（1）实验原理(限1000字以内)

本实验以可摘局部义齿的精准设计与生物力学适配为目标，通过虚拟仿真技术构建全流程数字化人机交互实验体系，涵盖口腔数据采集、三维建模、力学仿真与智能反馈四大模块，其原理分述如下：

第一阶段：牙列缺损病例数据库建立

本课题的第一原理是根据临床场景，建立各种类型的牙列缺损病例库，来辅助学生掌握临床诊断和修复设计方案的选择。牙列缺损修复的理论基础涉及到牙列缺损的类型、余留牙的数量、位置、牙周状态和解剖形态等、黏膜厚度、上下颌骨位置关系等，增加了修复方案的复杂性和多样性，如何选择合适的方案是临床难点。本阶段涉及以下几个技术原理：

1.光学印模数据采集

在真实临床患者中选择典型的牙列缺损类型：肯氏一类（双侧游离端缺失）、肯氏二类（单侧游离端缺失）、肯氏三类（单侧非游离端缺失）、肯氏四类（前牙缺失并跨过中线），并根据牙周条件、患者年龄、咬合特性等标准筛选具有代表性的设计案例，使用3Shape高精度口腔扫描仪对患者进行牙列及软组织扫描，使用stl格式导出后，在虚拟环境中使用高精度建模工具创建模型用于后续的义齿设计。

2.多模态数据融合与生物力学赋参原理

将口扫模型（STL格式）与颌骨CBCT数据（DICOM格式）以ICP配准算法对齐，通过人工智能数据处理技术进行数据分割与融合，自动提取牙列、牙槽骨、颌骨、软组织数据，进行数据清洗，去除噪声和冗余信息，获得数字孪生模型。

赋予各部分组织力学特性：包括骨、口腔黏膜及牙周膜的弹性模量、泊松比等。同时，为义齿各组件：钛合金、树脂基托、人工牙赋予弹性模量和泊松比参数，并设置形变阈值（100μm），实现咬合负载下形变量的高度仿真。

第二阶段：可摘局部义齿的虚拟设计

本课题的第二原理是通过本实验课所采用的虚拟现实的原理，将临床上典型的4类牙列缺损转换成虚拟场景后，辅助学生来进行义齿设计，包括卡环、连接体、支架、义齿、基托等的设计原理，更直观的加深学生对义齿设计的理解。其涉及以下几个技术原理：

1. 虚拟牙体预备动态交互原理

仿真系统搭载触觉反馈模块，通过触觉反馈提供更真实的操作感受。当学生操作虚拟车针备牙时，系统实时计算切削体积与牙体剩余量，利用布尔运算进行三维动态建模。在某些不合理情况如车针切入深度＞1.5mm时，通过力反馈生成反向振动警示。牙体预备结束后，采用布尔运算将学生的备牙结果与标准预备体进行比较，并给出量化修改意见。

2.可摘局部义齿的设计原理

可摘局部义齿的设计必须满足以下原则：①不损伤口腔剩余组织健康。义齿需要广泛、有选择的分散牙合力；减少对基牙的扭力；正确恢复咬合关系；尽量少覆盖牙体组织；尽量利用天然间隙；尽量减少固位体数目等。②良好的支持、固位与稳定。在义齿行使功能时余留牙及牙槽嵴能够承受咬合力负担；在行使功能时义齿不应脱位或相对移动。③恢复咀嚼、发音和美观功能。④舒适方便。⑤经济耐用。

第三阶段：课程效果评价

本课题的第三原理是为了评估此次虚拟现实的可摘局部义齿实验课程的教学效果，将学生进行分为两组进行分组学习，通过虚拟咬合功能分析和AI智能模块来辅助学习，加深学生的认知，最后通过问卷来评估学习效果。涉及以下几个技术原理：

1.可摘局部义齿功能状态下的力学分析原理

利用内置于系统中的有限元分析模块对模型进行力学分析，对比不同卡环设计方案在摘戴义齿、静态咬合和动态咀嚼状态下的应力分布和位移情况，评估各方案的优劣。

①摘戴义齿分析：模拟患者摘戴义齿的过程，分析卡环与基牙、黏膜之间的相互作用力，以及义齿在摘戴过程中的位移和应力分布。

②静态咬合分析：在静态咬合状态下，模拟不同垂直压力、侧向力和水平向力下的咀嚼力，分析卡环、基牙、牙周膜、颌骨和牙槽嵴黏膜的应力分布。

③动态咀嚼分析：模拟动态咀嚼过程中的多种负荷情况，分析卡环在动态状态下的稳定性和应力分布，以及义齿的位移情况。

2.AI智能模块诊断原理

AI智能模块通过卷积神经网络（CNN）自动识别设计缺陷（如固位不足或基牙/黏膜过载），即时推送拓扑优化路径与临床操作修正建议，构建“感知-操作-反馈”的沉浸式闭环训练体系。

知识点：共4个

1.牙列缺损Kennedy分类

2.可摘局部义齿的组成（大小连接体、固位体、基托、人工牙）、各部件的作用与设计要求

3.可摘局部义齿的设计原则及分类设计

4.可摘局部义齿的牙体预备方法

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

1.不同类型牙列缺损数字孪生模型构建

按照缺牙部位及其与余留牙的关系，将牙列缺损分为四大类型：肯氏一类（双侧游离端缺失）、肯氏二类（单侧游离端缺失）、肯氏三类（单侧非游离端缺失）、肯氏四类（前牙缺失并跨过中线）。使用口腔扫描仪扫描这四类患者的牙列及软组织，利用CBCT获取患者的颌骨及牙槽骨数据，通过人工智能数据处理技术自动提取牙列、牙槽骨、颌骨、软组织数据，构建牙列缺损多模态数据。

将构建的数字孪生模型导入仿真软件中，设置模型各部分仿真参数。最后设计直观易用的人机交互界面，使学生和教师能浏览和编辑数字模型。

2.不同生理状态下可摘局部义齿固位体及连接体的选择

在虚拟仿真系统中导入四类牙列缺损的标准数字模型以及基于真实患者的数字孪生模型，同时构建各种固位体及连接体设计选项。学生在牙列缺损模型上进行义齿设计后，进行以下三种状态下的三维有限元分析，评估各方案优劣。

①模拟摘戴义齿的过程，分析卡环与基牙、黏膜之间的相互作用力，以及义齿在摘戴过程中的位移和应力分布。

②在静态咬合状态下，模拟垂直力、侧向力和水平力下的咀嚼力，分析卡环、基牙、牙周膜、颌骨和牙槽嵴黏膜的应力分布。

③模拟动态咀嚼过程中的多种负荷情况，分析卡环的应力分布及义齿的位移。

最后将有限元分析结果与人机交互仿真技术结合，构建可交互的义齿设计教学模型。

一、学生分组

分两组，传统实验组和虚拟仿真实验组。

二、教学安排

1.理论讲解（1课时）：

①讲授可摘义齿设计原则、Kennedy分类、临床决策逻辑（20分钟）；

②在模型上演示可摘局部义齿牙体预备；或虚拟仿真机上演示系统操作方式（25分钟）。

2.分组操作及总结（4课时）：

1）传统教学组：

①利用实体模型进行牙齿检查、模型观测、牙体预备、在设计单上绘制四类牙列缺损的可摘局部义齿设计图，教师随时逐组指导并打分。（3课时）

②给予学生一例牙列缺损临床真实病例（不同于练习病例）来设计并打分。

③总结同学的设计及牙体预备情况。（②、③共1课时）

2）虚拟仿真实验组：

①虚拟临床接诊：通过交互按钮对虚拟患者进行问诊，与虚拟患者进行医患沟通，术前告知。

②虚拟临床检查：通过操作虚拟仿真机器调整体位后，对虚拟患者进行口外检查、口内检査、X线检查。

③虚拟可摘局部义齿设计：在虚拟仿真系统中进行模型观测，根据牙列缺损类型，在系统内置的大连接体和固位体中选择合适的放置于数字模型上。义齿设计完成后，系统进行义齿在各种行使功能状态下的力学分析、并出具AI诊断报告，学生根据系统反馈调整义齿设计。

④虚拟牙体预备：在虚拟仿真系统中选择手机等工具进行牙体预备，之后查看预备体最终操作结果，系统自动评价进行预备体打分供学生参考。（以上4步3课时）

⑤给予学生一例牙列缺损临床真实病例（不同于练习病例）来设计并打分。

⑥总结同学的设计及操作情况。（⑤、⑥共1课时）

三、课后反思总结

①发放调查问卷，包含学生对传统及虚拟仿真教学的操作与学习感受、对可摘局部义齿设计与牙体预备的掌握与理解深度等。

②分析两组学生操作过程：分析学生平均设计一类牙列缺损的耗时、错误修正次数、教师指导次数等。

交互性操作步骤：①对虚拟患者进行问诊，明确主诉、现病史与既往史；②与虚拟患者进行医患沟通（告知患者治疗方案、流程、风险等）；③进行操作前准备，调整患者体位、医生椅位；④对虚拟患者进行口外检查（颌面部外形、颞下颌关节、下颌运动）；⑤对虚拟患者进行口内检查；⑥进行X线检查；⑦进行研究模型观测，确定就位道及倒凹深度；⑧设计大连接体；⑨设计卡环；⑩查看当前义齿设计的力学分析结果，结合系统实时反馈确定设计或调整设计；⑪选择手机、车针及口镜；⑫牙体预备：轴面预备-支托凹预备-抛光；⑬查看操作结果，与系统内置标准预备体形态对比并获得评分。

（1）学生交互性操作步骤，共 13 步

（2）交互性步骤详细说明

（一）临床接诊

①对虚拟患者进行问诊，可录入语音或点击按钮进行互动，通过问诊明确虚拟患者的主要就诊需求及其现病史和既往史。

②与虚拟患者进行医患沟通，可录入语音或点击按钮进行互动，需要告知患者目前情况，治疗方案、流程、风险等。

（二）临床检查

③通过操作虚拟仿真机器调整体位，调整患者体位及医生体位至合适位置。

④对虚拟患者进行口外检查：查看预置在系统中的虚拟患者的颌面部外形、颞下颌关节及下颌运动情况。

⑤选择口镜、镊子等器械对虚拟患者进行口内检査：包括缺失牙部位牙槽嵴及软组织情况，余留牙的牙体、牙周、外形、倾斜移位情况，咬合情况。在系统内置表格中进行逐项记录。

⑥对虚拟患者进行X线检查：查看预置在系统中的曲面断层片及根尖片。

（三）可摘局部义齿设计

⑦利用系统中的数字化研究模型进行模型观测，调整模型倾斜方向后，确定就位道方向及倒凹深度，在研究模型上标记需要余留牙调磨的部位。

⑧根据步骤⑦的观测结果，根据牙列缺损类型，在系统内置的大连接体中选择合适的种类放置于数字孪生模型上。

⑨根据步骤⑦的观测结果，根据牙列缺损类型，在系统内置的卡环、小连接体、邻面板中选择合适的种类放置于数字孪生模型上。该步骤完成后系统自动显示人工牙及基托，整个义齿设计完成。

⑩义齿设计完成后，点击进入系统评价界面，系统进行义齿摘戴过程中、静态咬合、动态咀嚼三种状态下的三维有限元分析，分析义齿及组织受力情况；同时基于AI智能诊断模块，对设计的稳定性、固位力和美观性进行量化分析，并提供优化建议。学生在该步根据系统反馈调整义齿设计。

（四）可摘局部义齿牙体预备

⑪选择手机、车针、口镜等工具：选择系统内置的高速手机、合适的牙备车针及抛光车针。

⑫牙体预备：a）修整轴面：注意保护牙髓、降低基牙外形高点、减小倒凹、预备导平面；b）预备合支托凹：合支托凹为圆三角形或匙形，边缘嵴处宽，向牙合面中心逐渐变窄。宽度为磨牙颊舌径的1/3或前磨牙的1/2，长度为磨牙近远中径的1/4或前磨牙的1/3，厚度为1~1.5mm；c）预备隙卡沟：深度≥1.5mm，避免形成楔形，颊舌外展隙转角处圆钝；d）使用抛光车针对预备体进行精修抛光。

⑬查看预备体最终操作结果：系统将针对预备体的轴面形态、合支托凹及间隙沟的形态进行评价与打分，标记预备过多、不足之处以供学生参考。

考核评分需要记录交互操作流程以及最终操作结果，依据评分表进行校核、统计结果。

一、实验结果

1.虚拟仿真教学与传统实验教学对学生义齿设计能力的影响：①基于数字模型的可逆性，虚拟仿真组学生能够在系统中反复练习，提高各类义齿设计的熟练度；②基于系统力学模块与AI诊断模块的即时反馈，学生无需等待教师指导，可以高效完成设计修改，并深化对义齿设计的理解；③虚拟仿真组学生在随堂测试中具有更高的效率和正确率。

2.虚拟仿真训练使学生牙体预备技能的影响：①虚拟仿真组学生的合支托预备精确性、基牙轴面修整正确性、合曲线调整的合理性等均高于传统教学组。②虚拟仿真组学生在随堂测试中的牙体预备获得更高分数。

二、实验结论：

1.虚拟仿真训练有助于学生对义齿设计方法的掌握：虚拟仿真技术赋能的可摘局部义齿设计课程能够通过反复实践典型案例的设计、力学仿真以及AI智能化评估反馈，缩短学生从理论学习到临床应用的过渡时间，提高学生自主设计义齿的速度和正确率，深化学生对原本十分复杂的义齿设计知识的理解。

2.虚拟仿真训练有助于学生对牙体预备技能的学习：虚拟仿真系统能够在提供精准预备体形态的基础上通过向学生提供量化修改指标，能够明确、高效地指导学生，有助于操作技能的提升。

3.虚拟仿真训练对实验教学有极大应用价值：①虚拟仿真组学生大部分时间均可自行操作并根据系统提示完成修改，极大缩短了教师的教学时间与精力；②AI智能诊断模块的即时反馈能够帮助学生定量地明确自身预备体与标准预备体的差距，便于精准修改；③极大地节省了物力成本，包括手机、车针等工具和模型等消耗品。