34、骨科培训中虚拟现实技术的评估与应用

骨科培训中虚拟现实技术的评估与应用

1. 研究背景与目的

在外科培训领域，虚拟现实（VR）技术正逐渐崭露头角。本次研究旨在探究VR用于外科培训的有效性，并明确该领域未来VR应用的用户需求。

2. 研究方法

2.1 样本与参与者概况

• 参与者群体 ：英国骨科外科实习生。
• 具体样本 ：从西北地区招募了9名参与者，他们均为男性，年龄在26 - 40岁之间，代表了典型的骨科实习人群。其中6名为高级骨科实习生，3名为初级实习生且致力于外科手术，但不一定是骨科手术。所有参与者均为首次体验VR应用。
• 招募方式 ：上肢顾问在每周教学课程结束时邀请9名志愿者参与研究，这9名实习生自愿参与了数据收集。

2.2 干预措施

• 每位参与者观看了一段5分钟的VR肩部关节镜360°视频，该视频是为此次研究专门拍摄的。
• 拍摄时，在主刀医生附近放置了一台360°相机，以便参与者可以通过转动头部探索完整的视野。
• 视频上叠加了两个画中画屏幕，提供更深入的观察和教育信息，包括手术的聚焦视图和带有手术旁白的PowerPoint演示。
• 参与者体验完VR手术后，分别通过调查和访谈获得书面和口头反馈。

2.3 数据收集

在定性和定量数据收集过程中，主要探索了以下三个元素：
|元素|具体内容|
| ---- | ---- |
|技术质量|确保360°视频的细节足以用于外科培训，以及从后勤和实际角度看视频是否可观看。|
|可用性|探讨VR头戴式显示器（HMD）的易用性、应用程序的导航以及从360°视频和画中画叠加层学习的情况。|
|用户体验|研究VR应用实现的沉浸程度及其对教育成果的影响，与以前的方法（如观看视频）进行比较以提出改进用户体验的建议。|

同时，还测量了头部运动数据，通过将手机固定在参与者头部后方记录陀螺仪数据。

2.4 数据分析

• 为每个参与者的调查计算总分，根据初始调查分数确定需要进一步讨论和发展的领域以及特别有效的领域。
• 访谈问题用于扩展调查结果，例如询问关于材料技术质量的问题如“视频质量是否足以学习手术流程？”，关于可用性的问题如“佩戴头戴设备的舒适度如何？”，关于用户体验的问题如“你认为如何改进体验？”。
• 对访谈数据进行审查并达成共识以支持对调查数据的讨论。
• 将陀螺仪数据的弧度文件从手机应用程序导出到Excel，以分析每个参与者头部静止运动的校准情况。

3. 研究结果

3.1 访谈和调查数据

• 技术质量
  • VR 360°视频与手机兼容性良好，能提供手术区域的足够视野，但在展示手术复杂步骤时，需要提高图形和视频质量。
  • 画中画视频可改善重要步骤的细节，但受手机分辨率影响。
  • 以PowerPoint录制并作为画中画展示的教程有助于参与者适应视频和导航软件，但部分参与者认为画中画的位置可改进。
  • 内容方面，参与者建议提供“清晰的操作旁白”和“肩部的3D视图”。
• 可用性
  • VR可远程访问，对参与者有吸引力，但依赖于实习生拥有合适的设备（VR头戴设备和装有外科培训应用的手机）。
  • 观看教程和5分钟视频后，手机电池平均下降20 - 30%，建议提供充电器或支持充电使用。
  • 目前VR可用视频数量有限，VR头戴设备重量合适，部分参与者佩戴一段时间后感觉舒适，但戴眼镜者认为可改进聚焦功能。
• 用户体验
  • VR应用受所有参与者欢迎，但系统可用性得分（SUS）为47，处于系统排名的后10%，主要原因是用户界面较难操作，如导航和控制视频存在问题。
  • 5分钟的VR外科培训视频时长合理，超过15分钟可能会降低使用频率和接受度。
  • VR比观看视频更有趣，让参与者能更好地控制关注区域，具有沉浸感，参与者感觉自己仿佛置身手术室。
  • 更详细的画中画和可跳转关键步骤的标记有助于学习，与2D视频相比，360°视频结合PowerPoint演示能提供更详细的见解和清晰解释，丰富的多模态信息是其优于标准2D视频的优势。

3.2 头部运动数据

客观头部运动显示，88%的时间头部处于中立位置或稍微向上（10 - 30°）朝向详细视图，参与者避免了极端运动，观看后感觉舒适且无身体疲劳。

下面是此次研究的流程 mermaid 流程图：

graph LR
    A[样本与参与者招募] --> B[干预措施：观看VR视频]
    B --> C[数据收集：技术质量、可用性、用户体验、头部运动数据]
    C --> D[数据分析：计算总分、访谈分析、陀螺仪数据分析]
    D --> E[得出研究结果]

4. 讨论与结论

本次研究清晰地展示了在开发VR外科培训应用时，高分辨率显示的重要性，尤其是在展示手术复杂步骤时。尽管这只是初步研究，但结果表明，与以往方法相比，VR作为外科实习生的培训工具具有显著的有效性。具体而言，本次研究中使用的VR应用设计为实习生提供了详细的图像和丰富的信息，使他们能够在远程虚拟培训中实现理论与实践的结合。

然而，在可用性方面存在一定的局限性，主要体现在实习外科医生获取VR硬件的途径上。为了开发用户友好的VR外科培训应用，提出了以下改进建议：
|改进方向|具体建议|
| ---- | ---- |
|硬件提供|为实习生提供VR头戴设备和手机，而不是依赖他们使用自己的设备。|
|电池续航|提供充电器或支持在使用VR时为手机充电。|
|视频资源|增加VR可用视频的数量。|
|设备舒适度|改进VR头戴设备的聚焦功能，提高戴眼镜者的使用舒适度。|

总体而言，本次研究表明VR有潜力改善外科实习生的教育成果，但仍需进一步研究来证实其作为培训手段的有效性。

5. 理论贡献与实际应用

VR技术在外科培训中具有多方面的益处，特别是对于骨科实习外科医生。这些研究结果对于VR开发者设计和开发有效的VR外科培训和医疗应用具有重要的参考价值。

传统教学方法虽然有效，但新兴技术如VR与传统方法相比具有独特的优势。在未来，理想的外科培训场景可能是使用接近真实人体组织的完整VR模拟，且不会对患者造成任何伤害。沉浸式技术如VR在医疗保健学习中的应用具有进一步发展的潜力，可提高外科医生在实际操作前对手术流程的熟悉程度。

然而，VR培训也存在成本方面的缺点。开发和使用VR模拟器进行培训需要大量的时间和成本，这可能会影响类似VR应用的推广。

6. 研究局限性与未来展望

本次研究存在一定的局限性，主要体现在以下两个方面：
- 样本局限性 ：仅招募了来自英国一家培训机构的两个培训水平的少量实习生样本。不同水平的实习医生，包括住院医生、新手外科医生和具有不同专业水平的外科医生，都需要学习基本技能、接受基本和高级腹腔镜手术培训或应对罕见情况的培训。因此，需要更多不同层次的样本，以证明VR培训对不同人类行为水平的有效性。
- 数据局限性 ：陀螺仪数据未提供眼动追踪信息。在医学领域，眼动追踪对于未来VR的发展至关重要，因为与2D视频相比，VR的独特之处在于实习生可以360°全方位沉浸式观察手术室。评估眼动追踪有助于确定实习生，特别是初级实习生，是否充分利用了360°视角来观察周围环境。

此外，本次研究虽然旨在评估沉浸式学习的教育影响，但数据有限。目前尚无标准化的评估格式来确定VR是否对外科教育产生积极影响。未来的研究需要评估这项技术对外科培训的教育影响，例如，评估沉浸式VR学习体验是否比以往方法能让实习生有更高的知识保留率。本次初步研究为未来开发评估VR培训的新方法奠定了基础。

未来研究的可能方向如下：

graph LR
    A[扩大样本范围] --> B[不同水平外科医生的VR培训效果研究]
    C[增加眼动追踪数据] --> D[评估实习生对360°视角的利用情况]
    E[建立标准化评估格式] --> F[评估VR对外科教育的积极影响]
    G[评估知识保留率] --> H[比较VR与传统方法的培训效果]

综上所述，VR技术在骨科培训中具有巨大的潜力，但仍需要克服一些挑战和局限性。通过进一步的研究和改进，VR有望成为外科培训的重要工具，提高外科医生的培训质量和效率。