基于虚拟现实与触觉反馈技术...联合阻滞教学平台的研发应用_郑艇.pdf
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1、182临床教学July 2023,Vol.21,No.20Guide of China Medicine基于虚拟现实与触觉反馈技术的腰硬联合阻滞教学平台的研发应用郑 艇1,2*解慧泓1 高 飞1,2,3 龚灿生1,2 叶 鹏1,2(1 福建医科大学省立临床医学院,福建省立医院麻醉科,福建 福州 350001;2 福建省急救中心,福建省“一带一路”联合共建实验室,福建 福州 350001;3 福建省急救中心,福建省急诊医学重点实验室,福建 福州 350001)【摘要】目的 本研究旨在开发一个基于虚拟现实联合触觉反馈技术的腰硬联合阻滞教学平台,并对其进行教学评估。方法 依据志愿者的腰部 CT 和
2、MRI 数据,采用 MIMICS、3DMAX 和 UNITY3D 软件对人体模型进行三维重建,包括腰部脊柱、神经和肌肉组织以及手术环境,并对腰部各层次进行力反馈赋值。20 名学员进行 30 次虚拟训练,由 2 名麻醉医师运用 GRS、Checklist 量表评估平台的易上手程度及学员的掌握水平,应用调查问卷获得学员的教学反馈。结果 随着培训次数的增加,10 次训练后,学员的操作时间稳定在(2.40.2)min。8 次训练后,GRS 评分趋于稳定,10 次训练后 Checklist 评分也开始趋于稳定。调查问卷结果显示,学员认为该平台具有突破黄韧带的真实感、较强的可重复性和促进解剖识别的优点,8
3、0%的学员对平台感到满意。结论 该教学平台可提高学员穿刺的流畅度和细节掌握能力,可作为椎管穿刺教学的一种有效方式。【关键词】教学评估;虚拟现实技术;触觉反馈技术;学习曲线中图分类号:G423.1 文献标识码:B 文章编号:1671-8194(2023)20-0182-04R e s e a r c h a n d A p p l i c a t i o n o f a T e a c h i n g P l a t f o r m f o r C o mb i n e d S p i n a l-E p i d u r a l A n e s t h e s i a b a s e d o n
4、 V i r t u a l R e a l i t y a n d Ha p t i c F e e d b a c k T e c h n o l o g yZHENG Ting1,2*,XIE Huihong1,GAO Fei1,2,3,GONG Cansheng1,2,YE Peng1,2(1 Department of Anesthesiology,Shengli Clinical Medical College of Fujian Medical University,Fujian Provincial Hospital,Fuzhou 350001,China;2 Fujian P
5、rovincial Co-Constructed Laboratory of“Belt and Road”,Fujian Emergency Medical Center,Fuzhou 350001,China;3 Fujian Provincial Key Laboratory of Emergency Medicine,Fujian Emergency Medical Center,Fuzhou 350001,China)Abstract Objective Thepurposeofthisstudyistodevelopavirtualplatformforcombinedspinal-
6、epiduralanesthesiathatmergesvirtualrealitytechnologywithhapticfeedbacktechnology,whileevaluatingitseffectiveness.Methods BasedonvolunteerslumbarCTandMRIdata,a3Dreconstructionofthehumanmodelincludingthelumbarspine,nervesandmuscletissues,andthesurgicalenvironmentwasperformedusingMIMICS,3DMAXandUNITY3D
7、software,andforcefeedbackwasassignedtoeachlevelofthelumbarregion.20studentsunderwent30virtualtrainingsessions,andtwoanesthetistsusedGRS,checklistscalestoevaluatetheplatformseaseofuseandstudentsmasterylevel,andaquestionnairewasusedtoobtainteachingfeedbackfromthestudents.Results Withanincreasingnumber
8、oftrainingsessions,thestudentsoperationtimestabilizedat(2.40.2)minutesafter10trainingsessions.GRSscoresstabilizedafter8trainingsessionsandChecklistscoresbegantostabilizeafter10trainingsessions.Thequestionnaireshowedthatthestudentsfoundtheplatformhadtheadvantagesofrealisticsensationofpuncturingthelig
9、amentumflavum,beinghighlyrepeatable,andfacilitatinganatomicalrecognition.80%ofthestudentsweresatisfiedwiththeplatform.Conclusion Theteachingplatformimprovestraineesfluencyandmasteryofdetailinpuncture,whichcanbeaneffectivewayofteachingspinalpuncture.Key words Teachingassessment;Virtualrealitytechnolo
10、gy;Hapticfeedback;Learningcurve椎管内麻醉在分娩、泌尿外科手术、下肢骨科手术及慢性疼痛处理方面相较于全身麻醉有着无法替代的优势1-2。然而椎管内穿刺属于侵入性操作,初学者因缺乏临床经验在进行盲目穿刺时会显著增加硬膜外穿破后头痛以及血管损伤的发生率。这些风险及并发症使学员获得独立操作的机会大大减少。当前广泛应用于临床教学的标准化解剖模型无法精确还原解剖层次。针对椎管穿刺操作,体验穿刺针接触不同解剖层次的触觉反馈变化是一种重要的提示针尖位置和帮助操作者调整穿刺路径的方法,也是帮助初学者掌握该操作的重要临床体验。目前国内外尚未有将力反馈技术全程运用于椎管内麻醉教学的相关
11、报道。笔者所在团队将虚拟现实与触觉反馈技术相结合,开发了虚拟腰硬联合阻滞教学平台,克服了模型教学的缺点,为学员提供高仿真、可重复操作的训练环境,并加深学员对椎管解基金项目:福建省本科高校教育教学改革研究重大项目(FBJG20200022);福建省社会发展引导性项目(2021Y0050);福建医科大学教育教学改革研究项目(J200026);福建医科大学教育教学改革研究项目(J21021)*通信作者:郑艇,E-mail:DOI:10.15912/ki.gocm.2023.20.055183临床教学2023 年 7 月第 21 卷 第 20 期中国医药指南剖的理解。本研究主要通过观察和研究学员的模拟
12、培训、评估教学效果及反馈来检验该平台的教学成果。1资料与方法1.1 建立模型 选择1名25岁男性健康志愿者的腰部CT和MRI影像学资料进行三维重建,该志愿者BMI为20.2 kg/m2,既往无手术史和外伤史,通过X线检测显示腰椎正常。采用MMICS 21.0软件进行阈值分割和区域生长,提取肌肉、韧带、脊柱和神经等结构,重建各部分的3D模型。采用3D MAX 2020软件将L15椎体、棘上韧带、棘间韧带、黄韧带、背部肌肉及神经等解剖结构的模型进行整合。根据健康志愿者的影像学资料,调整各部分的位置及结构厚度,并绘制全身皮肤贴图,创造手术室环境。在穿刺时,系统提示穿刺针矢状面、水平面最大偏移角度及穿
13、刺针深度。在穿刺结束后,通过隐藏不同解剖结构,可显示穿刺针的位置以判断穿刺失败的原因(图1A)。最终将生成的模型转换为FBX格式文件,导入UNITY 3D 2018虚拟现实开发平台,并将其设计成可交互的虚拟腰硬联合阻滞教学模型(图1B)。1.2 触觉赋值 招募20名椎管内穿刺经验丰富(人均超过200次椎管内麻醉)的麻醉医师参与力反馈模拟器数据采集工作3。采用3个自由度的Geomagic Touch X力反馈装置作为触觉设备(图1C)。根据临床经验对穿刺行径过程中针尖接触不同组织时所产生的触觉反馈进行赋值。对白色框中的“Gain”系数进行调整,其单位为0.1(图1D)。取各感觉事件系数的均值,其
14、中系数1的值约为7 N。感觉事件主要包含以下:消毒刷接触皮肤的力。穿刺针在皮下组织中感受到的力。穿刺针在棘上韧带感受到的力。穿刺针在棘间韧带感受到的力。穿刺针穿刺至黄韧带时的力。穿刺针在硬脊膜感受到的力。穿刺针触及骨表面的力。图1 模型建立注:A.虚拟椎管内穿刺模型;B.虚拟教学平台建立完成;C.佩戴设备进行虚拟穿刺;D.力反馈系数调整界面:白色框中调节“Gain”参数。1.3 虚拟仿真培训及实施 本研究纳入福建医科大学麻醉学系20名未有过椎管内穿刺经验的实习生,部分入选者学习过椎管内穿刺相关知识或观摩过临床操作,但均无临床或模拟器的实际穿刺操作经验。在培训前,获得每位学员的知情同意,并填写1
15、份问卷以评估其在椎管内麻醉的培训经验。20名学员均接受60 min的关于正中入路腰硬联合阻滞的理论教学,内容是临床操作演示和演示视频播放。在完成教学内容后,每人每日在虚拟模型上训练5次,每次休息15 min,连续训练6 d,完成30次训练。为了避免每个学员相互观察,均单独进行训练。本研究运用虚拟现实联合触觉反馈技术完成了腰硬联合阻滞教学平台的建立。所有参与者均佩戴HTC VIVE设备,坐在经过改造的桌面平台前,通过VR眼镜观察虚拟模型及场景,采用Geomagic Touch X力反馈设备,对标准体质量及年龄的计算机虚拟患者进行正中入路椎管内穿刺。每个穿刺步骤都根据临床操作设计完成,依次包括定位
16、穿刺点、消毒、铺巾、局部麻醉、硬膜外穿刺、腰麻针穿刺、硬膜外腔置管。在穿刺结束后,出现解剖学习界面,识别背部不同肌肉的解剖位置、形态,巩固知识。1.4 评价指标 由2名经验丰富的麻醉医师使用总体评分表(Global Rating Scale,GRS)4、Checklist检查表对学员的操作表现进行评估4,主要评估指标包括GRS评分、Checklist评分以及从确定穿刺点到固定好硬膜外导管的操作全程时间。运用20名学员的操作全程时间拟合关于操作次数的学习曲线,并绘制GRS评分、Checklist评分随操作次数的变化曲线,评估平台的易上手程度及学员的学习效果。在训练结束后,每位学员完成1份关于虚拟
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