基於虛擬現實觸覺模擬器的腹腔鏡力量和精神運動技能客觀評估

大多數市售的基於虛擬現實的腹腔鏡模擬器不能有效地評估組合的精神運動和基於力的腹腔鏡技術。因此，缺乏關於這些關鍵技能的培訓導致了術中錯誤。為了評估新型虛擬現實模擬器的有效性，本研究分析了術者和專家外科醫生的綜合心理運動（即運動或運動）和力量技能。 本研究還研究了實時視力反饋和工具運動在訓練中的有效性。評估了雙手基礎（即探測、拉、掃、抓、捻）和複雜任務（如組織剝離）。 在這兩個任務中，提供了施加力和刀具運動的視覺反饋。 參與者在完成早期任務時的技能是在沒有視覺反饋的情況下進行評估的。 參與者進行了5次重複的基礎性和複雜性任務。 反作用力和儀器加速度被用作指標。

參與者:

術者（N?25；研究生和外科醫生與O2年腹腔鏡手術）和外科專家（N?25；醫生44和R10年腹腔鏡手術）。

結果:

術者使用大型部隊與專家外科醫生相比，並進行突然的工具運動（P o 0.001）。然而，視覺T觸覺反饋改善術者的表現（P o 0.001）。在複雜的任務中，視覺t觸覺反饋不影響專家外科醫生的應用力，但影響他們的工具運動（P o 0.001）。此外，在複雜的組織清掃任務，專家外科醫生施加更多的力量，但在組織損傷範圍內。兩組在抓取、探查或牽拉、組織清掃等動作時，均能產生較大的力量和突然的工具運動（P o 0.001）。

結論：

以現代課程為基礎的培訓應以熟練的腹腔鏡和強健的力量和精神運動為基礎來評估術者的技能。在訓練過程中對力量和動作的視覺反饋有可能提高術者的學習曲線。

介紹

腹腔鏡手術已經廣泛地取代開放手術，因為它在手術和手術後恢復中對患者有優勢。由於反轉和遠處進入手術部位，觸覺反饋被腹腔鏡手術器械改變。這導致過度的力量的運用。許多術中誤差，如組織損傷，是因為力量大而突然的刀具運動。因此，要通過適合的工具移動來應用精確和準確的力量，腹腔鏡操作者應接受基礎和複雜技能的培訓。基於虛擬現實（VR）的訓練與觸覺反饋已被證明為術者和專家外科醫生提供基礎和核心腹腔鏡技術。然而，基於現代VR的腹腔鏡培訓課程並沒有有效地教導綜合的精神運動和基於力量的腹腔鏡技巧，因為大多數技能評估指標都是基於儀器運動和任務完成時間。

另外，以前基於VR的基礎和複雜技能評估的研究側重於客觀地評估精神運動技能。為了避免過度的勞動力和突然的工具移動，重要的是要提高術者和專家外科醫生的力量感知和精神運動技能。這可以通過傳授綜合的精神運動和基於力量的訓練來實現。此外，專家外科醫生和術者的力量和運動能力差異很大。這些技能高度依賴於任務的性質（即基本的或複雜的任務）。

過去幾項關於腹腔鏡力量技術的研究表明，在某些任務中，術者與專家外科醫生相比施加較大的力量，而在其他任務中，專家外科醫生應用較高的力量。這表明在腹腔鏡手術中，術者和專家外科醫生的力量減弱。因此，除精神運動技能外，迫切需要增強基於力量的腹腔鏡技巧。在我們的研究中，我們使用組合的力和運動指標來量化腹腔鏡技巧，使用新穎的定製的基於觸覺的VR腹腔鏡模擬器。應用力量被認為是腹腔鏡手術中技能評估的關鍵指標。這是因為過去的研究已經證明，單獨的視覺提示不能提供組織操縱期間與組織的力參數或觸覺特性相關的所有必要信息，並且單獨的位置或運動指標不能有效地表明術者和專家外科醫生的技能水平。

目標

在本研究中，我們的主要目標是使用聯合力量和精神運動指標來分析經驗對基礎和複雜腹腔鏡手術任務的影響。 第二個目標是檢查在基礎和複雜的訓練任務中，實時動態視覺反饋對應用力和儀器運動數據是否能改善性能。 第三個目標是評估我們定製的基於VR的腹腔鏡模擬器在區分術者的力量和精神運動特徵與專家外科醫生的功效。

材料和方法

總共有50名既往沒有肌肉骨骼、認知或精神運動障礙的健康志願者自願參與了實驗。 受試者平均分為2組，即術者和專科外科醫生（表1）。 受試者對實驗的性質沒有事先了解。 所有受試者的人口統計信息均通過問卷調查獲得。 所有受試者在參與研究之前簽署了知情同意書。 受試者在實驗前進行了熟悉試驗。 受試者每個基本和複雜任務進行了5次重複。 完成1個科目的評估需要1.5個小時。 在一天中，共花了7.5個小時來評估5個科目的技能。

基於觸覺的腹腔鏡模擬器的設計

模擬器具有刀具運動的5度自由度（DoF）（圖1A）。 它可以模擬腹腔鏡手術的所有基本操作，如抓、掃、拉、探、舉、扭。 所有5個DoF都可以獲得關於刀尖運動和力的反饋（圖1B）。 模擬器的特性如表2所示。每個DoF與直流電機和高解析度光學編碼器（用於偏航，俯仰和滾動的3500 CPR;用於抓取和扭轉的512 CPR）耦合。

實驗設置和程序

模擬器由5-DoF雙向觸覺裝置組成，其與具有電子的計算機系統連接

表1.受試者的分類

圖1.腹腔鏡模擬的雙手觸覺裝置：（A）前視圖和（B）後視圖。

輸入輸出通信板。 在計算機系統的監視器上顯示由雙手基本（即易位的釘，拉伸、扭曲、探測、拉）和複雜任務（例如，組織解剖）組成的虛擬環境。 雙手觸覺裝置與虛擬環境介面，使得虛擬工具模仿用戶在腹腔鏡觸覺裝置上執行的運動。 觸覺反饋更新率為2 kHz，圖形反饋更新率為65 Hz。 在實驗開始之前，通過問卷調查獲得受試者的人口統計信息。

實驗分為兩個階段，即基本任務階段和複雜任務階段。為了避免結轉，任務和反饋條件是隨機的。每個階段由以下2個反饋條件組成：（1）僅觸覺（沒有對施加的力和工具運動的視覺反饋）和（2）視覺觸覺（除了觸覺，在施加的力和刀具運動上提供視覺反饋） 。在實驗的第一階段的第一階段，指導受試者進行骨轉運任務。任務是通過抓取和提升，探測環和圓筒，雙向拉伸和拉環環和三角形，以及使用雙手5-DoF觸覺裝置扭轉可變形環（圖2A），將環從圓筒轉移到另一個。骨轉移任務包括基本的腹腔鏡基礎力量和基於運動的任務，例如用力觸覺反饋裝置的力探測，拉動，推動，提升，強力掃掠和基於力的夾持。在第一階段的第二階段，除了觸覺反饋之外，在任務期間，將視覺和運動曲線反饋傳送到同一監視器上的對象。視覺反饋顯示了在虛擬環境中的工具 - 對象交互期間牛頓中施加的總力，以及刀尖運動的加速度曲線。

在相位1的兩個階段，同時記錄了來自腹腔鏡模擬器的施加力和儀器運動數據。 一旦對象完成了轉移任務，在實驗第二階段開始之前提供了20分鐘的時間間隔。 在實驗的第二階段，受試者用雙手觸覺裝置進行複雜的組織操作任務（圖2B）。 任務是使用基本技能操縱組織。 實驗設置，視覺反饋呈現和數據記錄機制與第一階段相似。

數據分析與統計

力和加速度被認為是評估組織處理技能的標準指標。 使用由雙手觸覺裝置在活動的工具對象碰撞或相互作用期間產生的反作用力（F）計算力量度。 該度量被稱為最大絕對反作用力（MARF），並使用等式，圖3描繪了力的分布和取向。 MARF源自基於單個反作用力矢量的第一原理，其有助於總反作用力。 通過計算每個DoF的反作用力，組織掃掠，組織提升，滾動或扭轉，插入或探測，抓握（抓地力）來計算MARF，並將其求和以獲得總反作用力。

圖2.使用基於VR的腹腔鏡模擬器的主體：（A）基礎和（B）複雜的技能訓練條件。 力和運動數據都以1 kHz的速率進行採樣。

使用三向方差分析進行統計學分析。 因變數是MARF和加速度。 自主變數為（2級 - 術者和專家外科醫生），培訓任務（2級 - 基礎和複雜訓練）和反饋（2級 - 觸覺和視覺觸覺）。 對MARF和加速度數據分別進行方差分析。 對於MARF和最大加速度數據都執行了Levene的同質性測試。

MARF是來自圖1所示的兩個觸覺裝置的總反作用力的組合。 當用戶移動儀器時，電機編碼器檢測位移，用於計算電機施加的反作用轉矩。 此外，最大加速度度量是使用等式 （2）.30,31 （2）中，「T」表示時間和「g」重力。

結果:人口特徵

受試者的平均年齡為38.5歲。 在50個科目中，17個是左手的，33個是右手的。 男35人，女15人。 術者與專家外科醫生的人口學特徵如表3所示。

來自兩個裝置的加速度數據相加以獲得總加速度。 關於用於MARF和加速度度量的數學計算的詳細推導的說明在附錄部分提供。 在視覺和視覺觸覺情況下記錄力和加速度數據，觀察下列參數之間的術者和專家周圍的顯著差異：（1）年齡（po 0.001），（2）性別（p = 0.021），（3） 腹腔鏡手術（po 0.001），（4）由於職業過度勞累引起的術中誤差（po 0.001），以及（5）基於VR的模擬器（p = 0.045）和無觸覺反饋（p ?0.032）。

圖3.儀器組織碰撞產生的反作用力：（A）儀器的力圖和（B）力矢量。

強制和加速配置文件

在基本任務中，術者和專家外科醫生在對象拉拽或探測和抓住機動時應用較高的力量（圖4A）。 在複雜的任務中，專家外科醫生在組織掃描過程中施加比術者更多的力量（圖4B）。 然而，在其他動作中，術者比專家外科醫生施加更多的力量。 此外，在基本和複雜的任務中，在組織抓取和組織探測或拉動期間施加較大的力。 相反，在清掃，抬升，探測或拉動過程中，基層工作的術者加速度較高（圖4C）。 此外，在複雜的任務中，在組織掃掠，牽引或探測和扭轉機動過程中，專家外科醫生的加速被發現更高（圖4D）。

最大絕對反應力

觀察到MARF組（P0.001）（圖5A），存在或不存在反饋（p0.001）（圖5B）和訓練任務（p0.001）（圖5C）的顯著主效應。以下雙向交互顯著：（1）組和反饋（p = 0.031）：當呈現視覺t觸覺反饋時，術者（8 N）和專家外科醫生（6 N）施加較少的力量。在沒有視覺反饋的情況下，發現專家外科醫生（7.87 N）和術者（12 N）施加更大的力量（圖5D）; （2）組和訓練（0.001）：與複雜任務（8.10 N）相比，術者在基礎工作（12.20 N）中施加較大的力量。在專家組中，心理（6.37N）和複雜任務（7.04N）之間沒有觀察到施加力的重大差異（圖5E）;和訓練和視覺反饋（第0.001）：在基本（7.46 N）和複雜任務（6.37 N）中，視覺t觸覺反饋的存在導致應用較低的力量。然而，當僅存在觸覺反饋時，在基本（11N）和複雜（8.80N）任務中施加較大的力（圖5F）。

觀察到顯著的3維相互作用

組、訓練和視覺反饋（p = 0.013）。 在駐地組中，視覺觸覺反饋的存在導致在基本（10.03 N）和複雜任務（6 N）期間的力較弱，而沒有視覺反饋，基本（13.88 N）和複雜任務（10.15）施加較大的力 N）（圖5G）。 在專家外科醫生組中，在基本任務過程中，視覺觸覺反饋導致比僅觸覺反饋（8.10N）更低的相互作用力（4.50N）。 然而，在複雜的任務中，觸覺（7.25N）和視覺觸覺條件（7.35N）之間沒有觀察到顯著差異。

圖4.專家和術者的反應力概況：（A）基本任務和（B）複雜任務。 專家和術者的加速情況：（C）基本任務和（D）複雜任務。 過濾手震後獲得的數據。

圖5.（A）組的最大絕對反作用力（MARF），（B）具有和不具有視力反饋的全組數據，（C）基本（即栓轉移）和複合（即組織操縱）任務，（ D）組作為反饋的函數，（E）作為任務的函數，（F）任務作為反饋的函數，以及（G）組作為任務和反饋的函數。

最大加速度

在最大加速度度量上，組（p0.001）（圖6A），反饋存在或不存在（p0.001）（圖6B）和訓練任務（p0.001）（圖6C）具有顯著的主要影響。 以下雙向相互作用是重要的：（1）組，G組和反饋（p = 0.039）：當提供視覺觸覺反饋時，專家外科醫生以較少的儀器運動（4.45 m / s2）執行任務， 比術者（7.26米/秒2）。 在沒有視覺反饋的情況下，專家外科醫生（7.26米/秒）和術者（10.04米/秒）產生更多的儀器運動（圖6D）。 （2）集體訓練（0.013）：在複雜任務（7.30m / s2）的基礎任務（10.11 m / s2）中，術者被發現儀器運動較高。 然而，與基礎任務（6.3 m / s2）相比，專家外科醫生在複雜任務（5.1 m / s2）（圖6E）中操作較少的儀器運動的組織。

圖6.（A）組的最大絕對加速度，（B）具有和不具有視力反饋的全組數據，（C）基本（即栓轉移）和複合（即組織操縱）任務，（D）任務 反饋功能，（E）組作為任務的功能，（F）組作為任務和反饋的功能。

在組、訓練和視覺反饋之間觀察到顯著的3維相互作用（p = 0.025）。 在專家外科醫生組中，在基礎和複雜任務中，視覺t觸覺反饋導致較少的儀器運動（基本?4.88 m / s2;複雜?4 m / s2）僅比觸覺反饋（基本?7.85 m / s2;複數 ?6.67 m / s2）。 類似地，在駐地組中，與僅觸覺反饋相比，視覺t觸覺反饋導致較少的儀器運動（基本?8.80m / s2;複數?5.84m / s2）（基本?11.32m / s2;複數：8.77m / s2 ）（圖6F）。

討論

開發了一種新型的腹腔鏡模擬器來量化術者和專家外科醫生的力量和精神運動能力。 據我們所知，這是第一個評估視覺反饋（即應用力和加速度）對力量和精神運動技能的影響的研究。 我們工作的主要發現如下：（1）視覺觸覺反饋提高了術者在基礎和複雜任務中的表現; （2）在複雜的組織掃描任務中，專家外科醫生施加比術者更高的力量; （3）複雜組織探查、扭轉、掃描任務中，專家手術器械加速度高於術者; （4）視覺t觸覺反饋不影響專家外科醫生在複雜任務中的表現; 和（5）在組織抓握，掃描和探測任務中觀察到較高的力和刀具運動。

MARF數據顯示，由於經驗，專家外科醫生在基層和複雜任務中的使用力低於術者。 然而，在某些機動，如組織掃描，他們施加較高的力量，但是在0.1至10 N的組織損傷範圍內。這表明專家外科醫生可以控制自己的力輸出，並且知道組織的力維持限制。 此外，外科醫生在基礎和複雜任務之間的力量表現沒有重大差異。 這是因為專家外科醫生在基本任務中施加了準確的力量，然後對複雜的任務進行相同的表現。 然而，在其加速度曲線中觀察到差異。 這表明在複雜的任務中，專家外科醫生進行了最小的工具移動。 此外，專家外科醫生的精確工具運動與以往的基於VR的研究一致，表明專家外科醫生經濟運動優於術者。

對力和運動的視覺反饋大大改善了術者的表現。隨著培訓從基礎到複雜任務的進行，基於視覺反饋的表現發生了劇烈的變化。與基本任務相比，複雜任務中術者使用的工具運動更為精細，力量較小。另一個重要的觀察是，通過對力量和運動曲線的視覺反饋，術者能夠匹配專家外科醫生在觸覺條件下的表現。這表明使用視覺反饋的訓練可以幫助術者磨練必要的觸覺技巧，並配合專家外科醫生的技能水平。相反，在複雜的任務中，在視覺和視覺觸覺條件下，專家外科醫生的應用力量沒有觀察到重大差異。可能考慮到這種行為的一個可能因素是專家外科醫生對自己的力量消耗能力有信心，因此不受視力反饋的影響。這表明專家外科醫生意識到組織損傷的限制，並依賴於自己的力量感知而不是視覺反饋。然而，專家外科醫生根據基礎和複雜任務中的視覺運動反饋來改善其運動經濟。視覺運動反饋最為重要，力量反饋對於複雜任務中的專家外科醫生來說不太重要，這表明，通過經驗，精神運動技能主導著強制技能。也就是說，專家外科醫生可能更關心他們在複雜任務中的精神運動表現。這表明改善精神運動能力有助於專家外科醫生的認知負荷。鑒於專家外科醫生可能會覺得不必要的手術運動可能導致術中錯誤。

此外，準確和準確的組織處理形成了精通腹腔鏡檢查的主要依據。 在複雜的任務如組織剝離中，術者未能進一步推進。 因此，專家外科醫生控制。 術者「未能進步」的原因可能是因為缺乏訓練，手術室分心，患者流量增加，工作時間限制和手術室緊張。 鼓勵術者自願練習腹腔鏡力量技能。 然而，由於早期列出的因素，激勵術者自願，獨立地評估模擬人員的技能是一項具有挑戰性的任務。 因此，專門從事基於能力的技能培訓的外科醫生應主動培訓他們的學生。

本研究的主要局限性如下：（1）無關鍵複雜任務的力量和精神運動能力，如縫合和打結，以及運行腸、腹腔鏡卵巢囊腫切除術、膽囊切除術等，並沒有表徵術者和專家外科醫生的聯合力 - 心理運動學習曲線; （3）它沒有評估從非臨時設置向手術室轉移基於武力的訓練; 和（4）與商業模擬器相比，VR環境不完全現實。 我們未來的工作將側重於解決早期的局限。

結論

這項研究可以被認為是基於VR的模擬器的關鍵腹腔鏡技能評估的第一步，因為基於VR的模擬器研究的過去研究僅側重於評估精神運動技能。 對施加的力量的大小和工具運動的視覺反饋提高了術者通過訓練任務進行的力量和運動技能。 然而，視力反饋對於專家外科醫生來說不是非常有效，因為在反饋和沒有反饋的情況下，他們的表現沒有觀察到重大差異。 這表明，通過經驗，專家外科醫生可以在沒有力量或觸覺反饋的情況下執行。 新穎的觸覺裝置成功區分了術者和專家外科醫生的力量和精神運動特徵。

附:

電機的施加扭矩會導致用戶的力反饋，給出使用該設置遇到的人造「虛擬」材料的錯覺。 由於腹壁的彈性，當儀器穿過切口的邊緣時，產生反作用力（圖3A）。反作用力是彈性物體對拉伸或壓縮力的響應。用雙手裝置的組合位置信息計算加速度度量（如等式（A.15）所示）。 速度被定義為隨時間的位置變化率。 加速度是速度隨時間的變化率。

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