文摘

背景。虚拟现实手术培训已经成为一种很有前途的行业趋势的临床教育。之前的研究已经证实的有效性之虚拟手术模拟器训练的外科医生。大多数现有的论文采用主观方法探索学生的手术技能的整体感知。然而,很少有研究,从多维的角度学习性能,研究虚拟现实如何提高手术技能。参与者。37个大学生中招募比较实验研究。实验小组配备一个虚拟现实+触觉手术模拟器,而虚拟现实模拟器用于对照组没有触觉反馈。方法。研究采取生理方法研究VR腹腔镜手术训练系统的影响对学生的性能。结果。实验组得分高于对照组在流经验和更好的性能的四维操作评估技能。结论。研究沉积,学习者更容易发挥流动与触觉反馈学习情况的经验,这将进一步提高医学生的表现。

1。介绍

虚拟现实技术彻底改变了传统教育,它涉及到医学,建筑,和其他学科。虚拟现实,沉浸、交互性和想象力,深入结合医学研究。VR临床技能培训的影响越来越突出(1]。腹腔镜手术的传统训练方法主要集中在视频学习和动物实验。然而,学习传统的来源导致更少的器官和组织之间的相互作用,和学生缺乏手眼协调能力是几乎没有灵感。此外,动物的解剖结构也不同于人类。另外,虚拟现实手术模拟器可以克服上述的缺点,提供了一个可重复的和可控的环境获得基本手术技能(2]。

然而,传统的虚拟现实技术只提供了一个观察模型,在人机交互和深层交互需要进一步研究。VR触觉反馈的结合将带来一个创新的方法来促进学生的学习成果,认识和实践改善手术培训的吸引力和真实性(3]。采用虚拟现实+触觉方法有助于学习者不断接受手术,减少动物实验物理的成本(4),由于虚拟现实仿真过程可以有效地转移用户身临其境的情况(5,6],它触发生成用户的流经验(7]。

本研究设计了基于UniVRLap的腹腔镜手术训练系统平台(8)进行学习和培训的结肠切除术的手术。参与者被随机分为VR +触觉反馈组和VR组。首先,预备考试的学员执行盒结肠切除术的手术技巧。然后,他们执行强反馈交互虚拟现实训练和弱反馈的交互式虚拟现实训练。最后,他们执行盒子结肠切除术操作测试。从流程的角度体验,医学生的触觉反馈的影响定量测量,和可穿戴设备用于培训期间获得学生的心率数据。在这个研究中,我们提出了三个研究问题:(1)可以虚拟现实+触觉反馈改善医学生外科技能培训?(2)以何种方式可以虚拟现实+触觉反馈训练提高医学生的技能习得吗?(3)VR +触觉方法有积极影响学习者的大量流经验吗?

2。文献综述

2.1。VR腹腔镜检查

微创手术已被证明是一个可靠的方法来减少手术创伤,加快术后恢复,缩短住院时间。温菲尔德等。9首先进行腹腔镜部分切除,打开一个微创部分切除的新时代。随后,越来越多的业务是在腹腔镜下完成。使用虚拟现实(VR)训练成为一个必要的先决条件初级医生参与实际操作。理想的虚拟现实设备可用于腹腔镜手术基本技能培训,可以完全模拟整个手术。虚拟现实(VR)的出现腹腔镜模拟技术增加了手术训练的吸引力和真实性(3]。此外,触觉反馈是一个交互式的虚拟现实系统的关键技术。功能是实现人机交互的虚拟漫游的三维空间,扩大人类的感知。建设性的学习理论认为,“学习经验”是一个真正的情况10]。学习环境由虚拟现实技术主要是应用于特定的操作技能的培训,以及罕见,危险和昂贵的建设场景。

2.2。流经验

流是一个经验的完全沉浸在活动,指一个人奉献于一个特定的活动,达到一个令人愉快的精神状态11]。奇凯岑特米哈伊提出的概念,首先在1960年代,发现当人们最大化他们的身体和精神状态,他们经常产生一个最终的最优经验(11]。一些实验研究比较了水平的个人经验流和沉浸在虚拟现实和普通显示器观看媒体内容时,和结果表明,用户在虚拟现实环境中体验更好的感知流和浸12]。作为回报,身临其境的体验可以帮助用户提高他们的创造性工作13]。

2.3。流的构成和经典的规模

奇凯岑特米哈伊提出流体验划分为9个元素:明确的目标,及时反馈,挑战和技巧的平衡,集成的行为和意识,消除干涉意识,自由控制,自我意识的消失,异常的时间感,self-purposeful经验(14]。流,特点是什么一个完全吸收,是一种高回报的意识状态(15]。实现这个状态能帮助人们感到更大的享受,能量,和参与,他们会感觉时间很快过去。一些研究人员也提出了一些其他维度来测量流量的经验,包括好奇心(16,17),探索行为,可玩性18),较高的能力(19),和压力和紧张20.]。

流理论已广泛应用于信息系统,人机交互,教育和其他领域21]。在人机交互方面,霍夫曼和诺瓦克提出了一个流模型在计算机辅助环境(22]。他们的流动模式包括“积极情绪”,“探索性行为,”和“挑战/唤醒,”可以被认为是一个快乐的元素。Trevino和韦伯斯特曾流理论来衡量用户的游戏中人机交互,提出四个维度来衡量从控制流,浓度,好奇心,和内在的兴趣(23]。Koufaris流理论应用于在线消费者行为和测量四个流结构包括浓度、挑战,技巧,和知觉控制(24]。

在虚拟现实环境中,体验被认为是情感的化身存在和沉浸的这些技术。有大量的研究在虚拟现实的生成和结构中央流经验。不流等人使用,存在,积极情绪,和品牌资产理论测试使用2 d和3 d的效果存在虚拟环境,享受,品牌资产,和行为意图25]。糖果和惠氏相信中央的电子游戏(游戏流)由控制、反馈、浸泡,注意,挑战,玩家技能,明确的目标,和社会互动26]。Smith-Stoner, Willer沉积流是一种心理状态,导致游戏化的娱乐,这些人应得的快乐从流媒体的经验,和流媒体的出现可以刺激通过使用互动媒体(27]。

总之,目前的研究总结了现有研究流医疗培训经验和提出了一个流经验量表在虚拟现实环境中。

2.4。反映在生理数据流:心率测量方法

流作为一个客观的流量指示器可以在物理概念和生理维度。研究表明,流活动的挑战和要求性质可能会引起生理变化,当人超负荷任务所观察到的类似的要求(28]。心率变异性(HRV),测量心跳率的变化,反映了两个分支的活动的自主神经系统(ANS)。Peifer et al。29日)证实了一个强大的低频变化之间的关系(HRV)和流的经验,也就是说,HRV有正向线性关系流经验。参与者与HRV有经验的高水平的流动。以前的研究也发现,HRV的增加与交感神经的激活(30.),通常是伴随着低心率变异性(31日]。Harmat等人还发现,高流降低低频HRV [32]。田的研究显示,流体验与更快的呼吸,深呼吸,温和的心率,温和的心率变异性(33]。因此,心率测量被认为是一种有效的探索流经验。

在腹腔镜手术模拟,流经验被认为是不可思议的因素推动有效的手术。研究表明,流的实现经验在腹腔镜手术可以改善行动的有效性,从而提高患者安全(34]。然而,很少有研究在流虚拟现实模拟手术的经验。因此,本研究采用生理方法验证交互虚拟现实手术训练的重要性。它揭示了学习者的关系流VR腹腔镜手术经验培训和绩效,并提出未来虚拟现实医学教育设计的建议。

3所示。材料和方法

3.1。参与者

他们招募了30个七年级医学专业从北京航天总医院在这项研究中,并没有一个以前经营一个虚拟现实手术模拟器。参与者被随机分成两组:17岁的参与者对照组(没有触觉反馈)和20个参与者实验组(触觉反馈)。参与者的人口统计数据如表所示1。

两组被分配到虚拟现实手术设置,在听觉组织变形、电烙术,和血液流动过程可视化。实验组的参与者进行虚拟手术实时触觉传感器,和他们可以操纵手术器械通过触觉设备。为了确保两组的均质化,技术水平和手术经验进行了测试,没有发现显著差异实验和对照组之间。

3.2。仪器

3.2.1之上。VR智能医疗培训系统

腹腔镜手术模拟器(UniVRLap)用于本研究开发的虚拟现实技术与系统国家重点实验室,北京航空航天大学。计算模块是一个高性能的PC与触摸屏显示器(1920 _1080 dpi)。硬件参数如下:英特尔(R)的核心(TM) i5 - 8500 CPU @3.00与6 GHz核和NVIDIA GeForce 1060 GTX公司6 GB的内存。该软件是运行在Windows 64位专业版。触觉设备使用的试验是由美国3 d系统公司和设备可以控制自由的手术器械与6度(自由度)[35]。力反馈工作空间大约是6.4 4.8∗∗2.8英寸。

模拟器可以模拟变形的结肠,结肠组织,分离和器官之间的相互作用,在结肠切除术手术器械。基于动态定位,仿真是一个通用的仿真方法具有高速度和鲁棒性模型刚体(手术器械),软组织,液体(出血的影响)等(36]。如图1,参与者用右手操作抓紧器拖结肠组织,和左手操作L-hook去杀死结肠表面膜组织,同时利用下端连接踏板激活电被凝固在手术过程中训练。在培训期间,两组参与者被要求执行尽可能平稳和快速电烙术结肠。

前后检查是在改革后的塑料盒进行(15 7∗∗5厘米)放入一个商业腹腔镜体能训练箱(38∗∗27厘米27日)由北京Yikang酒科技有限公司有限公司,如图2,参与者被分配给操作腹腔镜手术器械插入训练箱通过洞。左手手术器械是抓紧器,右手是剪刀。高分辨率相机与笔记本电脑放在训练的盒子,和参与者能够监控培训过程里面。后放置一段小肠到塑料盒,参与者可能会开始削减小肠,整个过程被记录并保存在笔记本电脑上。

3.2.2。流经验规模

流的定义是一个心理体验反映认知调节的行为(37,38),这是适应当前的研究。本研究开发了一个五点李克特量表测量的流体验虚拟现实医疗培训基于程的规模39,40),它包含五个维度,即heutagogy,毅力,互动,目标清晰,浓度。共26项附录A所示是用来衡量学习者是否流在先前的VR的医疗培训。本研究分为三个阶段:评估量表的有效性是在第一阶段进行;进行预测、可靠性测试和有效性测试被执行在第二阶段;在最后阶段,发行规模来衡量的流经验资深医学生在虚拟手术。

评估内容的有效性后,预试的修改版本,可靠性测试和有效性测试证明。量表的阿尔法(克伦巴赫系数法)是一种检验方法的可靠性。这是李克伦巴赫1951年提出的。它是最常用的可靠性分析方法在社会科学研究。在一般的探索性研究中,基线的克伦巴赫α系数是0.6和0.8以上的价值被认为是高度可靠。克伦巴赫α系数达到0.804,而KMO和Bartlett系数是0.729,团体= 0.000。规模的可靠性令人满意,确保仪器的厚重和健身。

3.2.3。生理测量仪器

虽然调查一般用于探索个人的流动体验(41),它可能在虚拟现实中断身临其境的体验。由于担心这种限制,等电生理测量心电图(特别是心率)提出了交替。这些心理生理的方法可以有效地促进学习者身临其境的体验;此外,收集的数据从心理生理测量是客观数据避免了主观性。

在这个研究中,一个极性心率胸带是用来测量心率在医疗培训。如图3,极地S810i心率监测器在这项研究中,它已获批准,成为可靠的仪器在研究领域42,43),尤其是在医学检验(44]。

3.3。过程

本研究的过程,如图4,包括三个步骤。在第一步中,实验目标和程序介绍了参与者,这是紧随其后的是参与者随机分为两组,和他们进行presurvey所需。每个参与者约20分钟完成了预考:人类结肠切除术解剖的任务。

在第二步中,两组被训练使用模拟器开发VR腹腔镜结肠切除术4周,平均每天有1.5小时为每个参与者。组1对照组没有触觉反馈,和第二组实验小组启用了触觉反馈。

在第三个步骤中,所有的参与者被要求reoperate解剖人类结肠切除术作为后续测试任务,其次是postsurvey。解释调查结果,我们采访了16个参与者和录制音频对话。最后,所有前后检查视频收集和发送到四个高级腹腔镜外科医生。看测试视频后,四个专家匿名取得独立学习者的性能,基于全球的腹腔镜手术评估技能(目标)标准(1),腹腔镜手术技能评估四个方面。分数的平均值用于以下分析。

4所示。结果

在这个实验中,两个主要的研究问题是调查。第一个是VR触觉反馈对流动的影响医学生的经验。第二个是VR触觉反馈技术性能的影响。

4.1。经验数据流分析

探讨虚拟医学触觉反馈训练对学习者的影响,t以及采用探索是否有统计差异VR +触觉技术组和虚拟现实。如表所示2和图5,平均总流经验成绩实验组和对照组的3.8975 (SD = 0.27175)和3.1285 (SD = 0.36032),这表明,两组之间有显著性差异(t= 7.392; )触觉反馈的交互流经验。

我们考虑流的经验包括五个维度:heutagogy,目标清晰,交互,浓度和毅力。目前的研究进一步研究不同维度的影响学习者之间流的经验。如表所示2,实验组与对照组相比显著差异在所有维度。(我)技能方面的挑战,实验组与对照组(最可观的区别t= 7.639, )。由于个人技术水平是最重要的一个祖先的流动性,触觉交互能增强学习者的挑战的能力和技能45]。(2)的勇气,实验组和对照组之间的显著差异(t= 3.028, )。先前的研究表明,传统的教育游戏学习效果差,而虚拟现实游戏可以增加人类的参与和对学习的热情46]。这项研究的结果证明流体验获得的虚拟触觉反馈培训可以提高学习者的毅力参与。(3)明确的目标,实验和对照组之间的差异是最小的(t= 2.694, )。这两组学生在实验的开始收到明确的目标,和他们继续接受不同的阶段目标。因此,虚拟触觉反馈训练影响不大的明确的目标流经验。(iv)在浓度方面,实验组的得分显著高于对照组(t= 3.228, )。因此,结果表明,带来的浸入式虚拟现实触觉反馈培训可以使医学生有更强的浓度在技能培训。(v)的互动,也有实验组和对照组之间的显著差异(t= 3.114, )。实验组感觉比对照组更互动。这种交互可以给学习者一种探索的乐趣和经验(23]。因此,我们可以得出结论,提高互动是至关重要的维持学习者的浓度在虚拟手术。它也有助于提高学习者的控制和沉浸感。

4.2。技术性能数据分析

结肠切除术前后测试是根据目标标准评估从四个维度。如图6和表3、手术技能的得分任务在对照组显著低于实验组。结果表明,训练和VR + haptics-based腹腔镜模拟器将提高医学生的整体性能。(我)在深度知觉方面,实验组的性能明显高于对照组(t= 5.487, )。结果表明,触觉反馈在虚拟现实训练可以改善深度知觉能力。

然而,由于不同的实验材料,有一些差异在两组的效率(t= 5.691, )。因为触觉设备能促进学习者高身临其境的感觉在虚拟环境中,我们发现,实验组可以更快、更有效地完成结肠手术后一周的训练。

用双手的灵活性方面,实验组参与者获得相对更高的分数比对照组(t= 5.691, )。在培训和真正的腹腔镜手术,手的运动对手术器械的运动。这是一个挑战为新手参与者熟练操作手术器械在这么短的时间内。因此,这两个组之间没有显著差异。提高操作熟练的腹腔镜仪器,参与者必须采取更多的时间来实践和适应环境。

组织处理,实验组的得分显著高于对照组(t= 4.651, )。这表明,在真正的腹腔镜手术,触觉训练更有帮助提高组织处理。

根据标准偏差的结果两组,实验组的标准差小于对照组的多个维度。结果表明,经过一段时间的训练,学生们不仅操作中表现得更好,也有更强的稳定性,和实验群体之间的差异较小。

4.3。分析参与者的心率

从表4,我们可以清楚地看到之间的心率的比较对照组和实验组。可以看出,平均心率和最大心率的实验组明显低于对照组 ,而最低心率并没有太大的区别。

通过分别计算内部两组之间的差异,可以发现,实验组的平均心率的方差更小(SD = 4.16),和心率的变化更平稳,而对照组的平均方差比较大(SD = 4.81)和心率波动(图更加突出7)。两组不同的方差(t= 1.186, ),这可能表明有效的交互可以带来更稳定的心率。

5。讨论

5.1。虚拟现实交互影响的医疗培训的效果

目前的研究预测,腹腔镜手术的培训系统,基于虚拟现实+触觉技术,在临床教学是深刻的。触觉反馈被认为是最重要的和具有挑战性的组件之一,虚拟现实模拟器。检查性能在虚拟腹腔镜结肠切除术前后训练模拟器,参与者被随机分为两组根据他们是否装有触觉反馈。实验结果表明,虚拟现实+触觉技术显著提高学生的操作技能和学习过程中生成的强流经验。

5.2。虚拟现实交互在技能习得的影响

本研究使用的目标标准评估腹腔镜结肠切除术的学习性能采集技能。目标标准被认为是一个有效的工具一套国际公认的手术技巧和结构有效性评价方法。金等。47)提供实证支持交互性和流的挑战和技巧之间的关系维度(48]。技能方面的提高,我们发现触觉装置可以显著提高学生的深度知觉能力。实验组的学生表达了他们对整个过程的理解,而对照组更加关注细节,如设备操作。对照组的学生可能感到自由探索仪器和手术方法,表明学生可以受益于独立的学习方法。

然而,两组差别不大的手协调。这可能是由于培训时间短,和学习者尚未在短时间内掌握了手术器械的技能。

5.3。VR +触觉的作用四维流的经验模型

几乎没有互动学习环境的研究集中在医学教育的触觉反馈。通过两组实验中,实验组的学生得分高在流的经验中,这表明,身临其境的学习环境构建的虚拟现实训练箱可以给学习者带来更好的沉浸感。双通道的视觉和触觉技术增强用户的情感需求,进一步达到最好的体验学习的状态。

6。结论和局限性

在这项研究中,我们采用腹腔镜手术模拟器在虚拟现实环境中促进学生技能的习得。探讨腹腔镜手术训练系统是否与触觉反馈学习者可以显著的影响,设计一个实验来评估学习者的性能和流经验。实验结果表明,实验组的技能与触觉反馈已经大大改善。流经验的得分在实验组高于对照组。此外,心率的变化更稳定,支持,有一个更好的实验组身临其境的体验。

然而,在这项研究中相对较小的样品池。是探索性研究VR +触觉学习性能的影响与未来大规模的样本。与多通道分析技术的发展,除此之外,其他生理数据生成在虚拟现实环境中,如脑电图、眼动跟踪数据,提出了参与。目前,这项研究只探讨了间隙心率和流经验之间的关系。在未来,需要更多的生物反馈的方法被用来分析生理数据之间的关系和流经验。

附录

答:流动的规模VR +触觉的经验背景

(1)当我进行实验,很少有我的行动之间的等待时间和计算机的响应。(2)与实验是快速交互。(3)这个实验我通常执行加载迅速。(4)玩的实验挑战我。(5)玩的实验挑战我发挥最好的能力。(6)玩我的技能的实验提供了一个良好的测试。(7)我非常擅长进行这个实验。(8)我知道更比大多数用户进行这个实验。(9)你如何评价你的技能在执行这个任务,相比其他的东西在电脑上你吗?(10)我可以使用外科手术工具来控制对象在实验环境。(11)在虚拟现实环境中更可控的对象。(12)你认为你经历过流在这个实验吗?(13)大部分时间我进行这个实验我觉得我在流。(14)总体工作目标是在实验的开始。(15)总体目标提出了明确的任务。(16)中间目标是在每个场景的开始。(17)中间目标是介绍清楚。(18)通过实验我了解学习目标。(19)实验增加我的知识。(20)我发现知识教育的基本思路。(21)我试着在实验中应用知识。(22)有不一致或断开连接的信息来自你的各种感官?(23)多少钱你的经历在虚拟环境中似乎符合你的实际经验吗?(24)我给自己快乐进行这个实验。(25)我可以说,我特别喜欢这个实验。(26)我有一个强烈的兴趣这个实验。

数据可用性

使用的数据集或分析在当前研究可从相应的作者在合理的请求。

同意

书面知情同意出版了从所有参与者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了中国国家重点研发项目(没有。2018 yfc0115102),中国国家自然科学基金(U20A20195。61872020, 61672149, 62177042),北京自然科学基金海淀原始创新联合基金(L182016),北京先进的生物医学工程创新中心(ZF138G1714),虚拟人的研究单位和虚拟手术、中国医学科学院(2019 ru004),基础研究基金为中央大学,2021年,在国家重点实验室(VRLAB2021D10)开设资金,并协同创新中心的研究项目基金向北京师范大学基础教育质量评估:2021 - 01 - 131 - bzk01。