COMPUTERIZED VIRTUAL REALITY SIMULATION IN PRECLINICAL DENTISTRY: CAN A COMPUTERIZED SIMULATOR REPLACE THE CONVENTIONAL PHANTOM HEADS AND HUMAN INSTRUCTION?

• Plessas A.

Abstract

In preclinical dental education, the acquisition of clinical, technical skills, and the transfer of these skills to the clinic are paramount. Phantom heads provide an efficient way to teach preclinical students dental procedures safely while increasing their dexterity skills considerably. Modern computerized phantom head training units incorporate features of virtual reality technology and the ability to offer concurrent augmented feedback. The aims of this review were to examine and evaluate the dental literature for evidence supporting their use and to discuss the role of augmented feedback versus the facilitator's instruction. Adjunctive training in these units seems to enhance student's learning and skill acquisition and reduce the required faculty supervision time. However, the virtual augmented feedback cannot be used as the sole method of feedback, and the facilitator's input is still critical. Well-powered longitudinal randomized trials exploring the impact of these units on student's clinical performance and issues of cost-effectiveness are warranted.

Keywords:dental education, faculty, simulation training

Хирургическая стоматология - ресурсо­емкая область клинического образо­вания [1]. Развитие клинической компе­тентности в этой области требует освоения больших объемов знаний, приобретения клинических навыков и способности решать определенные проблемы [1]. В частности, к важным клиническим навыкам в хирур­гической стоматологии относятся подготов­ка и восстановление кариозных полостей. Студент должен понять принципы выполне­ния процедур и выработать навыки мелкой моторики [2]. Приобретение клинических и технических навыков, а также их исполь­зование в клинике, где проходят лечение реальные пациенты, имеют первостепенное значение [3]. Результат достигается благо­даря активному использованию стоматоло­гических фантомов в процессе обучения [4].

Использование стоматологических фанто­мов - эффективный и безопасный способ обучения студентов стоматологическим процедурам в рамках доклинической под­готовки, который значительно улучшает психомоторные навыки [4, 5].

Использование стоматологических фан­томов стало основой обучения хирургиче­ской стоматологии во всем мире с момента их введения в 1894 г. [4]. Стоматологический фантом прикрепляется к хирургической сто­матологической установке вместе с туло­вищем таким образом, чтобы обеспечить регулирование положения установки; это позволяет студентам работать в сидячем по­ложении по аналогии с клиническими усло­виями [3]. Фантомы обычно имеют резино­вые маски, имитирующие нижнюю часть лица пациента с открытым ртом (рис. 1) [3].

Стоматологические фантомы позволя­ют имитировать реальные клинические условия, в том числе расположение опера­тора и пациента, выполнение стоматоло­гических процедур с помощью ассистента и процедуры, связанные с инфекционным контролем [3]. Традиционно, в ходе до­клинического симуляционного обучения студентам показывают модели, диаграммы и изображения и предлагают многократно выполнить стоматологические процедуры на пластиковых зубах стоматологических фантомов [6]. После выполнения всего или части задания по подготовке полости либо зуба учащиеся получают вербальную об­ратную связь от преподавателя (рис. 2) [7].

В последние годы технологические достижения способствовали внедрению технологии моделирования виртуальной реальности в доклиническое хирургическое стоматологическое обучение. Симуляторы, использующие виртуальную реальность, помогают интегрировать клинические сценарии в обучение, а так­же облегчают процесс приобретения так­тильных диагностических навыков [1]. На сегодняшний день доступно 2 типа сто­матологических симуляторов с функцией моделирования виртуальной реальности: учебные манекены, на которых можно выполнять определенные стоматологи­ческие процедуры с использованием на­стоящих стоматологических инструментов (например, Leonardo, DentSimTM, Image Guided ImpLantoLogy IGI), и тренажеры, оборудованные хептическим устройством для передачи тактильных ощущений и виртуальными моделями человеческих зубов или ротовой полости, используемы­ми в качестве платформы для отработки стоматологических процедур (например, PHANToMTM, стоматологическая обучаю­щая система с функцией моделирования виртуальной реальности VRDTS, стома­тологический хирургический симулятор Iowa, HapTEL, VirDenT и стоматологиче­ская обучающая система Moog Simodont) [1, 5, 6].

Компьютерные симуляторы, вклю­чающие учебные манекены, сочетают в себе преимущества обучения при ис­пользовании традиционных стомато­логических фантомов [3] с преимуще­ствами моделирования виртуальной реальности [8]. Эти компьютерные симуляторы виртуальной реальности (КСВР) находятся в центре внимания данного обзора.

Цель этого обзора состояла в изуче­нии и оценке существующей литературы по использованию КСВР в доклиниче­ском стоматологическом обучении. Также в статье обсуждается влияние системы на успеваемость и учебный опыт, сравнива­ется роль преподавателя кафедры и рас­ширенная обратная связь со стороны этих систем в процессе симуляционного обуче­ния, нацеленного на приобретение клини­ческих навыков.

МЕТОДЫ

Поиск литературы осуществлялся че­рез агрегатор EBSCO по базам данных MedLine, British EducationaL Index и ERIC. Используемые поисковые термины и стра­тегия поиска представлены в табл. 1. Также в обзор были включены статьи, в которых КСВР обсуждались с точки зрения доклинического стоматологиче­ского обучения. Исследования с исполь­зованием КСВР в ходе последиплом­ного стоматологического образования, а также исследования с использованием систем имитационного моделирования с тактильными технологиями были ис­ключены из обзора. На предмет включе­ния рассматривались только исследова­ния на английском языке. Ограничения, касающиеся дизайна исследований, от­сутствовали.

Ссылки на первоисточники, получен­ные в результате вышеуказанного поис­ка (79), были вставлены в программное обеспечение по управлению ссылками Endnote X7.4. Названия и аннотации были отфильтрованы на релевантность. Что касается потенциально релевантных документов (33), к ним был получен до­ступ, и они были прочитаны в полном объеме. Процесс отбора включенных исследований и причины исключения представлены на блок-схеме PRISMA (рис. 3).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Влияние на академическую успеваемость студентов

Из 79 найденных статей 16 были при­знаны релевантными и включены в этот обзор. В этих статьях 5 проспективных экс­периментальных исследований оценивали академическую успеваемость студентов при подготовке ротовой полости после дополни­тельного обучения с использованием КСВР. Основные характеристики и результаты этих исследований представлены в табл. 2.

Что касается качества подготовки зубов, большинство исследований не выявило су­щественных различий между студентами, обучавшимися на обычных стоматологиче­ских фантомах, и теми, кого обучали с ис­пользованием КСВР [2, 13, 15, 16].

H. Kikuchi и соавт., напротив, проде­монстрировали, что студенты, использо­вавшие КСВР в ходе обучения, показали лучшие результаты подготовки зуба под коронку по сравнению со студентами, не использовавшими КСВР [9]. Аналогично, когда студенты-стоматологи первого года обучения проходили 8-часовое дополни­тельное обучение с использованием ком­пьютерного моделирования, несмотря на то что в начале исследования они пока­зали себя лучше, итоговый практический экзамен показывает, что их успеваемость, касающаяся приобретения клинических навыков, не отличалась. [12]. В ходе ана­лиза запоминания и применения навыков в нескольких исследованиях не выявлено существенных различий в оценках ито­гового практического экзамена [12, 14, 17]. Le Blanc и соавт. не выявили ника­ких заметных различий в итоговых экза­менационных оценках, но отметили бо­лее значимое улучшение между первыми и итоговыми оценками в группе КСВР [2].

В то же время Maggio и соавт. предпо­ложили, что использование КСВР в докли­ническом обучении стоматологическим дисциплинам привело к уменьшению ча­стоты случаев повторного прохождения курса и снижению частоты случаев про­вала экзамена более чем в 2 раза [18, 19].

Эффективность использования времени обучения

В ходе экспериментального иссле­дования в Университете Пенсильвании студенты, проходившие обучение с ис­пользованием КСВР, продемонстрировали более высокие результаты при выполне­нии заданий по подготовке ротовой по­лости по сравнению со студентами, про­ходившими обучение с использованием традиционных стоматологических фанто­мов [14]. В частности, они могли подго­товить значительно большее количество зубов за 1 ч (3,8 против 1,6) и использова­ли большее число зубов (в среднем 11,71 против 6,57, р=0,02) во время трениро­вочной сессии [14]. Аналогично обучение с использованием КСВР сокращало вре­мя обточки зубов под коронку у студентов V курса Медицинского и стоматологическо­го университета Токио [9]. Кроме того, симуляторы, использующие виртуальную ре­альность, по-видимому, сокращают время, необходимое на обучение и кураторство со стороны преподавателей [14]. Jasinevicius и соавт. продемонстрировали, что студен­там, при обучении которых использовались обычные тренажеры, требовалось в 5 раз больше учебного времени со стороны пре­подавателей, чем студентам, которые обу­чались с помощью КСВР [15]. В то же время никаких статистически значимых различий в качестве отбточки зубов независимо от учебного времени не выявлено.

Опыт обучения студентов

В нескольких исследованиях изуча­ли предпочтения студентов-стоматологов, касающиеся выбора традиционного симуляционного обучения с использованием фантомов или обучения с использованием виртуальной реальности. Студенты пози­тивно оценивают обучение с использова­нием КСВР. Большинство (87,3%) студентов-первокурсников из Стоматологической школы Теннесси, использующей КСВР в процессе обучения, оценили подобный опыт как очень интересный или интересный [11]. Среди положительных особенностей использования симуляторов виртуальной реальности студенты-стоматологи отмечали положительное влияние на улучшение их практических навыков и мелкой моторики [14], увеличение скорости работы и коли­чества подготовленных зубов [10,14], до­ступность обратной связи [16], возможность контролировать свою работу без участия преподавателя [10, 16], получение оценки и ее логичность [13, 16], а также возмож­ность самостоятельного обучения [10, 16].

Студенты критиковали КСВР за чрез­мерную обратную связь, отсутствие личного контакта и технические трудности в процес­се работы с аппаратным обеспечением [13, 16]. Кроме того, студенты согласились с тем, что тренажеры виртуальной реальности не могут полностью заменить обычные сто­матологические фантомы, а их совместное использование они считают наиболее пред­почтительным и эффективным способом обучения [13, 16]. В то же время студенты отметили, что обратная связь и кураторство со стороны преподавателей кафедры могут быть непоследовательными, преподавате­ли бывают слишком заняты, но это все же повышает их уверенность в выполнении за­даний по подготовке полости рта [13, 16].

Обратная связь

О качестве и эффективности обучения и обратной связи в нескольких исследова­ниях было высказано следующее: симуля­тор виртуальной реальности не может быть принят как единственная форма обратной связи и оценки успеваемости студентов. В частности, A. Urbankova [12] пришла к выводу, что расширенная обратная связь (от КСВР) не может заменить кураторство со стороны преподавателя. Quin и соавт. предположили, что КСВР не подхо­дит в качестве единственного метода для получения обратной связи и оценки для студентов-стоматологов первых курсов [13, 16]. Это утверждение согласуется с бо­лее поздним исследованием, в котором обратная связь только со стороны КСВР не была признана полезной, поскольку оценки теста на запоминание и приме­нимость знаний у студентов, обучавшихся с использованием КСВР, и студентов, при обучении которых использовались стан­дартные стоматологические фантомы, существенно не различались [17]. Анало­гично Wierinck и соавт. [7] предположили, что чередование виртуальной реальности и кураторства со стороны преподавателей, а также использование различных спосо­бов для предоставления студентам обрат­ной связи может привести к положитель­ным результатам обучения.

ОБСУЖДЕНИЕ

Роль симуляционного обучения была признана важным аспектом обучения в области здравоохранения, поддержи­вающим и улучшающим безопасность па­циентов [20]. Моделирование с использо­ванием технологий, в том числе обучение с использованием виртуальной реальности, было связано с положительными ре­зультатами в отношении знаний и навы­ков студентов-медиков.

Использование тренажеров виртуаль­ной реальности для обучения студентов-медиков первых курсов описывается в не­скольких систематических обзорах [22-26]. В ходе лапароскопической хирургии этот метод продемонстрировал значительное сокращение времени работы и количества процедурных ошибок при одновременном улучшении успеваемости студентов [23, 24]. Кроме того, 2 последних системати­ческих обзора Кохрановского сообщества в области эндоскопии и ЛОР-хирургии показали, что имитация виртуальной ре­альности может быть использована для дополнения традиционной хирургической подготовки студентов-медиков и при под­готовке студентов-хирургов с небольшим опытом или без него [25, 26]. Тем не ме­нее авторы пришли к выводу, что обучение с использованием виртуальной реально­сти позволяет учащимся развивать техни­ческие навыки по крайней мере такого же уровня, как и навыки, получаемые с помо­щью традиционных методов обучения.

Аналогично обучение стоматологиче­ским навыкам с использованием КСВР потенциально может улучшить успевае­мость студентов при освоении клиниче­ских навыков, а также повысить их оценки по практическим экзаменам [9, 12, 13, 17]. Расширенная обратная связь с помощью визуальных ориентиров может облегчить правильную координацию глаз и умень­шить количество процедурных ошибок [12]. Осознание собственных ошибок в процессе их возникновения позволяет студентам визуально оценить свою работу, сравнив ее с идеальной моделью [16, 17], и сразу исправить недочеты, что потенциально может повысить эффективность обучения и ускорить развитие навыков [12]. Несмотря на то что казалось, будто студенты демонстрировали лучшую успе­ваемость сразу после обучения с исполь­зованием КСВР, их успеваемость, касаю­щаяся освоения клинических навыков, на финальных экзаменах не отличалась от успеваемости студентов, которые обу­чались исключительно на традиционных стоматологических фантомах [12, 14, 17]. Вероятно, это можно объяснить тем, что переключение с одной задачи на другую зависит от сходства требований, касаю­щихся обработки информации нашими нейронными связями, которая, в свою очередь, лежит в основе нашей моторики [17]. Кроме того, переносимость навыков из одного контекста в другой - совсем не­тривиальное открытие в области симуляционного обучения в здравоохранении.

REFERENCES

1. Duta M.A., Bogdan C.M., Popovici D.M., et al. An overview of virtual and augmented reality in dental education. Oral Health Dent Manage. 2011; 10: 42-9.

2. LeBlanc V.R., Urbankova A., Hadavi F., Lichtenthal R.M. A preliminary study in using virtual reality to train dental students. J Dent Educ. 2004; 68: 378-83.

3. Suvinen T.I., Messer L.B., Franco E. Clinical simulation in teaching preclinical dentistry. Eur J Dent Educ. 1998; 2: 25-32.

4. Fugill M. Defining the purpose of phantom head. Eur J Dent Educ. 2013; 17: e1-4.

5. Kapoor S., Arora P., Kapoor V., Jayachandran M., et al. Haptics - touchfeedback technology widening the horizon of medicine. J Clin Diagn Res. 2014; 8: 294-9.

6. Buchanan J.A. Use of simulation technology in dental education. J Dent Educ 2001; 65: 1225-31.

7. Wierinck E., Puttemans V., van Steenberghe D. Effect of reducing frequency of augmented feedback on manual dexterity training and its retention. J Dent. 2006; 34: 641-7.

8. Wierinck E.R., Puttemans V., Swinnen S.P., van Steenberghe D. Expert performance on a virtual reality simulation system. J Dent Educ. 2007; 71: 759-66.

9. Kikuchi H., Ikeda M., Araki K. Evaluation of a virtual reality simulation system for porcelain fused to metal crown preparation at Tokyo Medical and Dental University. J Dent Educ 2013; 77: 782-92.

10. Rees J.S., Jenkins S.M., James T., et al. An initial evaluation of virtual reality simulation in teaching pre­clinical operative dentistry in a UK setting. Eur J Prosthodont Restor Dent. 2007; 15: 89-92.

11. Welk A., Maggio M.P., Simon J.F., et al. Computer-assisted learning and simulation lab with 40 DentSim units. Int J Comput Dent. 2008; 11: 17-40.

12. Urbankova A. Impact of computerized dental simulation training on preclinical operative dentistry examination scores. J Dent Educ. 2010; 74: 402-9.

13. Quinn F., Keogh P., McDonald A., Hussey D. A pilot study comparing the effectiveness of conventional training and virtual reality simulation in the skills acquisition of junior dental students. Eur J Dent Educ. 2003; 7: 13-9.

14. Buchanan J.A. Experience with virtual reality-based technology in teaching restorative dental procedures. J Dent Educ. 2004; 68: 1258-65.

15. Jasinevicius T.R., Landers M., Nelson S., Urbankova A. An evaluation of two dental simulation systems: virtual reality versus contemporary non-computer-assisted. J Dent Educ. 2004; 68: 1 151-62.

16. Quinn F., Keogh P., McDonald A., Hussey D. A study comparing the effectiveness of conventional training and virtual reality simulation in the skills acquisition of junior dental students. Eur J Dent Educ. 2003; 7: 164-9.

17. Wierinck E., Puttemans V., Swinnen S., van Steenberghe D. Effect of augmented visual feedback from a virtual reality simulation system on manual dexterity training. Eur J Dent Educ. 2005; 9: 10-6.

18. Maggio M.P., Berthold P., Gottlieb R. Curriculum changes in preclinical laboratory education with virtual reality-based technology training. J Dent Educ. 2005; 69: 160.

19. Maggio M.P., Berthold P., Gottlieb R. Virtual Reality-Based Technology (VRBT) training positively enhances performance on preclinical practical examinations. J Dent Educ. 2005; 69: 161.

20. Cheng A., Kessler D., Mackinnon R., et al. Reporting guidelines for health care simulation research: extensions to the CONSORT and STROBE statements. Simul Healthc. 2016; 1 1: 238-48.

21. Cook D.A., Hatala R., Brydges R., et al. Technology-enhanced simulation for health professions education: a systematic review and meta-analysis. JAMA. 2011; 306: 978-88.

22. Larsen C.R., Oestergaard J., Ottesen B.S., Soerensen J.L. The efficacy of virtual reality simulation training in laparoscopy: a systematic review of randomized trials. Acta Obstet. Gynecol. Scand. 2012; 91: 1015-28.

23. Gurusamy K., Aggarwal R., Palanivelu L., Davidson B.R. Systematic review of randomized controlled trials on the effectiveness of virtual reality training for laparoscopic surgery. Br J Surg. 2008; 95: 1088-97.

24. Ikonen T.S., Antikainen T., Silvennoinen M., Isojarvi J., et al. Virtual reality simulator training of laparoscopic cholecystectomies - a systematic review. Scand J Surg. 2012; 101: 5-12.

25. Piromchai P., Avery A., Laopaiboon M., Kennedy G., et al. Virtual reality training for improving the skills needed for performing surgery of the ear, nose or throat. Cochrane Database Syst Rev. 2015: CD010198.

26. Walsh C.M., Sherlock M.E., Ling S.C., Carnahan H. Virtual reality simulation training for health professions trainees in gastrointestinal endoscopy Cochrane Database Syst Rev. 2012: CD008237.

27. Palter V.N., Grantcharov T.P. Virtual reality in surgical skills training. Surg Clin North Am. 2010; 90: 605-17.

28. Dawe S.R., Windsor J.A., Broeders J.A., Cregan P.C., et al. A systematic review of surgical skills transfer after simulation-based training: laparoscopic cholecystectomy and endoscopy. Ann Surg. 2014; 259: 236-48.

29. Kennedy C.C., Maldonado F., Cook D.A. Simulation-based bronchoscopy training: systematic review and meta-analysis. Chest. 2013; 144: 183-92.

30. Hatala R., Cook D.A., Zendejas B., Hamstra S.J., et al. Feedback for simulation-based procedural skills training: a meta-analysis and critical narrative synthesis. Adv Health Sci Educ Theory Pract. 2014; 19: 251-72.

31. Salmoni A.W., Schmidt R.A., Walter C.B. Knowledge of results and motor learning: a review and critical reappraisal. Psychol Bull. 1984; 95: 355-86.

32. Van Merrienboer J.J., Sweller J. Cognitive load theory and complex learning: recent developments and future directions. Educ Psychol Rev. 2005; 17: 147-77.

33. Winstein C.J., Schmidt R.A. Reduced frequency of knowledge of results enhances motor skill learning. J Exp Psychol Learn Mem Cogn. 1990; 16: 677-91.

34. Sevdalis N., Nestel D., Kardong-Edgren S., Gaba D.M. A joint leap into a future of high-quality simulation research-standardizing the reporting of simulation science. Simul Healthc. 2016; 1 1: 236-7.

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)