虚拟现实的评估经皮肾镜取石术(造廔手术模拟器

1。介绍

经皮肾造廔取石()是治疗肾结石的护理标准大于2厘米。这个过程涉及到两个不同的步骤。首先,外科医生建立访问病人的肾脏通过刺穿皮肤针,喜欢图1一个。穿刺的位置是由使用二维荧光镜的成像技术来满足肾脏的位置。一旦建立了访问,打开的宽度允许外科医生插入一个肾镜抓紧器进入肾脏,如图所示图1 b。使用工具的石头一次删除。

造廔有一个陡峭的学习曲线,需要36-60例实现能力和超过100例达到卓越。当吉尔et al。(2012)看着泌尿外科手术经验的实习生在英国,他们发现平均实习执行或协助造廔手术只有19个在训练期间。为了规范执行造廔手术安全的最低要求(de la玫瑰et al ., 2008)表明,居民应该执行期间造廔手术24例经皮肾造廔手术培训专业技术水平;定义为一个适当的访问和碎石术造廔手术简单复杂介质复杂情况下在严格的监督。

泌尿科医师都引进了各种仿真模型,以帮助学员实现能力水平在较短的时间长度。造廔手术模拟器用于评估技能包括人类尸体、活体动物和虚拟现实(VR)模拟器来模拟人类患者(Strohmaier和Giese, 2005年;克努森et al ., 2006;Mishra et al ., 2010;Papatsoris et al ., 2012;Zhang et al ., 2013)。大部分的文献VR仿真与腹腔镜手术和胃肠内镜(Felsher et al ., 2005)。然而,有一个缺乏训练的疗效数据虚拟现实模拟器endourologic技能,包括造廔。三个研究(克努森et al ., 2006;Mishra et al ., 2010;Papatsoris et al ., 2012)显示,PERC导师模拟器可以提高实习生的表现。Virtual-reality-based模拟器提供客观的反馈,经常积极与病人相关的结果,不同的情况下(布里奇斯et al ., 2015)。然而,他们往往缺乏现实的触觉反馈关键在提高腹腔镜技能培训(平邹et al ., 2016;Alleblas et al ., 2017)。

马里昂造廔手术K181模拟器是一个虚拟现实手术模拟器可以模拟肾脏访问和石头移除程序。它使用触觉力反馈设备向用户呈现与病人的互动和虚拟现实耳机将用户在虚拟手术室。

本文评估了脸和马里昂造廔手术K181模拟器的结构效度。首先,在第二节中,我们回顾一下各种类型的模拟器可供居民训练。然后我们描述的工作元素马里昂造廔手术外科K181模拟器在第三节。第四部分介绍了测试方法和结果,然后讨论了有关的脸和构建验证模拟器。最后,在第五部分我们描述了可能的改进模拟器和方法论。让我们首先考虑当前的方法训练的外科医生。

2。目前的训练方法

传统手术技能是自学通过学徒模式,直到1904年Halstead (1904)开发了旋转居住模式。在这个模型中,医学院毕业生被放置在医院设置最初给出简单的任务。随着他们的发展必要的技能,学生们给出的任务需要越来越多的责任,在一段几乎完全自治的高潮(卡梅隆,1997)。然而,这个模型的一个主要缺点是缺乏客观的评估技术的居民。此外,它很难联系技术技能期间获得居留权和手术结果(Darzi et al ., 1999)。在深入回顾,Meier et al。(2001)检查当前系统的训练和显示的结果有显著差异的教育经验,可以归因于病人流的随机的机会。

仿真技术已经与改善居民的居住模型串联使用知识,手术技巧,和信心;模拟器允许精炼他们的技能在不影响病人的权利得到最好的治疗。这些模拟器不同硅块的现实主义,通过动物模型和解剖学上正确的人体模型,虚拟和现实增强集。

2.1。机械训练师

机械训练可分为两类。低富达机械培训师帮助医学生发展的灵活性。高保真度的模拟器的一个简单的例子是Eisco实验室模块,所示图2一个,这是用于开发缝合组织所需的技能和技巧。这些运动鞋给学生实践的机会特定手动技能(此前et al ., 2008),这意味着他们不需要结构上相似。因此,低忠诚模拟器的培训基本手术技能的手段;他们不这样做,然而,发展学生的判断能力。他们也不能提供客观指标需要判断学生的技能水平。

高保真运动鞋,另一方面,可以在解剖学上正确的以Uro-Scopic™教练图2 b。添加的解剖现实主义和复杂性允许学生练习更复杂的程序使用外科手术工具(此前et al ., 2008)。Uro-Scopic™教练,例如,让学生消除肾结石,膀胱进行考试,并插入支架和导。高保真模拟器这些系统是一种有效的工具在教学医学学生,但是也有局限性。例如,模拟器不承担学生工作能力的设备在手术室。因为这些模拟器使用物理人体模型,只有有限的独特案例供学生的训练。此外,触觉感受产生的人体模型可以从感觉经验的显著差异在手术。这不仅会影响训练的效果,但这也很难确定学生的技能水平。

2.2。动物实验室

动物实验室,一个例子所示图2 c,是另一种类型的模拟器用来训练的外科医生。在这些实验室、动物组织,通常是猪,是用于构建人类的模拟。学生可以与组织像一个真正的病人通过外科手术工具,及手术室设备,如果可用(Strohmaier和Giese, 2005年)。自组织来源于动物感觉现实的联系。根据建设,然而,模拟可能不是在解剖学上准确。维护一个动物实验室的主要担忧是维护的成本。动物组织分解迅速,数量有限的学生可以使用一个人体模型。因此,组织需要经常更换增加长期成本。此外,这种训练方法不提供客观、量化的洞察学生的能力水平。

2.3。PERC导师™

PERC导师™是一个物理模型模型组成的混合模拟人类的侧面和电子组件的模拟仪器、设备,如所示图2 d。用户与一个解剖学上正确的人体模型,为用户提供了触觉感觉。用户也与真正的乐器,如肾镜和责任者,以及虚拟手术室设备,如透视成像显示在屏幕上。PERC导师™用户性能和特性提供了客观的措施在解剖学上正确的模型。然而,它仍然依赖物理人体模型,限制了培训的可能性。这个模拟器评估克努森et al . (2006)的脸,内容,建构效度,克努森et al . (2006),Mishra et al。(2010),Papatsoris et al。(2012)表明,训练的外科医生的模拟器是一种有效的工具。

2.4。虚拟现实模拟器

虚拟现实模拟器不依赖于物理对象提供触觉感受。相反,由机器人触觉系统物理交互呈现,而视觉显示使用一个屏幕或头戴显示设备。用户与一个工具连接到触觉系统衡量用户的位置。基于位置,计算相应的力输出,然后由触觉系统显示。虚拟现实模拟器的一个例子是VirtaMed乌鲁斯人™所示图2 e。由于用户的运动是由触觉记录系统,虚拟现实模拟器可以提供客观的测量用户的性能。另外,因为用户不与物理对象交互,可以包括和添加多个解剖模型以较低的成本,和没有硬件的变化。

呈现真实的图像很简单时提供足够的计算机硬件。它是更加困难,然而,提供现实的生理感觉。所讨论的高露洁和Schenkel (1997)位置数据的量化使触觉设备不稳定时呈现高阻抗。因此,有一个内在限制常规触感设备所产生的阻抗。海沃德·麦克莱恩(2007)解释有限阻抗的影响范围在触觉性能,突出触觉设备的能力来生成详细的材质。因此,虚拟现实模拟器可以训练的外科医生的一个有效的和健壮的工具。一个虚拟现实模拟器的主要限制是现实主义的触觉反馈。现在让我们考虑马里昂的模拟器。

3所示。马里昂造廔手术外科K181模拟器

马里昂外科K181所示图3,是一个虚拟现实手术模拟器,允许用户与虚拟病人在虚拟手术室。系统有三个主要组件:虚拟现实耳机让用户在虚拟手术室,和触觉系统为用户提供了组织模拟触觉力反馈计算。

3.1。虚拟现实手术室

模拟器使用HTC万岁VR耳机来呈现一个虚拟手术室,所示图4 b。耳机呈现在2160×1200的分辨率和刷新90赫兹提供一个身临其境的和现实的形象。跳跃运动控制器捕捉用户的手的位置。位置的数据然后被用来显示表示用户在虚拟现实的手。

虚拟手术室的设计(VROR)是模仿真实的手术室里,如所示图4 b最大化的现实主义。它包括一个由外科医生使用的c臂获得图像的肾脏然后显示在屏幕上,如图所示图4 b。用户可以调整c臂的位置和姿态,使用他们的手,通过跳跃运动控制器,或通过语音指令。VROR的屏幕也可以用来显示视频内窥镜的结束。

在仿真过程中,用户身体与外科内窥镜等工具,针头,责任者。自从VR耳机阻碍用户的观点,VROR VROR工具也代表。这些工具的运动范围受限的触觉设备直接相连。

3.2。触觉系统

用于身体与病人互动的工具连接到2 Entact W4D力反馈设备可以产生一个峰值力的5 n .每个设备都有3主动和被动的自由度(自由度)。两个设备连接到一个工具5活跃的景深,或独立两个工具3活跃的景深。

建立肾访问,外科医生插入一根针穿过皮肤进入病人的肾脏。渲染过程的力反馈,针需要6活跃的景深。由于针的旋转扭矩,然而,是无关紧要的。忽视了针的转动,需要5提供的活动自由度两个机器人触觉所示图5一个。

肾结石删除过程,另一方面,使用两个工具所示完成图5 b独立,连着两个机器人,如图所示图5一个。内窥镜为外科医生提供了视图的肾脏,而抓紧器是用来抓住石头。每个工具连接到其中一个机器人给他们每个人只有3活动自由度没有限制他们的运动。注意,外科医生插入和删除工具作为一个单元;注意,在图5 b抓紧器把石头并不适合通过内窥镜的开幕式。一次,抓紧器插入内窥镜,两个工具成为耦合。因此,内窥镜在任意方向自由移动和旋转,同时提供自由度的力反馈,并抓紧器只能移动和提供力反馈的方向沿着通道的内窥镜。

3.3。组织模拟

力量显示给用户在使用组织仿真软件模拟计算,这也使得透视图像和内窥镜视频提要。组织模拟循环运行异步触觉和视觉循环,在90 Hz刷新率。在的过程中,工具的位置和姿态(s)记录在一个文本文件中。位置数据后用于用户的性能。

自从触觉设备本质上不稳定,模拟使用虚拟模拟的耦合来帮助稳定交互(高露洁et al ., 1995;高露洁和Schenkel, 1997年)。作为一个耦合的结果,设备的阻抗范围是有限的,在极端的情况下,有一个明显的位置工具之间的差异在现实和模拟。然而,这些都是边缘案件力量远远超出外科医生应该使用过程中。

4所示。模拟器评估

肾脏访问和肾结石删除模块提供的马里昂外科K181模拟器脸和建构效度考核独立使用4实验总结表1。

4.1。面验证

面对验证建立一个模拟器是否外观和感觉现实的用户,根据卡特et al。(2005)。建立表面有效性马里昂的模拟器肾脏访问和肾结石删除模块由两组独立测试组成的专家和新手。

以下4.4.1。方法

首先,一组12个主题包括,1医科学生,1居民2临床研究员,8员工外科医生招募来完成一个模拟,他们不得不删除10肾结石。14第二组20个参与者,形成居民,2介入放射科医师,和4参加泌尿科医师,另一方面,任务是建立肾下极花萼的访问。实验结束后,每个参与者完成一份问卷,率5分李克特量表模拟器上的各个方面。问卷调查中,参与者被要求报告他们的意见的质量模拟。这包括目标对象的现实主义从图像输入系统和仪器处理,系统的实用性在练习过程和整个系统的可用性。问题集中在模拟过程的准确性和虚拟体验的现实主义与传统的训练方法。

根据每组的反应,参与反应的平均值和标准偏差计算,所示表3肾脏访问模块,表2肾结石的删除模块。的p价值计算来确定专家和新手用户之间的差异具有统计学意义;零假设指出,专家和新手的反应没有区别。

4.1.2。结果

肾脏访问过程被评为一般现实的95%的参与者,包括所有3专家。结果表明,专家发现模拟器比新手更现实。特别是,专家积极评价目标的现实主义和触觉反馈,与新手相比,他们更多的负面评价。的p价值是相对较高的,0.24和0.20,分别对目标和触觉反馈现实主义,因此拒绝零假设需要进一步测试。专家和新手良好评价视觉现实主义。在一般情况下,两组同意,图像质量,分辨率和亮度的VR耳机是令人满意的。VR耳机的用户也同意,舒适,和延迟图像反应是最小的。一个高p值表明,不得有区别的评估两组。最后,专家们一致认为,手眼协调能力培训模拟器是一个有用的工具,为手术做准备。

肾结石删除被评为积极,平均为78.3%,这项研究的参与者。用户发现模拟器视觉,触觉反馈,器械运动,和解剖现实,评级约3.9。用户同意,模拟器是一个有益的补充教学评估(4.05)(4.41)和泌尿技能。此外,参与者表示,K181好处了传统训练方法。

4.2。构建验证

建立建构效度,根据卡特et al。(2005),模拟器必须区分新手和专家用户。为此,模拟器测试的两个模块组成的两组新手和专家。

4.2.1。准备方法

首先,一群14参与者,由1本科生、4医学生,博士后研究员,5居民,2临床研究员,和1个教员,完成了模拟10石头必须从肾脏中删除。另一方面,20名参与者,包括14个居民,2国际放射科医生和4参加泌尿科医师,任务是建立肾下极花萼的访问。实验前,每个用户被介绍给模拟器并给予一个机会与虚拟现实和触觉系统进行交互。在实验工具路径和工具取向被记录。

收集到的数据被减去平均每个特性的规范化,除以标准差。描述性统计是用来比较不同运动特性的平均值之间的专家和新手的外科医生。逻辑回归训练数据的转发条目是申请经验类的预测。科恩的d效果大小(ES)也被用来评估两组之间的差异的大小。据科恩,ES 0.2到0.5的被认为是小,ES 0.5到1.0被认为是温和的,ES大于1.0被认为是实质性的。肾结石的结果数据删除模块测试和肾结石访问模块所示表4,5分别。

4.2.2。结果

在仿真期间,专家医生完成了石头提取短路径长度与新手相比外科医生(ES = 0.90, 2.06米和3.61米p= 0.034)。专家医生在更短的时间内完成这项任务与新手相比外科医生(ES = 0.7,p= 0.20),尽管两组之间没有差异仪器运动速度(ES = 0.40,p= 0.38)。

相同的相关性不能建立了肾脏的访问过程。造成这种差距的原因可能来自于不同的完成每个过程所需的运动。访问肾脏是一个开放式的要求判断问题的能力;用户可以使用各种方法和访问点来完成它。这些方法可以同样有效,导致类似的结果,但是他们可能需要不同的时间量,需要更短或更长时间运动。此外,大多数的用户动作,在访问过程中,肾脏发生在准备穿刺。的时间和旅行的距离针穿刺过程中,另一方面,是相对较短。在去除肾结石的任务,另一方面,用户必须重复插入到一个开放的工具。一套单独的指标和更多的参与者可以帮助建立肾访问模块的建构效度。

5。讨论

根据Vapenstad et al . (2013,b,2017年),透明的触觉设备在虚拟手术仿真中发挥着关键作用。马里昂的模拟器的透明度可能提高取代电动马达刹车。磁流变制动器可以产生更高的扭矩单位质量或体积比传统电机,如图所示路人et al。(2013)。被动触觉装置,因此,能够产生更广泛的阻抗不稳定的风险。然而,如图所示Lacki和路人(2019),开发一个自由度的被动触觉系统必然会导致控制困难。或者,而不是替换设备的电动马达,刹车可以集成到现有的设计。所证明的路人et al。(2013 b),用一个电动马达配合电动刹车导致一个稳定的触觉交互。

评价建构效度,我们试图区分专家和新手只基于他们的刀位轨迹。结果表明,在肾结石切除过程中,用户的技术水平是相关工具路径长度;有经验的外科医生完成的程序比新手更有效的运动。肾脏访问过程,然而,没有用户的运动之间的相关性及其经验水平。

注意,缺乏相关的肾结石访问数据分析的过程可能是一个限制,不一定是模拟器。更多的专家用户可以找到路径之间的相关性统计和用户的技术水平。此外,还有其他指标可用于评估技能。肾穿刺的位置可能是一个有效的衡量用户的灵活性和判断能力。Hannaford和Sinanan (1999)力,另一方面,表明数据可用于确定用户的技术水平。收集的力和扭矩数据在程序,因此,提高系统的能力来评估用户的技术水平。还有其他的方法可以用来评估工具路径数据。通过收集更多的工具路径从有经验的外科医生可以使用训练好的神经网络,像一个讨论Pao (1989)确定用户的技术水平。这个解决方案可能很难实现,然而,由于任务难度和所需要的试验数训练网络,类似于突出的问题Mazurowski et al。(2008)。

6。结论

马里昂外科K181是一个虚拟现实手术模拟器训练医疗居民用于经皮肾镜取石术过程,即肾结石访问和肾结石。在本文中,我们的脸和建构效度进行测试模拟器基于反馈和有经验的泌尿科医生和医学生的表现。表面测试模拟器参与者被要求评价的有效性的现实主义模拟器。参与者表示,马里恩外科手术预演K181是一种有效的工具,手眼协调能力的训练,模拟器和传统的训练方法提供了好处。根据分数,马里昂K181可以受益于改善触觉现实主义。

根据用户的反馈,马里昂外科K181模拟器是一个有用的工具在泌尿科医师培训。根据调查问卷结果,模拟器可以添加另一个工具帮助居民在他们的技能发展。我们计划继续开发这个系统,重点是触觉反馈和用户分类的技能。同时,我们正在运行一个大的后续研究有更多的参与者,更详细的技术水平分类,和更复杂的算法来分析用户的性能,我们将使用加强本研究的发现。

数据可用性声明

所有数据集生成在这项研究中都包含在这篇文章/补充材料。

作者的贡献

BS领导一个团队建设马里昂外科K181模拟器。此外,BS招募了一个专家团队进行模拟器的测试。女士的团队组成,分别以AB, LC,杰,和TA开发测试程序,测试模拟器,并进行了独立于其他作者的分析数据。BS、MŁ和女士写的手稿专家团队的研究成果的基础上。最后,MŁ,JR,经理,CR手稿编辑。

的利益冲突

BS和MŁ造廔手术是开发团队的一部分K181手术模拟器。模拟器的评估是由外科医生和居民从作者在手臂的长度。

其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

引用