本研究获得了北京大学口腔医院伦理委员会(PKUSSIRB-202273003-免)的批准。

这项研究在北京大学口腔医学院和口腔医院进行，共有34名志愿者:14名(41%)男性和20名(59%)女性，年龄在23岁至30岁之间。五年级的牙科本科生、研究生和修复科的住院医师参与了这项研究。根据临床经验分为新手组和熟练组。新手组(n=17)的参与者有0到1年的临床经验，熟练组(n=17)的参与者有3年以上的修复临床经验。

Unidental MR模拟器由北京大学口腔医学院、口腔医院和北京航空航天大学虚拟现实与系统国家重点实验室共同研发。它是一种基于MR和触觉的牙科模拟器，主要用于临床前牙科技能培训，用于制备牙冠、镶嵌物和贴面。

单轴磁流变模拟器的原理图见 图1。用于合成处理的计算机位于硬件平台内部，包含CPU (IntelCore i5-9400F, Intel Corp, Santa Clara, CA)，显卡(GeForce GTX 1060, 3GB RAM, NVIDIA Corp, Santa Clara, CA)，硬盘(Green SSD, 240G, Western Digital Corp, Lake Forest, CA)， 14.600全高清(HD)液晶显示器(LCD)和操作系统(Windows 10, Microsoft Corp, Redmond, WA)。戴眼镜的头戴式显示器(HMD)-MR (HoloLens 2，微软公司，华盛顿州雷德蒙德)与计算机有无线连接，可以观察混合了真实环境的模拟世界。

如 图1，“Unidental MR Simulator”包括一个模拟训练平台，该模拟训练平台是根据一个头部模型而建造的，在使用者操作时，该平台可作为手指的支撑点和空间参考( 图1A).它还包括一个基于触觉装置的牙科技能训练系统，通过力反馈装置的输出力( 图1B, 1C, 1D);基于锥束计算机断层扫描(CBCT)数据和口腔内扫描图像( 图1E);根据实际尺寸制作的虚拟牙科训练器械( 图1F);以及基于MR眼镜的显示系统(HoloLens 2，微软公司，华盛顿州雷德蒙德; 图1G).在空间上注册虚拟牙科训练环境，以确保其在空间上与幻像头匹配( 图1E).显示系统可以实现虚拟训练环境、幻影头、用户操作手等虚拟与真实环境的协调显示，增强学员对情境的沉浸感。将触觉装置的空间姿态、MR眼镜的方位、匹配的虚拟训练环境、仪器等数据传递给算法平台，由算法平台计算出输出力信息和视觉网格，分别传输给触觉装置和MR眼镜输出，从而实现闭环。对从算法平台传输的视觉信息进行简化，基于网格简化算法实现视觉线程刷新频率大于60hz。根据力感知-视觉空间校准算法对输出力进行校准，确保用户感受到的输出力方向与观测方向一致，然后传输到触觉设备进行输出。基于已描述的牙科模拟器的结构，牙科MR模拟器的工作原理概述于 图2。

Unidental MR模拟器的工作主要包括输入、计算和输出。触觉设备捕捉用户在虚拟环境中的仪器位置信息，脚踏板收集有关仪器的姿态信息，附加屏幕收集有关用户交互的信息，MR眼镜捕捉有关空间环境的信息。信息输入MR计算平台，MR计算平台计算输入信息，然后通过输出设备输出反馈信息。触觉装置输出相应仪器姿态的力信息，MR眼镜输出相应虚拟场景的图像信息，附加屏幕输出交互反馈信息。MR模拟器的各个部分相互协调，以确保牙齿准备训练过程顺利进行。

模拟器的人脸有效性是指训练情况与真实临床情况的相似程度[ 14］．成就的标准是不同教育背景的用户对模拟器一致的积极评价[ 15］．为了评估模拟的人脸有效性，我们设计了一份问卷来收集用户报告的经验、牙齿准备过程的模拟以及新手和熟练组对模拟器的态度等方面的数据。

本研究分为两个阶段:体验阶段和研究阶段。在体验阶段，研究的设计者向参与者提供了模拟器的使用演示，并帮助他们对HMD进行校准和校准。每个参与者都可以调整模拟器的虚拟头的位置，以最适合他们的操作，并有30分钟的时间来熟悉设备的使用。在体验阶段，当参与者需要帮助时，指导教师提供指导和帮助。在研究阶段，每位参与者在牙科模拟器中为全陶瓷冠准备上颌右侧中切牙，并在准备后完成预先设计的问卷调查。

问卷上有12个项目。回答选项为1=非常不满意或非常不同意，2=不满意或不同意，3=中立，4=满意或同意，5=非常满意或非常同意。还包括一个开放式问题，以收集关于模拟器缺陷的数据。

用曼-惠特尼量表分析了新手组和熟练组对模拟器各方面的评估以及对模拟器的态度的差异 U测试。将与模拟器相关的各个项目与用户的整体体验进行相关性分析，以确定哪些方面影响了整体用户体验。使用SPSS v26.0 (IBM Corp, Armonk, NY)对数据进行分析。

随着新冠肺炎疫情的蔓延，世界正处于焦虑阶段;因此，在此期间调整医疗技能培训的方式很重要[ 16， 17］．传统的牙科技能训练方法使用拔出来的牙齿，但如果拔出来的牙齿没有完全消毒[ 3.]，当使用手机时，会在空气中产生大量的生物气溶胶，导致病毒传播[ 16］．牙科模拟器将整个技能培训过程转变为数字化过程，从而避免了这种类型的病毒传播，提高了技能培训过程的安全性。

已开发并用于牙齿准备训练的模拟器包括DentSim (DenX Corp，耶路撒冷，以色列)[ 18]， PREPassistant (KaVo, Biberach，德国)[ 19]，牙科虚拟教育系统(苏州数码医疗保健有限公司，江苏，中国)[ 20.]，以及Simodent (MOOG，阿姆斯特丹，荷兰)[ 10］．前3个系统使用树脂齿，提供不可逆的训练过程。Simodent模拟器类似于Unidental模拟器，因为它使用VR和力反馈技术来模拟真实的牙齿和口腔器械，在训练过程中没有材料消耗。Unidental MR Simulator通过使用HMD实现3D显示，其图像呈现效果优于3D眼镜结合Simodent的2D显示。结合幻影头，Unidental MR模拟器可以重现更接近临床环境的训练场景，并有可能实现姿势训练。Simodent在训练过程中操作姿势是固定的，用户必须旋转3D鼠标才能改变视角，非常不方便。

Unidental MR模拟器是专门为培养牙齿准备技能而设计的，它可以模拟不同类型的牙齿准备的临床环境。可用于准备牙齿的技能训练，无需训练材料的消耗，可解决临床治疗场景中患者位置的调整问题。由于保存了来自现实世界的信息，可以保证从虚拟培训环境过渡到临床操作，确保更接近临床环境的培训体验。

新手组和熟练组对模拟器的评价除易用性外无显著差异，这表明Unidental MR模拟器具有良好的面部效度。新手组对模拟器的易用性给出了比熟练组更有利的评价。最有可能的原因是，熟练组的学生习惯了在真实的临床环境中进行牙齿准备，并认为模拟器很难使用，因为他们不习惯它。

相关分析结果表明，HMD的分辨率和牙齿准备过程的模拟对使用模拟器的整体体验非常重要。问卷调查结果显示，59%(20/34)的志愿者对HMD的解决方案给予中立评级，12%(4/34)的志愿者不满意，只有29%(10/34)的志愿者对HMD的解决方案感到满意。在回答开放式问题(“牙科模拟器的缺点是什么?”)时，大多数参与者认为HoloLens 2的分辨率不够。Unidental MR Simulator使用HoloLens 2作为HMD和微软开发的MR眼镜。HoloLens 2的分辨率为2K(双眼2048 x 1080)，其成像原理为双目立体视觉;因此，真正的分辨率实际上是1024 x 1080。单颗牙齿显示时像素分辨率不理想。在测试阶段，当HoloLens 2离投影位置较近时，目标图形边缘被模糊，当HMD与投影位置距离约为50 cm时，图像呈现效果最佳。因此，在佩戴HoloLens 2时，有必要在MR模拟器中找到合适的位置来准备牙齿。

在参与者中，50%(17/34)的人认为牙齿准备过程的模拟是一般的。在问卷中指出的缺陷中，许多参与者指出，Unidental MR模拟器没有提供手指休息或喷水效果。许多参与者还报告说，模拟器不允许咬合模拟，因此他们无法估计切牙和舌的缩小。牙齿准备过程的模拟与使用模拟器的整体用户体验显著正相关;因此，模拟器还需要改进。

许多嘉宾认为模拟器没有软体的力反馈技术。在程序测试过程中，单独使用一颗牙齿的力反馈时，图像帧率可达25fps，延时35.7毫秒，在可接受范围内。但在加入软组织力反馈后，由于数据量大，HoloLens 2的计算和数据传输能力不足，造成2- 3秒的延迟。因此，目前情况下的软组织力反馈必须去除。口腔软组织数据使用口腔内扫描仪获得，并使用网格格式进行处理;未来可以通过减少网格数来压缩软组织的数据大小。此外，5G无线网络技术将大大提高高分辨率视频数据从服务器主机到显示设备的传输速率，从而减少响应延迟[ 21， 22］．未来将结合5G技术和Unidental MR模拟器解决图像延迟问题。

牙科模拟器将成为未来临床前技能培训的主要方法。目前，在许多领域，如飞行[ 23]及腹腔镜手术[ 15]，模拟是在允许学习者在真实情况下执行相关技能之前的强制性训练阶段[ 14］．由于技术的发展不是一蹴而就的，牙科模拟器正处于一个不断发展和突破的阶段。虽然目前还不可能取代传统的培训方法[ 24]，随着技术的不断发展，模拟器将在未来发挥重要作用。

本研究的优势在于将磁流变与力反馈技术结合在新设计开发的单轴磁流变模拟器中。它可以模拟调整患者的位置，从而创造一个与临床环境非常相似的训练环境。然而，本研究存在一定的局限性。参与者被分为2个研究小组。然而，在评估腹腔镜手术模拟器的有效性时，van Ginkel等人[ 14]将参与者分为新手、中级和专家组，这提供了更精确的测量。巴索姆等[ 15]提出了建立模拟器有效性所需的评估标准，包括面效度、内容效度、构效度、并发效度和预测效度。在本研究中，由于时间限制和技术瓶颈，只评估了模拟器的人脸有效性。因此，还需要进一步的实验来研究Unidental MR模拟器的训练效果。

新研制的单齿磁共振模拟系统具有良好的人脸效度。通过实现对患者位置的调整能力，为用户提供更好的技能培训体验，从而与真实的临床治疗环境有更高的相似度。显示牙齿准备模拟的视觉呈现和牙齿的力反馈需要改进，以实现更好的模拟体验。