美全息科学院”的科学家们从医疗教育和虚拟手术两个方面介绍了国外虚拟现实技术在口腔种植领域的应用情况，同时结合我国虚拟现实技术的应用现状，提出了其发展与借鉴思路。

1.引言

虚拟现实(Virtualreality,VR)技术是上个世纪90年代迅速发展起来的一项高新技术。它利用计算机软硬件资源生成实时的三维虚拟现实世界，从视觉、听觉、运动、触觉等多感官为用户提供身临其境的真实感觉，允许用户与虚拟世界进行交互。该技术以“3个I”，即沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)、思维构想性(imagination)，作为它最本质的特点，并集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能技术，传感技术、显示技术、网络并行处理技术等，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统"。VR技术被公认为是21世纪重要的交叉学科，以及影响人们生活的重要技术之一，已被广泛地应用到军事、教育、医疗、娱乐、工业等领域。在医疗方面，VR技术的应用集中于虚拟手术、虚拟人、远程医疗系统、医学教育等方面。针对口腔医学中同样发展迅速的口腔种植学领域，VR的应用目前主要集中在临床仿真模拟教学和虚拟手术两个方面。

2.虚拟现实技术在口腔种植学临床教学中的应用

长期以来口腔种植学被认为是口腔修复学中理解最抽象、入手最困难、操作最棘手的临床课程。在口腔医学院校进行口腔种植教学时，多数采用传统的教学方式，即利用解剖结构示意图、手术实例录像，以及教师讲解的方式进行。而直接利用真实受植者进行现场边操作、边讲解的方式，会延长手术时间，增加手术成本，甚至影响手术质量，因而常常遭到病人的抵制。VR技术的出现为口腔种植教学开辟了全新的途径。基于VR技术，学生能够在虚拟手术系统中通过相应的系统文件浏览器来查看教师保存的虚拟手术操作过程和操作结果，并且针对同一病例，学生能够自主地进行分析和手术方案设计，大大节省了教学成本。由于手术方案的可视化和可实时修改的特性，使讨论和交流变得更为便利和有效。基于VR技术的教学形式，不仅有利于构建一种全新的、多变的教学环境和教学手段，而且能为学习者提供一种可以进行交互的、直观的、自主探索的学习环境和学习方法，激发学生的学习积极性，提高教学质量。

国外许多公司开发了针对口腔医学教学用的VR系统，大多数使用者对此持有充分的肯定态度。与国外相比，尽管我国VR技术研究起步较晚，硬件配置的瓶颈、软件技术的门槛以及高昂的成本，限制了VR技术在我国的普及。然而，近几年随着经济和计算机学科的高速发展，软硬件成本的大幅度下降，以及国家对VR技术的大力投入。国内一些重点院校已积极投入到了这一领域的研究工作。例如：武汉大学口腔医学生物工程实验室目前正在开发一套完整的口腔种植学VR教学系统，目前已经完成了口腔种植学相关的三维模型和虚拟现实场景的构建，为口腔医学虚拟现实课件的制作奠定基础，同时也为其他领域提供了可用的数字化三维模型(比如：三维有限元分析、三维动画教学片和三维互动网页的制作等)，更重要的是，为今后开发口腔医学教学用VR系统寻找到了突破口和可用的关键技术，积累了宝贵的经验。

图1利用虚拟现实技术构建的口腔模型

3.虚拟现实技术在牙种植手术中的应用

牙种植手术是非常精细的手术，成功的关键在于术前的仔细检查和正确的分析，设计出缜密的手术方案，包括：种植体的类型、数目、植入位置、深度以及方向，同时也会考虑到后期的修复治疗需要等。这是高效，准确、顺利地进行牙种植手术所必需的准备工作，否则容易造成术中牙槽骨侧璧穿孔、神经损伤或种植体位置、方向和深度欠佳等现象。通常情况下，具有丰富临床经验的牙种植外科医生首先利用多种影像手段，如：X线片、曲面断层、螺旋CT、曲面CT以及MRI等对受植者的口腔解剖结构，尤其是对受植区域骨及软组织的情况做出适当评估以确定最佳手术方案，然后在自己的大脑中进行术前的手术模拟。但牙种植手术方案质量高低，往往依赖于医生个体的外科临床经验与技能。另外，如果单单根据以上所采用的影像手段，医师向受植者和其他工作人员进行术前说明时就存在着很大的困难。

VR技术为牙种植外科医生进行手术模拟、手术导航、手术定位、制订手术方案提供了客观、准确、直观、科学的手段。牙种植医师可以通过基于VR环境的虚拟手术实现手术过程的模拟，并且在过程中生成一个理想的手术方案。基于VR技术的环境生成与结构重建，医师可以自由地对基于CT扫描数据生成的患者颌骨通过3D重建模型进行全方位旋转甚至任意截面细致观察，以选取最适宜种植体植入的位置，决定种植体的类型、数目、规格、植入深度以及方向。基于这种三维位置信息的手术支援，极大地减小了手术创面，最大限度地减轻了患者肉体上的痛苦。

对于存在解剖结构修整，如：上颌窦提升、大面积植骨、下颌神经游离等要求的受植者，VR技术允许医师在生成的3D颌骨模型上进行上颌窦提升术等精细程度很高的模拟操作，以精确计算操作范围以及提升高度、植骨数量以及下颌神经的游离长度等。

图2基于虚拟现实技术的口腔手术模拟系统

在种植外科手术之后，医师还可以进一步地进行修复过程模拟。VR技术能够即时生成基于种植外科方案的修复假体，并虚拟安装在受植者的颌骨模型之上，使医师能够准确预测修复后的最终治疗结果，并依据这个结果对种植外科方案进行进一步的调整，通过内建的专家系统，医师能够对自己的手术方案进行精细的修正。所有使用过程中所产生的手术方案以数据形式存储，并且能够在其他终端上通过相应的读取器来进行阅读和以图像及模拟手术录像的形式展示。

医师在向受植者解释说明手术方案的时候也可使用VR技术，通过演示模拟种植手术过程，使得没有口腔医学专业基础的受植者能够更直观地了解医师的意图，加深信任感和合作意愿。

目前，世界已经商业化并且广泛使用的牙种植虚拟手术系统有比利时鲁汶大学(LeuvenUniversity)下属Materialise公司开发的SIMPLANT系统、瑞典NobelBiocare公司开发的NobelCuide系统等。这些商业系统都自建了一个种植体数据库，存储了全世界几乎所有的种植体系统以及具体的种植体型号，规格、材料等数据，医师通过简单的菜单式选择和鼠标点击拖曳等操作就能实现种植体的虚拟植入过程，其最终确定的手术方案以特定的数据格式保存，能够被远程调用，利用快速成型技术生成种植手术外科定位导向模板。

年12月26日，由重庆大学光电工程学院和医院联合承担的“口腔智能化虚拟种植导航定位系统的研究”科研项目，历经3年多的科技攻关，取得阶段性成果，填补了国内空白，部分技术指标达到国际同类技术水平。该系统在医院投入使用后，凸显出很大的经济效益。它将目前国内95%的种植成功率提高到99%，使得原本不适宜进行种植牙的禁忌症患者，都可以安全受益。由于该项种植技术的推广，医院的业务以平均40%的增长率快速增长，最高达到60%。临床应用显示，该系统的应用大大提高了口腔种植的安全性和成功率，减少了口腔种植的盲目性，增强了医生和患者对口腔种植的信心，对口腔种植的临床推广有突破性的意义。

4.结论

我国VR技术尚处于初级阶段，还存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。VR技术在新型传感和感知机理、几何与物理建模新方法，高性能计算，特别是高速图形图像处理，以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多挑战性的问题有待解决。随着VR技术的不断发展、完善，以及硬件设备性价比的不断提高，VR技术必将日趋成熟，逐渐普及化、大众化，对以实践为主要特征的医学领域产生更为深远的影响。

微美全息科学院成立于年8月，致力于全息AI视觉探索科技未知，以人类愿景为驱动力，开展基础科学和创新性技术研究。全息科学创新中心致力于全息AI视觉探索科技未知,吸引、集聚、整合全球相关资源和优势力量，推进以科技创新为核心的全面创新，开展基础科学和创新性技术研究。微美全息科学院计划在以下范畴拓展对未来世界的科学研究：

一、全息计算科学：脑机全息计算、量子全息计算、光电全息计算、中微子全息计算、生物全息计算、磁浮全息计算

二、全息通信科学：脑机全息通信、量子全息通信、暗物质全息通信、真空全息通信、光电全息通信、磁浮全息通信

三、微集成科学：脑机微集成、中微子微集成、生物微集成、光电微集成、量子微集成、磁浮微集成

四、全息云科学：脑机全息云、量子全息云、光电全息云

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