虚拟现实技术在口腔颌面部解剖及三维数字模型构建中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.46.021

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (46): 7492-7497.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.46.021

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虚拟现实技术在口腔颌面部解剖及三维数字模型构建中的应用

高璐，张晓红，金海威，丛蔚，王福

大连医科大学口腔医学院，辽宁省大连市 11604

收稿日期:2015-08-25 出版日期:2015-11-12 发布日期:2015-11-12
通讯作者: 王福，博士，副教授，大连医科大学口腔医学院，辽宁省大连市 116044
作者简介:高璐，女，1978年生，辽宁省大连市人，汉族，2007年大连医科大学毕业，硕士，讲师，主要从事口腔基础医学及口腔颌面解剖方面的研究。
基金资助:
大连医科大学教改立项(DYLX15019，DYLX13078，204250)

Application of virtual reality technology in oral and maxillofacial anatomy and three-dimensional digital model construction

Gao Lu, Zhang Xiao-hong, Jin Hai-wei, Cong Wei, Wang Fu

College of Stomatology, Dalian Medical University, Dalian 116044, Liaoning Province, China

Received:2015-08-25 Online:2015-11-12 Published:2015-11-12
Contact: Wang Fu, M.D., Associate professor, College of Stomatology, Dalian Medical University, Dalian 116044, Liaoning Province, China
About author:Gao Lu, Master, Lecturer, College of Stomatology, Dalian Medical University, Dalian 116044, Liaoning Province, China
Supported by:
the Educational Reform Project of Dalian Medical University, No. DYLX15019, DYLX13078, 204250

摘要/Abstract

摘要：

背景：随着医学技术、计算机图像技术的高速发展以及计算机辅助临床教学的迫切需要，虚拟现实技术在医疗等领域的应用引起了众多学者的关注。

目的：总结虚拟现实技术在口腔颌面解剖中的应用，为口腔医学临床和科研提供更好的研究方法，为建立口腔颌面解剖数字资源库并使其信息化、网络化奠定基础。

方法：由第一作者应用计算机检索PubMed数据库及中国学术期刊网全文数据库2004年1月至2014年12月有关虚拟现实技术在口腔颌面解剖应用方面的文章，英文检索词为“Tissue engineering，Virtual reality，Oral and maxillofacial anatomy，Digital，3D reconstruction，Multimedia，Teeth，Skull”，中文检索词为“组织工程，虚拟现实，口腔颌面解剖，数字化，三维重建，牙体，颅骨”。排除重复性研究，共保留52篇文献进行综述。

结果与结论：虚拟现实技术在口腔颌面解剖中的应用主要包括三维数字化模型和数字化的虚拟人体数据库。专门用于医学三维重建的软件包括3D-Doctor和Minics等，支持的原始数据来源包括连续断层解剖图像、各种影像数据和三维扫描数据等。多种虚拟现实技术均可以成功的再现牙体、牙列及口腔颌面部的解剖结构，为构建口腔医学临床和教学的虚拟现实模型平台奠定了基础。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 组织构建, 组织工程, 口腔, 颌面解剖, 数字化, 三维重建, 虚拟现实, 教学, 多媒体, 计算机模拟, 牙模型, 颅骨, 人体模型

Abstract:

BACKGROUND: With the rapid development of medical technology, computer image technology and the urgent needs of computer-aided clinical teaching, the application of virtual reality technology in oral and maxillofacial anatomy has become an issue of concern.

OBJECTIVE: To summarize the application of virtual reality technology in oral and maxillofacial anatomy, thereby providing the better methods for clinical and basic research of oral medicine, laying the foundation for building the digital repository, and realizing the informatization and networking construction.

METHODS: A computer-based retrieval was performed by the first author in the CNKI and PubMed databases to search papers related on the virtual reality technology applied in oral and maxillofacial anatomy published between January 2004 and December 2014, using the key words of “tissue engineering, virtual reality, oral and maxillofacial anatomy, digital, 3D reconstruction, multimedia, teeth, skull” in Chinese and English, respectively. According to inclusion and exclusion criteria, 52 papers were included in the final analysis.

RESULTS AND CONCLUSION: The application of virtual reality technology in oral and maxillofacial anatomy mainly includes 3D digital model and virtual digital database of human body. 3D medical reconstruction software includes 3D-Doctor and Minics that support the original data sources including continuous fault anatomical images, varieties of image data and 3D scanning data. A variety of virtual reality technologies can successfully reproduce the tooth, dentition and oral and maxillofacial anatomy, laying the foundation for building the virtual reality platform in oral clinical application and teaching.
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Mouth, Computer Simulation, User-Computer Interface, Imaging, Three-Dimensional

高璐，张晓红，金海威，丛蔚，王福. 虚拟现实技术在口腔颌面部解剖及三维数字模型构建中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(46): 7492-7497.

Gao Lu, Zhang Xiao-hong, Jin Hai-wei, Cong Wei, Wang Fu. Application of virtual reality technology in oral and maxillofacial anatomy and three-dimensional digital model construction[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(46): 7492-7497.

图/表（结果） 2

2.1 虚拟现实技术的内涵、特征、基本分类虚拟现实技术是综合利用图形图像学、现代多媒体技术、人工智能技术、仿真技术、网络技术等多种技术制造出一种具有多种感官刺激的、实时的模拟环境，用户通过计算机传感设备进入交互式的模拟环境中，与之产生互动并进行交流^[6]。

虚拟现实技术的特征主要表现在以下4个方面：①多感知性：是指该技术除了具有视觉感知之外还具有听觉感知、触觉感知、运动感知甚至包括味觉感知等。②沉浸感：是虚拟现实技术最主要的技术特征之一，指用户借助自身的感觉系统和交互设备，在计算机生成的虚拟环境中如同进入了一个真实的客观世界，同时可能产生类似于现实世界的幻觉和意识。③交互性：指使用者应用专业的输入和输出设备，能够通过自己的操作改变或选择虚拟环境的对象，而不是被动的接受，人机互动的趣味性是虚拟现实技术的实质特征。④构想性：虚拟环境为用户创造了广阔的想象空间，可以拓宽使用者的认知范围、深化知识概念、提高感性和理性认识，引发创造性思维。这种特性可以发挥用户的积极性，进行研究性、探索性的学习^[7]。

虚拟现实系统主要由计算机、应用软件系统、输入设备、演示设备等组成，按照虚拟现实系统实现方式的不同，现在主要分为3种类型：①桌面虚拟现实系统：使用者通过计算机屏幕可以观察360°范围内的虚拟环境，并通过外部设备等来驾驭虚拟境界。桌面虚拟现实系统的缺点是用户易受到周围环境的影响，很难完全沉浸到虚拟环境当中，但由于其结构简单、容易操作、价格低廉，因此易于推广，该系统在医学教育中的应用主要体现在虚拟三维模型、虚拟教学课件等。②沉浸式虚拟现实系统：是利用头盔显示器或其他设备，给用户提供一个全新的封闭的虚拟空间，同时利用其他输入设备等让用户产生一种身临其境的感觉，但该套系统的设备要求较高很难大范围推广。③共享型虚拟现实系统：建立在沉浸式虚拟现实系统和分布式交互仿真的基础之上，是基于网络连接的虚拟现实系统，主要指多个用户通过网络连接同时加入一个虚拟空间，共同在虚拟空间观察和操作，达到共同协作的目的，在共享型虚拟现实系统产生的虚拟环境中，同一模型可被不同的用户同时观察和操作，这样就能产生共同体验、协作的目的，这种系统在医学教育中的应用主要体现在远程虚拟手术和远程医学教学等方面^[8]。

2.2 虚拟现实技术在口腔颌面解剖的应用针对于口腔颌面解剖领域，虚拟现实技术的应用主要表现在三维数字化可视模型的建立、数字化虚拟人体及医学教育教学方面。

2.2.1 三维数字化模型方面

牙体三维数字化模型：牙体的解剖形态及生理功能、牙列以及牙体与牙周的组织关系也是口腔解剖生理学的重要基础知识，这些内容是口腔解剖生理学的一个重要组成部分。在以往的教学中主要是通过文字描述、离体牙标本、牙齿标准模型、幻灯片等形式来传授这部分知识，这种方式不仅耗费大量的标本和模型，更使初步涉及口腔知识的学生难以迅速、准确掌握知识的要领。无论在口腔基础教学还是在口腔临床应用上，单颗牙齿的解剖形态都具有重要的意义，因此，建立单颗牙齿的数字化三维模型是非常有必要的。

北京医科大学韩科等^[9]首先应用连续断层解剖法创建了32颗牙齿的三维数据模型，对32颗离体恒牙用树脂酚醛塑化液高压灌注髓腔后，以黑色树脂包埋，用自制数控车床每隔200 μm逐层磨除，然后用相机拍摄每一磨面，获得1 363张黑白胶片图像，用扫描仪将全部照片输入电脑，最后将全部数据进行模拟式图像数字化存入图像数据库，从而构成每个牙齿的三维数据模型，该模型可以在计算机屏幕上清晰的展示每一恒牙的内外解剖结构特征，允许从任意角度任意剖面做观察。这种数字模型的建立在国内是首创，在国内口腔医学领域为数字化模型的研究提供了一个基础平台。Lyroudia等^[10]也利用类似的方法重建牙齿模型，并利用该模型和虚拟现实技术模拟了开髓过程，但是其磨切间隔为750 μm，层距太大，精准度太低。Spitzer等^[11]认为通过连续断层解剖法进行牙体解剖结构模型的建立，最大的难点在于切片与切片之间的精确连接。

邹波等^[12]利用激光扫描仪扫描了28颗标准牙冠的石膏模型，采用Matlab软件开发出牙冠三维数据处理程序和牙冠变化调整程序对获得的数据进行处理，进行牙冠的三维重建，并结合测量数据进行微调，获得牙冠的标准三维模型，可以任意角度观察模型，平移转换和旋转调整牙冠的空间位置。

王疆等^[13]用Micro-CT对冠根完好的上颌第一前磨牙进行扫描，层厚间距37.6 μm，将获得的影像通过Minics软件进行整合，初步形成模型，再导入Geomagic软件进行精修，形成实体三维数字模型。将Micro-CT应用到三维数字模型的建立上，其具备的优点有扫描间距更小可低于0.01 mm，扫描精度更高，图片清晰、分辨率较高^[14-16]；结合Micro-CT技术的牙体组织三维重建可以获得极高的真实性和精确性^[17](图1)，能够满足各种牙体生物力学分析的需要，但是利用Micro-CT创建三维数字模型，扫描的层次多，游离辐射多，同时设备费用昂贵并且需要专业技术人员的帮助，大量扫描时成本过高，很难大范围的推广^[18-20]。

董正杰等^[21]用石膏包埋牙体组织，采用连续断层解剖法对牙体每隔0.3 mm进行磨削，用数码相机对其断面拍摄，利用3DMAX建模，建立了上颌中切牙的实体模型，结果显示牙体硬组织之间的色泽有明显的差异，在此基础上可以建立牙本质和髓腔的三维模型。这种建模方式不需要应用其他的仪器设备，容易被口腔医生掌握；同时应用这种方法，价格低廉，取得的模型较为精准，但该方法为破坏性研究，拍摄过程中随着包埋体长度的不断缩短相机对断面的对焦难以控制。

宋林等^[22]利用首例中国可视人数据集，从中获取全牙的断层图像，观察牙体的解剖形态结构，结合MedView软件获取三维模型，可视模型能显示牙体、牙槽骨及牙周组织的结构形态，同时为牙体的断层解剖学提供了一种研究方法^[23-24]。

颅面部结构数字化模型：颅面部的解剖结构比较复杂，包括骨组织、软组织、神经、血管及牙颌关系等结构，对于颅面部解剖结构的精准掌握有利于口腔颌面外科、牙种植外科及其他口腔学科相关工作的展开。颅面部的三维重建模型相较于X射线片和二维模型能更直接、更精切的将复杂、抽象的解剖结构展现在使用者面前。同时应用虚拟现实技术创建颅面部三维模型有助于口腔临床学科的发展，如将虚拟现实技术应用到颅面部疾病治疗中，可以全面、直接的显示颅面部疾病的程度及范围，这对于疾病的诊断、治疗方案等提供了有效实用的信息，极大的提高了医疗的准确性和有效性^[25]。

自1931年Broadbent发明了头颅定位X射线头影测量技术，获取了颅颌面结构三维空间数据，X射线投影测量法便被应用创建颅面部三维结构^[26]。但该种方法因投照方向、射线剂量等多种因素的影响存在图像分辨率低、图像有重叠等不足^[27]。

1980年Herman首次提出应用CT进行三维重建，随着CT技术的发展，三维CT成像技术被众多学者用来进行全身各解剖部位的重建研究^[28]，同时应用CT进行三维重建也是目前使用最多的方法。CT三维重建颅面部结构的基本原理：对物体的断面进行CT扫描，将获取的数据通过CAM技术及其衍生技术进行加工。目前国内外文献介绍的切割方法主要有：快速激光成型和数控铣床加工。采用CT扫描的重建方法有3种：①表面阴影遮盖法：是早期螺旋CT最常用的三维重建方法，对CT的阈值要求比较高，图像无法完整的显示颅面部骨骼的形态结构。②多平面成像：是多层螺旋CT最重要的诊断方法，但很难表达复杂的解剖空间结构。③容积成像：这种方法运算量大，需要高速、并行处理的大型计算机^[29-30]。CT三维重建的优点是可以直观显示各组织结构的空间毗邻关系，同时可以进行任意平面的解剖测量。

近年，谷方等^[31]应用计算机及其附属摄影设备重建下颌骨的三维模型，该研究方法是应用机床铣切技术将标本以0.1 mm进行等间距切削，每一断面都直接用计算机及其专业软件控制的相机拍摄，获取数据，最后将数据导入Amira软件进行三维重建。这种研究方法在三维方向上能真实、清晰的再现下颌骨的解剖形态，可从任意角度进行整体或者局部三维显示，且其精度是CT等设备远远达不到的。

2.2.2 数字化的虚拟人体方面在1985年美国科罗拉多大学医学院，用CT和MRI分别以厚度约1 mm和0.33 mm间距对一具男性尸体和一具女性尸体作扫描，摄像机逐层拍摄图像并输入电脑，使数字化图像与扫描数据相结合，分别产生两个人体构造模型数据库，并于1995年出版发行了相关光盘^[32]。该数据库虽然包括口腔颅面部和牙体、牙列的部分知识，但其以1 mm间隔做的切片相对于精细的牙体形态则显得粗糙；同时由于牙齿是人体最坚硬的组织不能采用通常的切片方法，所以该数据库虽然对人体解剖学有着非同一般的意义但是其对口腔颌面解剖方面的应用意义不显著。

2001年韩国亚洲大学与韩国科技信息研究院报道了1例韩国男性人体切片的数据采集^[33]。2002年解放军第三军医大学首先完成了第一套可视虚拟中国男女数据的采集，并将数据交给首都医科大学图像实验室进行图像处理和三维可视化工作^[34]。继之国内的解剖学者们在标本切削、冰库改建、血管显示、数据采集方面有了明显的改进和提高，已先后提供了10套整体虚拟人数据集，同时这些数据集是在低温实验室中进行的铣切，这样就可以避免颅面部细小结构从铣切表面脱落，如牙齿、鼻甲、软骨等，从而可以保持断面标本的全面性^[35-38]。

刘光久等^[39]利用中国数字化可视人数据集中的部分颈椎连续断面图像，应用3D-Doctor软件，建立了颈前相关结构的三维可视化模型。张宇等^[40]利用中国数字化虚拟人的部分数据集，包括颏部至下颌骨髁突部的切片断层数据作为三维重建的数据来源，用图像处理软件结合3D-Doctor进行下颌骨三维模型的重建，用该种研究方法得到的三维模型，真实的再现了下颌骨的解剖形态，获取的牙列形态逼真，同时可以进行任意角度的观察、实体变换和布尔运算(图2)。

2.2.3 医学教育教学方面口腔解剖生理学的教学方法通常是以PPT课件教学为主，再结合挂图、模型等辅助教学设施，同时在实验课中配以离体牙、解剖标本来加深学生对知识的理解。目前国内医学院校的教学人体标本来源匮乏、库存不断减少，使学生亲手参与尸体解剖的机会越来越少。虚拟现实技术在口腔解剖教学中的应用可以使学生直接在虚拟现实的模型平台上进行解剖观察和学习，同时大幅度的降低了教学成本、弥补了教学资源的不足。

在口腔解剖理论教学中，采用虚拟人体解剖3D图谱代替传统的解剖挂图，无论在精度、色彩、质感和仿真度上都是二维图像无法比拟的。同时使用这种形式的解剖图谱，无需复杂的注解，只要将鼠标移动到某一解剖部位，该结构的详细说明就能显现出来，并允许在水平和垂直方向上任意旋转，使抽象的立体结构能直观的展现出来^[41]。

在口腔解剖实验教学中，目前采用的多是桌面虚拟现实系统和沉浸式虚拟现实系统^[42-44]。芝加哥大学创建了人体虚拟解剖电脑，用户可在虚拟的组织和器官间进行模拟操作，同时接受触觉反馈。日本创建了一套虚拟3D人体解剖图系统，系统中可以交互提取器官的解剖信息。德国汉堡大学应用CT和MRT获取人体解剖结构的横截面图像建立空间模型，用人工智能技术将人体解剖结构填充到空间模型中创建了三维可视化虚拟人体图谱^[45]。罗嘉伦等^[46]将自行开发的三维标本数据录入硬件系统，全面的录入了解剖标本、模型的资料，生成数字化图像数据，直接输入数据库就可以通过虚拟三维演示系统实现展示，并已经进入到测试试用阶段，结果显示虚拟的三维展示系统完全可以取代传统的实验室大体标本进行教学。

远程医学教育是运用卫星、网络、计算机和多媒体等科技手段在教师与学生之间进行教学和通讯联系的教育形式。将虚拟现实技术应用到远程教学教育中，学生可以在任何时间和地点获取教学资源、观看教师授课视频，实现实时交互问答；同时还可以远程访问利用虚拟现实技术构建的数据库，进行虚拟操作^[47-50]。

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虚拟现实技术在口腔颌面部解剖及三维数字模型构建中的应用

Application of virtual reality technology in oral and maxillofacial anatomy and three-dimensional digital model construction

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