基于混合现实的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台构建.pdf

窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024基于混合现实的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台构建杜文琼，宗兆文*，钟鑫，蒋仁庆，贾益君，陈灿，王川栓（陆军军医大学陆军卫勤训练基地战救技能训练教研室，创伤烧伤复合伤实验室，重庆400038）摘要目的院构建基于混合现实（mixed reality，MR）的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台，为军医的手术技能培训开辟一条新路径。方法院颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台主要由颅脑战伤损伤控制手术模拟训练软件、颅脑战伤损伤控制手术人体模型以及HoloLens 2 MR设备组成。模拟训练软件在构建手术决策训练体系、创建虚拟手术环境、实现功能模块的基础上，使用C#语言，借助MR、基础手势、空间扫描定位等核心技术进行开发。颅脑战伤损伤控制手术人体模型参照身高180 cm成年男性标准体型定制，同时开发电子芯片放置于人体模型头颅内部，可与模拟训练软件进行数据匹配。再将模拟训练软件于HoloLens 2 MR设备中安装运行，实现在虚实结合模型上进行颅脑战伤损伤控制手术模拟训练。结果院本平台实现了虚实结合模型重置定位、手术模拟训练与考核及现场示教功能，在激发学习兴趣和提供无风险、不受时间空间限制、沉浸式交互学习方法等方面优势明显，得到了受训者的普遍认可。结论院采用本平台进行颅脑战伤损伤控制手术模拟训练是一种创新性的、整体效益比较高的训练方法，可为其他方法提供有力补充，有助于提升军医的损伤控制手术能力。关键词混合现实；颅脑战伤；损伤控制手术；模拟训练；手术模拟中国图书资料分类号R318曰R319文献标志码A文章编号1003-8868渊2024冤02-0017-05DOI院10.19745/j.1003-8868.2024023Construction of damage control operation simulation training platformfor traumatic brain injury of wartime based on mixed realityDU Wen-qiong,ZONG Zhao-wen*,ZHONG Xin,JIANG Ren-qing,JIA Yi-jun,CHEN Can,WANG Chuan-shuan(Teaching and Research Section of Combat Casualty Care Training,Army Training Base for Health Care,Army MedicalUniversity,Laboratory of Trauma,Burn and Combined Injury,Chongqing 400038,China)AbstractTo develop a damage control operation(DCO)simulation training platform for traumatic brain injury(TBI)in wartime based on mixed reality to open up a new path for surgical skills training of military surgeons.Theplatform mainly consisted of wartime TBI DCO simulation training software,a surgical manikin and a HoloLens 2 MR device.The simulating training software was developed with C#language and the technologies of MR,basic gestures,spatial scanningpositioning and etc on the basis of constructed surgical decision-making training system,virtual surgical environment andfunctional modules.The surgical manikin was customized with reference to the standard body type of an adult male with aheight of 180 cm,and an electronic chip was developed and placed inside the head of the manikin to execute data matchingwith the simulation training software.The simulation training software was installed and run in the HoloLens 2 MR device torealize TBI DCO simulation training on the virtual reality interactive model.The platform developed implemented thefunctions of virtual reality interactive model reset positioning,operation simulation training,examination and on-sitedemonstration,which gained advantages in stimulating learning interest and facilitating risk-free,time-and space-indepen-dent,immersive and interactive learning and was generally recognized by the trainees.The simulation trainingplatform can be a supplementary to other training means to improve the ability of military surgeons in damage controloperation.悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造袁2024袁45渊2冤院17-21Key wordsmixed reality;traumatic brain injury;damage control surgery;simulation training;operation simulation0引言近年来，随着计算机技术的迅猛发展，虚拟现实（virtual reality，VR）、增强现实（augmented reality，AR）、混合现实（mixed reality，MR）等技术不断涌入大众的视野，且随着其不断发展完善，越来越多被应用于医学教育领域，提供了一种完全沉浸式、自由交互式的数字学习环境。MR是VR和AR技术之后出现的一种新的数字全息影像技术1，其利用全息设备栽澡藻泽蚤泽论著杜文琼，宗兆文，钟鑫，等.基于混合现实的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台构建J.医疗卫生装备，2024，45（2）：17-21.17 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024将3D影像投射到MR学习环境中，可以更好地实现视觉效果逼真的交互学习2。VR、AR和MR 3项技术应用于医学模拟培训中各具优势，但MR是硬件方面最先进，也是视觉渲染方面最难实现的技术3，其将物理世界和虚拟世界融合，打通了虚拟世界、现实世界和用户之间的多条交互反馈通路，在视觉呈现、自然交互、触觉反馈方面更占优势，从而在提供高度真实感的数字学习环境方面更具备发展潜力。在过去的手术技能培训中，往往通过在动物湿性器官或动物模型上进行操作练习，最终在专家面对面指导下于真实患者身上进行实践。而MR等技术在医学教育领域的广泛应用，给手术技能培训提供了一种全新的思路。Li等4研发的MR备牙训练系统已被证明可以使受训人员获得更好的牙科技能培训体验。Bova等5利用MR技术研发了脑室引流、颅骨钻孔、经皮治疗三叉神经痛等模拟训练平台，可提供3种模拟训练手术操作。Schoeb等6的研究发现，MR模拟训练系统在指导外科实用技能方面前景广阔，很有可能达到更好的学习效果。目前有很多研究表明7-11，受训者对基于VR/AR/MR技术的模拟训练表现出了更大的热情和兴趣。可见，MR技术在手术模拟训练的应用上发展潜力巨大。目前，国内关于MR技术在医学模拟培训中的应用研究多处于起步阶段，大部分开展的是基于MR技术的简单临床技能模拟培训研究。此外，在MR医学模拟培训中如何模拟触觉反馈以增加培训体验的真实感是该领域当前普遍面临的难点。综上，对于MR技术的应用和深度开发仍有较大的探索空间。损伤控制手术能力是军医的核心能力之一，对降低严重战伤伤员的伤亡率至关重要。目前我军基层军医的战伤手术能力不容乐观，且缺乏有效的进修提升渠道。本研究拟借助MR技术，构建基于MR的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台，为军医的手术技能培训开辟一条新路径。1设计思路本平台主要由颅脑战伤损伤控制手术模拟训练软件、颅脑战伤损伤控制手术人体模型以及微软HoloLens 2 MR设备组成（如图1所示）。颅脑战伤损伤控制手术模拟训练软件在构建手术模拟训练体系和创建虚拟手术环境的基础上进行开发，可实现虚实结合模型重置定位、颅脑战伤损伤控制手术模拟训练及考核、现场示教等功能。颅脑战伤损伤控制手术人体模型参照成年男性标准体型定制，开发电子芯片放置于头颅内部，通过无线连接实现人体模型与手术软件数据同步。在上述工作的基础上，将手术软件打包成执行程序在HoloLens 2 MR设备中安装应用，实现在虚实结合模型上进行颅脑战伤损伤控制手术模拟训练，完成以MR为基础的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台构建。本平台可以提供颅脑战伤去骨瓣开颅减压术核心手术步骤的流程式、沉浸式模拟训练，并设计有训练和考核2种模式，可同时实现对受训者的培训与考核，并且可通过连接投影设备实现教员对训练过程的示范、指导和观摩。2具体设计2.1颅脑战伤损伤控制手术模拟训练软件的开发颅脑战伤损伤控制手术模拟训练软件在构建手术决策、流程体系和创建虚拟手术环境的基础上，使用Unity 2019.3.0f6作为主要开发环境，C#作为编程语言，借助MR、基础手势、空间扫描定位等核心技术进行开发，并使用自定义C#服务器和用户数据报协议（user datagram protocol，UDP）实现客户端服务器通信，支持多人同时开展模拟训练。该软件具有以下3个功能：（1）虚实结合模型重置定位功能：根据虚实结合训练需求，提供虚拟人体模型对应实体模型进行位置查找、调整和匹配功能；（2）手术模拟训练和考核功能：区分手术模拟训练和考核2种模式，提供智能语音导航下手术模拟训练功能和自由探索下手术模拟考核功能；（3）现场示教功能：根据手术模拟训练中教学指导和观摩等需求，提供投影显示等功能。图1颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台架构图可视化应用体系支撑体系功能应用运行环境虚实结合模型重置定位手术模拟训练及考核现场示教支持虚实结合模型位置查找、调整和匹配 手术流程模拟 手术触觉反馈模拟 单人/双人互动模拟训练 考核评分 支持计算机屏幕显示 支撑接入投影等设备展示颅脑战伤损伤控制手术人体模型颅脑战伤损伤控制手术模拟训练软件HoloLens 2 MR设备基金项目院军队科研项目作者简介院杜文琼（1990），女，硕士，讲师，主要从事战伤救治技术模拟训练方法与标准研究方面的工作，E-mail：。通信作者院宗兆文，E-mail：栽澡藻泽蚤泽论著杜文琼，宗兆文，钟鑫，等.基于混合现实的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台构建J.医疗卫生装备，2024，45（2）：17-21.18 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 20242.1.1颅脑战伤损伤控制手术决策及流程体系的建立构建颅脑战伤损伤控制手术决策及流程体系，可为后续的软件开发提供理论支撑。以颅脑战伤去骨瓣开颅减压术为例，设置手术的关键步骤为：作手术切口钻孔钝性分离硬脑膜与颅骨采用线锯锯开颅骨清除血肿及血凝块（根据情况决定是否切开硬脑膜）减张密闭缝合硬脑膜关闭头皮。同时，将关于该手术的重要决策点穿插于手术流程中，以训练受训者的手术决策等非技能性技术能力。2.1.2虚拟手术环境的创建虚拟手术环境主要包括3D人体虚拟模型、手术器械虚拟模型、伤情模拟、手术动画模拟、手术语音导航等。3D人体和手术器械虚拟模型在实物参考（人体模型参照身高180 cm成年男性标准体型，手术器械参照标准医疗器械）12以及美术作图的基础上，采用3Dmax技术和高面数模型烘焙法线技术进行制作，制作成的3D人体虚拟模型及手术器械虚拟模型如图2、3所示。伤情则通过参考颅脑战伤图像及视频，使用3D次世代建模技术进行高仿真模拟，对创面的大小、形态、颜色进行高度还原。手术动画模拟则是在仿真建模的基础上进行融合变形驱动和动画关键帧制作，然后将动画导入到3D引擎，与时间、场景匹配后生成。手术语音导航则是根据手术相关信息进行录音，对应关键手术步骤及提示需求设置程序，制作交互界面，通过按键控制播放。2.1.3软件功能的实现在上述工作基础上，根据平台整体设计和软件功能模块实现等方面的要求，使用C#语言进行软件程序编写，实现以下功能：（1）虚实结合模型重置定位功能的实现。首先，使用HoloLens 2 MR设备的双目摄像头对颅脑战伤损伤控制手术人体模型（和软件开发同步制作）进行扫描建模，建模过程中使用第三方图像建模算法生成人体模型的3D模型识别关键点，并将3D模型识别关键点的相关数据模型存储下来。其次，将数据模型采用人工制作的方式和已经建好的损伤控制手术3D人体虚拟模型进行数据绑定。最后，依据数据模型和3D人体虚拟模型二者之间的比例、位置等数据编写程序，使得3D人体虚拟模型的中心点对准数据模型的中心点后就可实现虚实结合模型的对齐匹配。（2）手术模拟训练和考核功能的实现。根据真实损伤控制手术流程编写程序，模拟训练全程设计有文本与语音提示，同时可支持双人协作训练，利用自定义服务器连接多台设备，实现主刀与助手共同进行模拟手术训练；而模拟考核则全程无提示，根据手术操作标准设计评分标准，考核结束后会显示具体的扣分点。（3）现场示教功能的实现。通过设置应用程序底层通信协议以及借助MR眼镜全息投影功能，实现手术模拟训练和考核的全程投屏，使教员可以及时介入指导。2.2颅脑战伤损伤控制手术人体模型的制作参照身高180 cm成年男性标准体型定制人体模型（如图4所示），该模型匹配支持无线传输180 Hz数据输出。同步开发写入蓝牙程序代码的电子芯片并放置于人体模型的头颅内部，支持与颅脑战伤损伤控制手术模拟训练软件进行数据匹配。手术模拟训练软件在开发时预留有蓝牙通信接口与软件开发工具包（software development kit，SDK）接口，随时支持第三方设备的接入。通过无线连接，可实现颅脑战伤损伤控制手术人体模型与手术模拟训练软件的数据同步，例如受训者在颅脑手术模拟训练中作切口时，3D人体虚拟模型和人体模型的切口可同步打开（如图5所示）。2.3依托HoloLens 2 MR设备实现虚实结合颅脑战伤损伤控制手术的模拟训练将颅脑战伤损伤控制手术模拟训练软件打包成执行程序在微软HoloLens 2MR设备中安装。安装好后以此MR设备为载体运行软件程序，同时依托计算机服务器进行部署。该MR设备的双目摄像头在使用时可对周围空间进行深度图像扫描，当识别出颅脑损伤控制手术人体模型的空间位置时，会将3D人体虚拟模型和其进行对齐匹配，接下来运行软件程序，实现在虚实结合模型上进行颅脑战伤损伤控制手术模拟训练。颅脑战伤损伤控制手术模拟训练示意图及颅脑战伤去骨瓣开颅减压术模拟训练关键步骤示意图如图6、7所示。3应用效果本平台于2022年3月交由第三方测试机构对系统功能进行全面测试，通过测试后于2022年5月正式投入到任职教育某培训班战时损伤控制手术与复苏课程中使用。在教员通过投影示教后，28名受训者逐一体验了基于本平台的损伤控制手术模拟训图23D人体虚拟模型图3手术器械虚拟模型栽澡藻泽蚤泽论著杜文琼，宗兆文，钟鑫，等.基于混合现实的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台构建J.医疗卫生装备，2024，45（2）：17-21.19 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024表1针对颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台的问卷调查结果练和考核功能，并在充分体验的基础上接受了问卷调查。接受问卷调查的人员均为临床医学专业，且具有5年以上临床工作经历。问卷采用Likert量表评分方法，针对提供的陈述性语句给予评分。评分为1耀7分，分别代表非常同意、同意、倾向于同意、未决定、倾向于不同意、不同意、非常不同意。收集问卷评分，计算其平均值和方差来统计受训者对本平台效果的评价。平均得分以小数点后的第1位数字按照“四舍五入”原则靠近的整数为基准，选取最靠近的整数分值作为评价得分。问卷调查结果详见表1。结果表明，受训者同意Q1，倾向于同意Q2、Q3和Q5，倾向于不同意Q4。可见受训者普遍认可基于MR的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台，一致认为本平台的训练方法有趣且能够更好地激发学习兴趣。结合受训者现场反馈的意见看，大部分认为本平台在提供反复多次无风险的训练、随时随地可开展自主探索练习等方面较传统训练方法更具备优势，且沉浸式的交互学习模式更加利于知识点的掌握与转化，可与传统的手术训练方法有力互补。4讨论损伤控制手术的早期实施被认为是战争中伤员存活率大大提高的关键原因之一13。可见，注重对军医损伤控制手术能力的培训十分必要。目前，主要基于战伤动物模型开展战伤损伤控制手术模拟培训的方法主要有基于致伤机器、致战伤动物模型的损伤控制手术训练，基于爆炸伤平台的批量动物伤员损伤控制手术训练以及以枪支穿透伤动物模型为基础的损伤控制手术训练，但这3种训练方法对于平台条件建设的要求较高，且存在一定的安全风险。因此，本研究拟探索一种和上述方法互补的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台，拟为军医的手术技能训练开辟一条新路径。由于颅脑外伤是战时伤亡的首要原因，其发生率占全身各部位伤总数的10%耀28%，损伤程度和致死率均高于平时14，所以本研究建立的训练平台以颅脑战伤为伤情作初步探索。当前，已有许多研究证实了MR技术对于医学模拟培训具有促进作用，普遍认为MR技术在外科技能培训的应用上具有巨大潜力，因为其可以提供一种安全、可反复练习、效益比高的选择，使受训者在不会对患者造成任何伤害和危险的情况下以更自然的方式习得技能，并且可增加用户交互体验的真实感和学习乐趣等，可见其在手术模拟训练领域的前景不可估量7-11。本研究建立的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台基于MR技术构建，主要在以下3个方面有所突破：（1）在培训手术决策等非技能性技术方面较其他方法有优势。基于动物模型的训练方法更加侧重于手术实践技能的训练，而本平台使受训者身临其境体验手术流程的同时穿插了多个决策点，在抽象思维能力训练方面具有独特的优势。（2）实现了3D人体虚拟模型和人体模型的无缝匹配重叠，使受训者可在虚实结合模型上开展手术练习。MR技术的3个主要特点是现实与虚拟世界的结合、实时交互和精确匹配15-16，但受限于技术的成熟度，其在现实和虚拟的结合上难以尽如人意，而本研究在虚实人体模型的结合上有所突破，达到了精确匹配。（3）在增加触觉反馈、提高训练代入感上有了初步进展。有研究者认为，尽管VR、AR等技术在提供交互沉浸式学习方面优势明显，但其缺点是没有考虑高仿真模拟中的触觉反馈，有的研究者则认为VR技术由于缺乏真实感而无法应用于临床实际操作训练中，因为临床医生似乎很难将自己沉浸在其中17-18。相比之下，MR技术在实现触觉反馈方面存图6颅脑战伤损伤控制手术模拟训练示意图图7颅脑战伤去骨瓣开颅减压术模拟训练关键步骤示意图图4颅脑战伤损伤控制手术人体模型图53D人体虚拟模型和人体模型切口同步打开的示意图问题陈述性语句得分/分Q1我认为基于该平台的训练方法比传统的训练方法更能激发学习兴趣2.44依1.28Q2我认为基于该平台的训练方法符合我对损伤控制手术技能学习的预期2.78依1.22Q3我认为基于该平台的训练内容清晰明确2.70依1.77Q4我认为基于该平台的训练内容让我感到困惑5.04依1.45Q5我认为经过该平台训练，对于下一步开展该类型损伤控制手术更加有信心2.85依1.53栽澡藻泽蚤泽论著杜文琼，宗兆文，钟鑫，等.基于混合现实的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台构建J.医疗卫生装备，2024，45（2）：17-21.20 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024在不可比拟的优势。本研究通过计算使得受训者在切开皮肤时可感受到震动反馈，同时人体模型的切口对应打开。此外，人体模型的使用被动引入了部分触觉反馈，使得训练真实感更强。5结语本研究初步建成了以MR为基础的颅脑战伤损伤控制手术模拟训练平台，本平台可提供无风险、不受时间空间限制、沉浸式交互学习等常规手术训练不具备的训练方式，是一种创新性的、整体效益比较高的损伤控制手术模拟训练方法，可作为其他方法的有力补充。从初步的研究结果看，本平台在提高受训者学习积极性方面优势明显，将有助于促进学习效果的提升。但需要指出的是，本平台更适用于手术技能初始阶段的培训，用于培训新手或者是对某领域损伤控制手术不熟悉的人员。下一步，本平台需要改进完善的地方主要有：（1）进一步开发不同的损伤控制手术模块，支持多个部位损伤控制手术的培训；（2）深入探索如何基于MR技术使训练中的触觉反馈更进一步，以使受训者的训练体验更加真实；（3）对于本平台应用效果的评价主要基于使用人员的整体体验感，没有针对平台的每个应用模块去评估，下一步需结合平台的完善开展全面评估。参考文献1TEPPER O M，RUDY H L，LEFKOWITZ A，et al.Mixed rea-litywithHoloLens：wherevirtualrealitymeetsaugmentedrea-lity in the operating roomJ.Plast Reconstr Surg，2017，140（5）：1 066-1 070.2New Media Consortium.NMC horizon report：2018 highereducation editionEB/OL.2023-12-17.https:/library.edu-cause.edu/resources/2018/8/2018-nmc-horizon-report utm_source=Informz&utm_medium=Email&utm_campaign=Lib-rary.3LUNGU A J，SWINKELS W，CLAESEN L，et al.A review 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