经皮泌尿镜模拟器作为培训工具的可行性：一项初步研究

摘要

硬膜外窥镜是一种脊柱介入术，它使用纤维光学镜通过骶骨裂孔显示硬膜外间隙。然而，与传统干预措施相比，这在技术上是困难的，并且容易出现并发症。手术模拟器已被证明是一种很有前途的医学教育模式。为了开发尿路镜模拟器并证明其对尿路镜培训的有效性，我们进行了一项病例对照研究，共有20名医生参加。参与者被分为经验超过30次的专家组和经验较少的初学者组。虚拟模拟器（EpiduroSIM）™, 生物计算实验室（韩国天安KOREATECH）是作者开发的一种用于外窥镜检查的实验室。参与者的表现由三个项目来衡量：达到虚拟目标的时间、训练分数和侵犯硬脑膜和神经的次数。专家组的训练成绩较好（75.00分对67.50分； ）．专家组中的违规数量较低（3.50比4.0； ）．40%的人认为硬膜外模拟器的真实性是可以接受的。参与者通过反复尝试提高了他们的模拟器技能。硬膜内窥镜模拟器帮助参与者了解解剖结构和实际的硬膜内窥镜。

1.介绍

硬膜外窥镜是一种脊柱介入术，它使用纤维光学镜观察骶骨裂孔的硬膜外间隙[1那2］．透镜通过直接可视化和药物递送来诊断和治疗脊柱病理[3.]治疗适应症包括硬膜外粘连松解、直接用药和炎症介质冲洗。放置导管系统和刺激电极以及进行组织活检也很有用[3.］．然而，与传统的内镜干预相比，它在技术上难以实施，如果不像其他内窥镜手术那样适当应用，则容易出现并发症[4.］．据报道，初次手术的外科医生不应单独进行硬膜外镜检查[5.］．与开放手术相比，硬膜内窥镜手术器械的活动范围有限，深度知觉丧失，手术视野不同。然而，众所周知，由训练有素的医生实施的硬膜外镜检的并发症发生率很低[4.］．然而，由于伦理问题和工作时间的限制，疼痛医生的培训正变得越来越困难[6.］．

早在20世纪80年代，雅达利(Atari)等游戏公司就引入了手术模拟器。7.］．然而，直到20世纪90年代，由于图形化的发展，手术模拟器才变得现实起来[7.]在更好的任务导向、更准确的指标和更快的反馈方面，模拟机培训已被证明是医学教育的一种有前途的模式[8.］．模拟训练的优点是可以避免在医学教育中对真实病人进行实践的潜在风险。它不像尸体实验那么麻烦，也避免了动物实验的伦理问题。模拟器训练已被积极地应用于医学的各个领域，特别是腹腔镜手术[9.那10.].然而，用于脊柱干预的手术模拟器数量有限[8.那11.-15.］．据我们所知，目前还没有计算机模拟器用于硬膜外镜检查。

因此，我们开发了一个计算机模拟器与三维(3D)软件和操纵杆界面为硬膜内窥镜训练。本研究的目的是开发硬膜外镜模拟器，并证明其对硬膜外镜训练的有效性。

2.材料和方法

2．1.Epiduroscopy模拟器

我们开发了一个虚拟模拟器(EpiduroSIM™，KOREATECH BioComputing Lab, KOREATECH, Cheonan, Republic Korea)，用于训练医生执行我们之前开发的机器人硬膜外镜(正在出版中)。机器人硬膜内窥镜使用机械手臂处理硬膜内窥镜和操纵操纵杆。在进行机器人硬膜内窥镜检查之前，操作者需要接受使用操纵杆和计算机生成的虚拟环境的模拟培训。我们认为这对手工硬膜外镜检的培训也是有用的。作为第一步，从DICOM人体计算机断层扫描数据集生成虚拟脊柱。DICOM文件通过使用Mimics软件(Materialise Inc.， Leuven, Belgium)转换为3D几何。将三维几何图形转移到三维渲染软件(Unity 3D, Unity Technologies, CA, USA)，并在三维脊柱上构建虚拟模拟器。硬膜镜模型由椎管、椎间盘、硬膜囊和脊神经组成，这些是硬膜镜训练所必需的。硬膜内窥镜模拟器由三部分组成:可视化、培训和评估。模拟器的硬件由笔记本电脑和操纵杆组成(图)1）．在模拟过程中，模拟器使用操纵杆来控制外膜镜(图)2).显示器同时提供外窥镜和透视视图（图3.）．透析视图提供了类似于实际透镜视图的视图。荧光透视图提供了类似于实际干预中使用的C形臂视图的视图。所有参数都在每个模拟中单独记录在文件中。模拟器为受训者提供培训场景，以将导管导航到病变部位。该任务旨在开发临床相关的导航技能。评估项包括完成时间和侵犯神经和硬脑的行为以及任务的完成。

2.2.模拟器实践和调查

为了评估模拟器的功能和有用性，进行了一次用户实验。获得了延世大学机构审查委员会（IRB编号：4-2017-0378）的伦理批准.所有受试者均获得了研究的知情同意。共有20名医生参与了研究。参与者被分为具有30多次电子泌尿镜检查经验的专家组和经验较少的初学者组。记录并分析了以下参数：参与者的年龄、性别、优势h并且，还有实践经验。向所有参与者提供了实验的快速指南。参与者被允许自由操作系统5天 然后，参与者参加最终的评估测试。每个参与者在同一天内进行20次模拟。模拟测试的规则如下：视野为经皮泌尿镜检查的视野。假设骶骨裂孔已被Tuoy针刺穿，并且硬膜外腔已经放置了硬膜外窥镜。硬膜外窥镜的尖端应从骶骨裂孔开始，并通过硬膜外腔到达L4–5椎间盘的后部。任务的目的是在不接触神经a的情况下尽快将导管尖端放置在靶点上硬脑膜。EpiduroSIM的训练分数™ 从最初的100分开始计分。在实验过程中，导管与硬脑膜或神经碰撞扣5分，从比赛开始每30秒扣5分。如果时间限制为5 超过分钟，扣30分。模拟测试后，要求参与者完成问卷。问卷根据之前的研究进行修改[15.].它由三个部分组成。参与者被要求按顺序5分对项目进行评分，其中5分表示最强烈的同意，1分表示最强烈的不同意。表中总结了项目和结果1。

2.3.统计分析

卡方检验用于名义变量，Mann–Whitney检验用于连续变量，以根据外窥镜经验在初学者和专家组之间进行比较。所有统计分析均使用SPSS软件版本（美国伊利诺伊州芝加哥市SPSS公司）进行，统计显著性定义为 。

3.结果

研究组由20名医生组成，平均年龄41.00岁（表1）2)。他们都是神经外科医生，他们都对脊柱疼痛进行手术和非手术治疗。初学者组包括7名医生，专家组包括13名医生。如表所示3.，专家组年龄比初学者组大（44.00岁对35.00岁； ）．所有参与者都是右撇子男性。专家组的实践经验较长( ）．

实验结果如表所示4..参与者的表现通过三个项目来衡量：达到虚拟目标的时间、训练分数以及侵犯硬脑膜和神经的次数。如图所示4.，模拟器可以区分不同水平的体验。虽然在达到虚拟目标的时间上，两组之间没有差异，中位时间为83.50 s vs. 83.00 s，但专家组的训练得分更好(67.50 vs. 75.00; )，专家组违规行为较低（4.00与3.50; ）．

调查结果总结在表格中1。评估了与实际透镜的真实解剖学和相似性程度的相似度，以在40％中可接受。这些可以在未来的研究中得到改善。然而，75％同意模拟器培训对解剖学理解有用，而85％同意模拟器有助于透镜训练。根据记录，参与者要求更好的视觉现实主义和额外的触觉功能。

4.讨论

我们的模拟器有助于向医生教授泌尿镜检查程序。它允许医生在虚拟环境中练习泌尿镜检查。它将医生在虚拟泌尿镜检查中的表现转化为分数。模拟器在反复练习后提高了医生的表现，他们报告了该方法的有效性虚拟模拟器。

各种模拟器已被用于医生培训，非侵入性评估和术前规划，以及实际实践[15.-17.].可访问性、可重复性和安全性是模拟器培训的特点，使其成为理想的教育工具[16.］．模拟训练在提高介入技能方面具有巨大的潜力。然而，在脊柱干预领域的模拟器研究仍然有限[8.那11.那12.那16.］．据我们所知，我们的系统是第一个脊髓外膜镜虚拟模拟器。

以前的模拟器通常运行在与真实解剖相似的模型上[9.那12.那15.那18.那19.]然而，我们在计算机上以图形方式实现了硬膜外窥镜模拟。真正的硬膜外窥镜是在二维（2D）上观察硬膜外腔图像时进行的监视器。因此，我们相信使用我们的模拟器和2D监视器进行的模拟练习将增强对真实的外窥镜视图的理解。此外，我们的模拟器使用操纵杆作为控制单元。它将有助于增强空间注意力和眼-手协调，就像在视频游戏中一样[10.那20.］．

然而，需要额外的设备来操作模拟器，这可以被认为是一个缺点。有些模拟器需要额外的安装空间，而且价格昂贵。此外，它不能用于商业购买。然而，开发硬膜外镜模拟器是必要的，因为硬膜外镜有一个陡峭的学习曲线。此外，在真正的病人身上练习不仅会产生伦理问题，而且考虑到可能的并发症，也不是一种低成本的培训方法。不可获得性、伦理问题、较高的成本、时间消耗和尸体的潜在危险是导致它们在外科过程中使用有限的一些方面[16.那21.］．因此，如果能够不受时间和地点的限制，无限期地练习，那将是非常有益的。16.］．

这项研究有几个局限性。首先，一些参与者评价说，他们对我们的模拟器的解剖相似性不满意。他们批评说，缺乏解剖细节，观点不自然。这将在下一次研究中通过改进图形界面加以修订和补充。其次，本研究开发了一种触觉装置，但由于实际实验的技术限制，没有使用。在未来的研究中，将在模拟器中安装触觉装置。第三，本研究的参与者人数较少;因此，我们计划在未来进行大规模的研究，招募大量的受试者。

5。结论

在这项研究中，作者开发了一种用于透镜训练的虚拟模拟器。参与者通过反复练习改善了他们的模拟器技能。透镜模拟器有助于参与者了解解剖结构和实际透镜检查程序。将要求未来的研究证明模拟器实践导致实际透视的性能提高。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

利益冲突

每个作者都证明他或她，或他或她的直系亲属，没有商业联系(例如，咨询，股票所有权，股权，专利/许可安排，等等)，这可能会对提交的手稿造成利益冲突。

作者的贡献

DAS和YSK概念化了这项研究;DAS和YSK负责方法;YH和SWJ提供了软件;YH和SWJ进行了验证;JJL和JHK进行了正式的分析;YMY启动了调查;YMY提供了资源;JJL和JHK管理数据策委;JJL，JHK，DAS和YSK编写并准备了原始草案;DAS和YSK写道，审核并编辑了稿件; YMY created the visualization; DAS supervised the study; DAS and YSK carried out the project administration; YH and SWJ obtained the funding acquisition. JJL and JHK contributed equally to this work. DAS and YSK contributed equally to this work.

致谢

本研究得到了“全球协同研发计划”(项目编号:027901)的资助。N0000890)。作者要感谢Editage (http://www.editage.kr)作英文编辑。

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