基于虚拟现实触觉模拟器的腹腔镜力量和精神运动技能客观评估

大多数市售的基于虚拟现实的腹腔镜模拟器不能有效地评估组合的精神运动和基于力的腹腔镜技术。 因此，缺乏关于这些关键技能的培训导致了术中错误。为了评估新型虚拟现实模拟器的有效性，本研究分析了术者和专家外科医生的综合心理运动（即运动或运动）和力量技能。 本研究还研究了实时视力反馈和工具运动在训练中的有效性。评估了双手基础（即探测、拉、扫、抓、捻）和复杂任务（如组织剥离）。 在这两个任务中，提供了施加力和刀具运动的视觉反馈。 参与者在完成早期任务时的技能是在没有视觉反馈的情况下进行评估的。 参与者进行了5次重复的基础性和复杂性任务。 反作用力和仪器加速度被用作指标。

参与者:
术者（N¼25；研究生和外科医生与O2年腹腔镜手术）和外科专家（N¼25；医生44和R10年腹腔镜手术）。

结果:
术者使用大型部队与专家外科医生相比，并进行突然的工具运动（P o 0.001）。然而，视觉T触觉反馈改善术者的表现（P o 0.001）。在复杂的任务中，视觉t触觉反馈不影响专家外科医生的应用力，但影响他们的工具运动（P o 0.001）。此外，在复杂的组织清扫任务，专家外科医生施加更多的力量，但在组织损伤范围内。两组在抓取、探查或牵拉、组织清扫等动作时，均能产生较大的力量和突然的工具运动（P o 0.001）。

结论：
以现代课程为基础的培训应以熟练的腹腔镜和强健的力量和精神运动为基础来评估术者的技能。在训练过程中对力量和动作的视觉反馈有可能提高术者的学习曲线。

介绍

腹腔镜手术已经广泛地取代开放手术，因为它在手术和手术后恢复中对患者有优势。由于反转和远处进入手术部位，触觉反馈被腹腔镜手术器械改变。这导致过度的力量的运用。许多术中误差，如组织损伤，是因为力量大而突然的刀具运动。因此，要通过适合的工具移动来应用精确和准确的力量，腹腔镜操作者应接受基础和复杂技能的培训。基于虚拟现实（VR）的训练与触觉反馈已被证明为术者和专家外科医生提供基础和核心腹腔镜技术。然而，基于现代VR的腹腔镜培训课程并没有有效地教导综合的精神运动和基于力量的腹腔镜技巧，因为大多数技能评估指标都是基于仪器运动和任务完成时间。

另外，以前基于VR的基础和复杂技能评估的研究侧重于客观地评估精神运动技能。为了避免过度的劳动力和突然的工具移动，重要的是要提高术者和专家外科医生的力量感知和精神运动技能。这可以通过传授综合的精神运动和基于力量的训练来实现。此外，专家外科医生和术者的力量和运动能力差异很大。这些技能高度依赖于任务的性质（即基本的或复杂的任务）。

过去几项关于腹腔镜力量技术的研究表明，在某些任务中，术者与专家外科医生相比施加较大的力量，而在其他任务中，专家外科医生应用较高的力量。这表明在腹腔镜手术中，术者和专家外科医生的力量减弱。因此，除精神运动技能外，迫切需要增强基于力量的腹腔镜技巧。在我们的研究中，我们使用组合的力和运动指标来量化腹腔镜技巧，使用新颖的定制的基于触觉的VR腹腔镜模拟器。应用力量被认为是腹腔镜手术中技能评估的关键指标。这是因为过去的研究已经证明，单独的视觉提示不能提供组织操纵期间与组织的力参数或触觉特性相关的所有必要信息，并且单独的位置或运动指标不能有效地表明术者和专家外科医生的技能水平。

目标
在本研究中，我们的主要目标是使用联合力量和精神运动指标来分析经验对基础和复杂腹腔镜手术任务的影响。 第二个目标是检查在基础和复杂的训练任务中，实时动态视觉反馈对应用力和仪器运动数据是否能改善性能。 第三个目标是评估我们定制的基于VR的腹腔镜模拟器在区分术者的力量和精神运动特征与专家外科医生的功效。

材料和方法
主题
总共有50名既往没有肌肉骨骼、认知或精神运动障碍的健康志愿者自愿参与了实验。 受试者平均分为2组，即术者和专科外科医生（表1）。 受试者对实验的性质没有事先了解。 所有受试者的人口统计信息均通过问卷调查获得。 所有受试者在参与研究之前签署了知情同意书。 受试者在实验前进行了熟悉试验。 受试者每个基本和复杂任务进行了5次重复。 完成1个科目的评估需要1.5个小时。 在一天中，共花了7.5个小时来评估5个科目的技能。

基于触觉的腹腔镜模拟器的设计

模拟器具有刀具运动的5度自由度（DoF）（图1A）。 它可以模拟腹腔镜手术的所有基本操作，如抓、扫、拉、探、举、扭。 所有5个DoF都可以获得关于刀尖运动和力的反馈（图1B）。 模拟器的特性如表2所示。每个DoF与直流电机和高分辨率光学编码器（用于偏航，俯仰和滚动的3500 CPR;用于抓取和扭转的512 CPR）耦合。

实验设置和程序

模拟器由5-DoF双向触觉装置组成，其与具有电子的计算机系统连接


表1.受试者的分类

        

图1.腹腔镜模拟的双手触觉装置：（A）前视图和（B）后视图。

输入输出通信板。 在计算机系统的监视器上显示由双手基本（即易位的钉，拉伸、扭曲、探测、拉）和复杂任务（例如，组织解剖）组成的虚拟环境。 双手触觉装置与虚拟环境接口，使得虚拟工具模仿用户在腹腔镜触觉装置上执行的运动。 触觉反馈更新率为2 kHz，图形反馈更新率为65 Hz。 在实验开始之前，通过问卷调查获得受试者的人口统计信息。

实验分为两个阶段，即基本任务阶段和复杂任务阶段。为了避免结转，任务和反馈条件是随机的。每个阶段由以下2个反馈条件组成：（1）仅触觉（没有对施加的力和工具运动的视觉反馈）和（2）视觉触觉（除了触觉，在施加的力和刀具运动上提供视觉反馈） 。在实验的第一阶段的第一阶段，指导受试者进行骨转运任务。任务是通过抓取和提升，探测环和圆筒，双向拉伸和拉环环和三角形，以及使用双手5-DoF触觉装置扭转可变形环（图2A），将环从圆筒转移到另一个。骨转移任务包括基本的腹腔镜基础力量和基于运动的任务，例如用力触觉反馈装置的力探测，拉动，推动，提升，强力扫掠和基于力的夹持。在第一阶段的第二阶段，除了触觉反馈之外，在任务期间，将视觉和运动曲线反馈传送到同一监视器上的对象。视觉反馈显示了在虚拟环境中的工具 - 对象交互期间牛顿中施加的总力，以及刀尖运动的加速度曲线。

在相位1的两个阶段，同时记录了来自腹腔镜模拟器的施加力和仪器运动数据。 一旦对象完成了转移任务，在实验第二阶段开始之前提供了20分钟的时间间隔。 在实验的第二阶段，受试者用双手触觉装置进行复杂的组织操作任务（图2B）。 任务是使用基本技能操纵组织。 实验设置，视觉反馈呈现和数据记录机制与第一阶段相似。

数据分析与统计

力和加速度被认为是评估组织处理技能的标准指标。 使用由双手触觉装置在活动的工具对象碰撞或相互作用期间产生的反作用力（F）计算力量度。 该度量被称为最大绝对反作用力（MARF），并使用等式，图3描绘了力的分布和取向。 MARF源自基于单个反作用力矢量的第一原理，其有助于总反作用力。 通过计算每个DoF的反作用力，组织扫掠，组织提升，滚动或扭转，插入或探测，抓握（抓地力）来计算MARF，并将其求和以获得总反作用力。


图2.使用基于VR的腹腔镜模拟器的主体：（A）基础和（B）复杂的技能训练条件。 力和运动数据都以1 kHz的速率进行采样。

使用三向方差分析进行统计学分析。 因变量是MARF和加速度。 自主变量为（2级 - 术者和专家外科医生），培训任务（2级 - 基础和复杂训练）和反馈（2级 - 触觉和视觉触觉）。 对MARF和加速度数据分别进行方差分析。 对于MARF和最大加速度数据都执行了Levene的同质性测试。

MARF是来自图1所示的两个触觉装置的总反作用力的组合。 当用户移动仪器时，电机编码器检测位移，用于计算电机施加的反作用转矩。 此外，最大加速度度量是使用等式 （2）.30,31 （2）中，“T”表示时间和“g”重力。

结果

人口特征

受试者的平均年龄为38.5岁。 在50个科目中，17个是左手的，33个是右手的。 男35人，女15人。 术者与专家外科医生的人口学特征如表3所示。

来自两个装置的加速度数据相加以获得总加速度。 关于用于MARF和加速度度量的数学计算的详细推导的说明在附录部分提供。 在视觉和视觉触觉情况下记录力和加速度数据，观察下列参数之间的术者和专家周围的显着差异：（1）年龄（po 0.001），（2）性别（p = 0.021），（3） 腹腔镜手术（po 0.001），（4）由于职业过度劳累引起的术中误差（po 0.001），以及（5）基于VR的模拟器（p = 0.045）和无触觉反馈（p ¼0.032）。


图3.仪器组织碰撞产生的反作用力：（A）仪器的力图和（B）力矢量。

强制和加速配置文件

在基本任务中，术者和专家外科医生在对象拉拽或探测和抓住机动时应用较高的力量（图4A）。 在复杂的任务中，专家外科医生在组织扫描过程中施加比术者更多的力量（图4B）。 然而，在其他动作中，术者比专家外科医生施加更多的力量。 此外，在基本和复杂的任务中，在组织抓取和组织探测或拉动期间施加较大的力。 相反，在清扫，抬升，探测或拉动过程中，基层工作的术者加速度较高（图4C）。 此外，在复杂的任务中，在组织扫掠，牵引或探测和扭转机动过程中，专家外科医生的加速被发现更高（图4D）。

最大绝对反应力

观察到MARF组（P0.001）（图5A），存在或不存在反馈（p0.001）（图5B）和训练任务（p0.001）（图5C）的显着主效应。以下双向交互显着：（1）组和反馈（p = 0.031）：当呈现视觉t触觉反馈时，术者（8 N）和专家外科医生（6 N）施加较少的力量。在没有视觉反馈的情况下，发现专家外科医生（7.87 N）和术者（12 N）施加更大的力量（图5D）; （2）组和训练（0.001）：与复杂任务（8.10 N）相比，术者在基础工作（12.20 N）中施加较大的力量。在专家组中，心理（6.37N）和复杂任务（7.04N）之间没有观察到施加力的重大差异（图5E）;和训练和视觉反馈（第0.001）：在基本（7.46 N）和复杂任务（6.37 N）中，视觉t触觉反馈的存在导致应用较低的力量。然而，当仅存在触觉反馈时，在基本（11N）和复杂（8.80N）任务中施加较大的力（图5F）。

观察到显著的3维相互作用

组、训练和视觉反馈（p = 0.013）。 在驻地组中，视觉触觉反馈的存在导致在基本（10.03 N）和复杂任务（6 N）期间的力较弱，而没有视觉反馈，基本（13.88 N）和复杂任务（10.15）施加较大的力 N）（图5G）。 在专家外科医生组中，在基本任务过程中，视觉触觉反馈导致比仅触觉反馈（8.10N）更低的相互作用力（4.50N）。 然而，在复杂的任务中，触觉（7.25N）和视觉触觉条件（7.35N）之间没有观察到显著差异。


图4.专家和术者的反应力概况：（A）基本任务和（B）复杂任务。 专家和术者的加速情况：（C）基本任务和（D）复杂任务。 过滤手震后获得的数据。


图5.（A）组的最大绝对反作用力（MARF），（B）具有和不具有视力反馈的全组数据，（C）基本（即栓转移）和复合（即组织操纵）任务，（ D）组作为反馈的函数，（E）作为任务的函数，（F）任务作为反馈的函数，以及（G）组作为任务和反馈的函数。

最大加速度

在最大加速度度量上，组（p0.001）（图6A），反馈存在或不存在（p0.001）（图6B）和训练任务（p0.001）（图6C）具有显著的主要影响。 以下双向相互作用是重要的：（1）组，G组和反馈（p = 0.039）：当提供视觉触觉反馈时，专家外科医生以较少的仪器运动（4.45 m / s2）执行任务， 比术者（7.26米/秒2）。 在没有视觉反馈的情况下，专家外科医生（7.26米/秒）和术者（10.04米/秒）产生更多的仪器运动（图6D）。 （2）集体训练（0.013）：在复杂任务（7.30m / s2）的基础任务（10.11 m / s2）中，术者被发现仪器运动较高。 然而，与基础任务（6.3 m / s2）相比，专家外科医生在复杂任务（5.1 m / s2）（图6E）中操作较少的仪器运动的组织。


图6.（A）组的最大绝对加速度，（B）具有和不具有视力反馈的全组数据，（C）基本（即栓转移）和复合（即组织操纵）任务，（D）任务 反馈功能，（E）组作为任务的功能，（F）组作为任务和反馈的功能。

在组、训练和视觉反馈之间观察到显着的3维相互作用（p = 0.025）。 在专家外科医生组中，在基础和复杂任务中，视觉t触觉反馈导致较少的仪器运动（基本¼4.88 m / s2;复杂¼4 m / s2）仅比触觉反馈（基本¼7.85 m / s2;复数 ¼6.67 m / s2）。 类似地，在驻地组中，与仅触觉反馈相比，视觉t触觉反馈导致较少的仪器运动（基本¼8.80m / s2;复数¼5.84m / s2）（基本¼11.32m / s2;复数：8.77m / s2 ）（图6F）。

讨论

开发了一种新型的腹腔镜模拟器来量化术者和专家外科医生的力量和精神运动能力。 据我们所知，这是第一个评估视觉反馈（即应用力和加速度）对力量和精神运动技能的影响的研究。 我们工作的主要发现如下：（1）视觉触觉反馈提高了术者在基础和复杂任务中的表现; （2）在复杂的组织扫描任务中，专家外科医生施加比术者更高的力量; （3）复杂组织探查、扭转、扫描任务中，专家手术器械加速度高于术者; （4）视觉t触觉反馈不影响专家外科医生在复杂任务中的表现; 和（5）在组织抓握，扫描和探测任务中观察到较高的力和刀具运动。

MARF数据显示，由于经验，专家外科医生在基层和复杂任务中的使用力低于术者。 然而，在某些机动，如组织扫描，他们施加较高的力量，但是在0.1至10 N的组织损伤范围内。这表明专家外科医生可以控制自己的力输出，并且知道组织的力维持限制。 此外，外科医生在基础和复杂任务之间的力量表现没有重大差异。 这是因为专家外科医生在基本任务中施加了准确的力量，然后对复杂的任务进行相同的表现。 然而，在其加速度曲线中观察到差异。 这表明在复杂的任务中，专家外科医生进行了最小的工具移动。 此外，专家外科医生的精确工具运动与以往的基于VR的研究一致，表明专家外科医生经济运动优于术者。

对力和运动的视觉反馈大大改善了术者的表现。随着培训从基础到复杂任务的进行，基于视觉反馈的表现发生了剧烈的变化。与基本任务相比，复杂任务中术者使用的工具运动更为精细，力量较小。另一个重要的观察是，通过对力量和运动曲线的视觉反馈，术者能够匹配专家外科医生在触觉条件下的表现。这表明使用视觉反馈的训练可以帮助术者磨练必要的触觉技巧，并配合专家外科医生的技能水平。相反，在复杂的任务中，在视觉和视觉触觉条件下，专家外科医生的应用力量没有观察到重大差异。可能考虑到这种行为的一个可能因素是专家外科医生对自己的力量消耗能力有信心，因此不受视力反馈的影响。这表明专家外科医生意识到组织损伤的限制，并依赖于自己的力量感知而不是视觉反馈。然而，专家外科医生根据基础和复杂任务中的视觉运动反馈来改善其运动经济。视觉运动反馈最为重要，力量反馈对于复杂任务中的专家外科医生来说不太重要，这表明，通过经验，精神运动技能主导着强制技能。也就是说，专家外科医生可能更关心他们在复杂任务中的精神运动表现。这表明改善精神运动能力有助于专家外科医生的认知负荷。鉴于专家外科医生可能会觉得不必要的手术运动可能导致术中错误。

此外，准确和准确的组织处理形成了精通腹腔镜检查的主要依据。 在复杂的任务如组织剥离中，术者未能进一步推进。 因此，专家外科医生控制。 术者“未能进步”的原因可能是因为缺乏训练，手术室分心，患者流量增加，工作时间限制和手术室紧张。 鼓励术者自愿练习腹腔镜力量技能。 然而，由于早期列出的因素，激励术者自愿，独立地评估模拟人员的技能是一项具有挑战性的任务。 因此，专门从事基于能力的技能培训的外科医生应主动培训他们的学生。

本研究的主要局限性如下：（1）无关键复杂任务的力量和精神运动能力，如缝合和打结，以及运行肠、腹腔镜卵巢囊肿切除术、胆囊切除术等，并没有表征术者和专家外科医生的联合力 - 心理运动学习曲线; （3）它没有评估从非临时设置向手术室转移基于武力的训练; 和（4）与商业模拟器相比，VR环境不完全现实。 我们未来的工作将侧重于解决早期的局限。

结论

这项研究可以被认为是基于VR的模拟器的关键腹腔镜技能评估的第一步，因为基于VR的模拟器研究的过去研究仅侧重于评估精神运动技能。 对施加的力量的大小和工具运动的视觉反馈提高了术者通过训练任务进行的力量和运动技能。 然而，视力反馈对于专家外科医生来说不是非常有效，因为在反馈和没有反馈的情况下，他们的表现没有观察到重大差异。 这表明，通过经验，专家外科医生可以在没有力量或触觉反馈的情况下执行。 新颖的触觉装置成功区分了术者和专家外科医生的力量和精神运动特征。

附录

电机的施加扭矩会导致用户的力反馈，给出使用该设置遇到的人造“虚拟”材料的错觉。 由于腹壁的弹性，当仪器穿过切口的边缘时，产生反作用力（图3A）。反作用力是弹性物体对拉伸或压缩力的响应。用双手装置的组合位置信息计算加速度度量（如等式（A.15）所示）。 速度被定义为随时间的位置变化率。 加速度是速度随时间的变化率。