Валидация виртуального отохирургического симулятора

http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2226-7425-2018-20-1-103-107

УДК 611.91/92+616-78

ВАЛИДАЦИЯ ВИРТУАЛЬНОГО ОТОХИРУРГИЧЕСКОГО СИМУЛЯТОРА

Мареев О.В., Мареев Г.О., Князев А.Б.

ФГБОУ ВО Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского, г. Саратов,

Российская Федерация

Аннотация. В работе описывается применение отечественного виртуального хирургического симулятора Asclepia в обучении отохирургии. Виртуальная хирургическая система, используемая авторами, является современной обучающей системой, в которой в условиях виртуальной реальности производятся диссекции и имитируются различные хирургические вмешательства. Система Asclepia отличается также созданием реалистичных тактильных ощущений при работе с симулятором, что в значительной мере дополняет процесс обучения и позволяет использовать ее для тренировки практических навыков. В итоге исследования обучающимися при помощи опросника дается комплексная оценка реалистичности симулятора, прогресса хирургических навыков при обучении на симуляторе. В результате работы с симулятором необходимо отметить, что знания обучающихся об анатомии височной кости значительно улучшились, у большинства сложилось определенное представление об отохирургических вмешательствах. За время прохождения цикла занятий на симуляторе резко уменьшилось число фатальных ошибок, более правильными и целенаправленными стали действия обучающихся. В результате работы сделан вывод о возможности значительного улучшения образовательного процесса в оториноларингологии и выведения его на новый уровень при постдипломной подготовке с использованием подобных виртуальных симуляторов.

Ключевые слова: симуляционное обучение, виртуальная реальность, отохирургия, височная кость, компьютерные томограммы.

Востребованность в обучении различным практическим навыкам в медицине растет с каждым днем. В оториноларингологии симуляционное образование развивалось по мере формирования самой специальности в течение последних полутора веков [1, с. 295-331]. Весьма специфической отраслью этой специальности является хирургия уха - отохирургия. Хирургическое лечение заболеваний уха применяется при целом ряде болезней органа слуха. Височная кость по праву считается одним из самых сложных по своему строению регионов человеческого тела, а осложнения неумелых оперативных вмешательств на ухе могут приводить к тяжелейшим последствиям - повреждение лицевого нерва; повреждения крупных кровеносных сосудов -сигмовидного синуса, внутренней сонной артерии; обнажение твердой мозговой оболочки; повреждение барабанной струны с изменением вкусовой чувствительности; головокружение, как результат повреждения стенки полукружного канала; повреждения цепи слуховых косточек и внутреннего уха со снижением слуха и появлением ушного шума.

Проверка и тренировка практических навыков в случае проведения оперативных вмешательств на височной кости возможна только на трупном материале,

что накладывает значительные ограничения. В настоящее время, благодаря прогрессу современных технологий становится возможно перенести большую часть процесса обучения в виртуальную реальность (ВР). В системе ВР пользователь может интерактивно взаимодействовать с трехмерным пространством, созданным компьютером и не существующим в объективной реальности. В этом случае традиционное обучение может быть заменено симуляционным курсом, в котором сложные хирургические манипуляции могут быть проведены в безопасном виртуальном пространстве.

В настоящее время разработано большое число виртуальных симуляторов, позволяющих достаточно детально ознакомится с анатомий височной кости, изучить практические навыки работы на костных структурах уха, и дать объективную оценку знаниям и умениям обучающегося. Однако, до стадии коммерческого распространения дошло всего лишь несколько систем. Так, определенное распространение имеют VoxelMan TempoSurg (Voxelman, Германия), Visible Ear Simulator (Alexandra Institute, Aaarhus, Дания) [2]. В последнее время на рынке появилась и отечественная разработка - система виртуальной хирургии и диссекции «Asclepia» (ООО «Лаборатория Виртуальных Систем», Россия, г. Саратов).

—---

'Журнал включен в Перечень рецензируемых научных изданий ВАК

~ 103 ~

The Journal of scientific articles "Health and Education Millennium", 2018. Vol. 20. No 1

http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2226-7425-2017-20-l —--—

Система для виртуальной хирургии и диссекции «Asclepia» представляет собой оригинальную российскую разработку и доступна коммерчески с 2016 года. Система представляет собой моноблок, конструктивно исполненный в стальном корпусе, имеющем дисплей с тачскрином (в ранних версиях - два дисплея, диссек-ционный и вспомогательный), снабженный двумя гап-тик-устройствами оригинальной конструкции [4]. Устройство является многофункциональным и предназначено для использования в обучении хирургии височной кости, околоносовых пазух, основания черепа, во всех отраслях стоматологии, нейрохирургии. Также авторами заявляются возможности использования системы в травматологии и ортопедии в будущем. Система поставляется с различными вариантами задач по хирургии височной кости (в базовой версии 12 задач), диссекции околоносовых пазух (в базовой версии 10 задач), различными стоматологическими задачами. Создание моделей, используемых в задачах симуля-тора «Asclepia» происходит на базе компьютерных томограмм, что при использовании современных снимков с высоким разрешением обеспечивает максимальную реалистичность моделируемых структур, позволяет закладывать самые различные варианты анатомического строения, а преподавателям - создавать любые собственные задачи [7]. Используется анаглифическое создание стереоскопического изображения. Управление оборотами бормашины осуществляется динамически, при помощи ножной педали, чувствительной к силе нажатия. Система «Asclepia» позволяет максимально реалистично имитировать процесс работы бормашиной, с одновременным использованием второй руки под вспомогательный инструмент (хирургический аспиратор, стоматологической зеркало и т.п.), легко приспосабливается для левшей; имеет внешний видеовыход что позволяет использовать ее для аудиторных занятий и мастер-классов. Высота симулятора регулируется с помощью электропривода, что немаловажно для обеспечения комфортных условий обучающегося, для создания опоры под кисти рук используются специальные гибко регулируемые подлокотники.

Цель работы - дать оценку использованию виртуальной системы хирургии височной кости при постдипломном обучении в курсе оториноларингологии.

Материалы и методы. Курс виртуальной диссекции височной кости на симуляторе «Asdepia» предлагался обучающимся в ординатуре и интернатуре на кафедре оториноларингологии ФГБОУ ВПО «Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского» (всего 31 человек). Эти обучающиеся до момента проведения работы не имели практического представления о хирургии височной кости. Работа на симуляторе проводилась под контролем нескольких преподавателей имеющих постоян-

ную и значительную практику хирургии уха. После короткого индивидуального вводного курса, позволяющего начать работу на симуляторе обучающимся предлагалось провести диссекцию височной кости, содержащую ряд последовательных шагов: трепанировать сосцевидный отросток, препарировать синодуральный угол, определить расположение антрума, сигмовидного синуса, твердую мозговую оболочку (ТМО), удалить заднюю стенку наружного слухового прохода, определить состояние цепи слуховых косточек, выделить лицевой нерв. При работе с «Asdepia» по желанию обучающихся выдавались и другие учебные модули, содержащиеся в базе данных симулятора, кроме стандартной височной кости нормального пневматического строения, кроме того проводились разборы клинических случаев с использованием симулятора и томограмм конкретных отиатрических больных. Для этого использовалась возможность симулятора создавать модели на базе представляемых ему компьютерных томограмм в формате DICOM. В целом работа с каждым обучающимся занимала от 20 минут до нескольких часов и заканчивалась по желанию обучающегося. Занятия с каждым проводились не менее 3 раз, с большинством обучающих проведено 5 занятий. По окончании работы обучающимся предлагалось ответить на ряд вопросов. Оценка свойств симуляторов проводилась по пятибалльной шкале (например, 1 -полностью нереалистично, 5 - весьма реалистично; или 1 - не пригоден для обучения, 5 - идеально подходит для обучения). Также обучающимся предлагалось высказать свои впечатления от работы на виртуальных симуляторах и оценить их в целом. Кроме этого представлены средние результаты по нескольким параметрам, позволяющим характеризовать прогресс обучающихся, автоматическую оценку которым дает симуля-тор. Среди этих параметров - фатальные ошибки (повреждения жизненно важных структур), некритические ошибки (повреждения структур, не являющихся жизненно важными, однако нежелательные в ходе выполнения данной процедуры), общий объем верно и неверно удаленной костной ткани. Фатальными ошибками являются - повреждение сонной артерии и сигмовидного синуса, луковицы яремной вены, глубокие повреждения вещества головного мозга. К некритическим ошибкам относятся - повреждение лицевого нерва, барабанной струны, слуховых косточек (при их наличии в задаче), незначительные повреждения твердой мозговой оболочки. Для оценки удаления объема костной ткани в симуляторе «Asdepia» применяется обобщенная модель среднего объема удаленной костной ткани, полученного в результате нескольких подобных виртуальных вмешательств, проведенных заранее опытным отохирургом. Статистический анализ

The Journal of scientific articles "Health and Education Millennium", 2018. Vol. 20. No 1

http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2226-7425-2018-20-l —--—

результатов был проведен нами в электронной таблице дущий стаж работы по оториноларингологии отсут-Microsoft Excel 2010. ствовал. Результаты проведенного нами опроса пред-

Результаты. В группе обучающихся средний воз- ставлены в табл. 1. раст составил 23.5 года (в диапазоне 22-28 лет), преды-

Таблица 1.

Средняя оценка обучающимися виртуального симулятора «Asclepia»

Параметры оценки Балл

Реалистичность изображения анатомии височной кости и ее вариантов 4.5

Реалистичность визуального отображения височной кости 3.5

Реалистичность движений и тактильных ощущений в виртуальном пространстве 3.2

Реалистичность имитации процесса сверления кости 3.6

Общая реалистичность симулятора 3.6

Для обучения анатомии височной кости 4.5

Для обучения технике хирургических вмешательств на ухе 4.2

Для обучения технике работы с бормашиной 3.6

Оценка всей системы в целом, с перспективой широкого использования в учебном процессе 4.4

Можно отметить, что лица молодого возраста, не имеющие стажа практической отохирургии, положительно относятся к обучению на виртуальном симуля-торе. Обучающиеся часто просили поставить другие варианты моделей височных костей на симуляторе «АБс1ер1а», и в целом занимались на симуляторе обычно гораздо больше по времени, чем было отведено занятием. Все обучающиеся дали достаточно высокую оценку симулятору по целому ряду параметров. Практически никто из опрошенных не высказался о «полной нереалистичности» визуального представления модели или тактильной обратной связи. Наоборот, передача тактильных ощущений при работе с бормашиной в данном симуляторе оценивалась исключительно положительно. Хорошо оценивали также и возможность работы двумя руками в «АБс1ер1а», его полную пригодность для работы левшей, которые были в группе обучающихся.

Что касается представления анатомии уха, то здесь все обучающиеся однозначно высказались в пользу использования «АБс1ер1а», так как это в настоящий момент практически единственный способ (исключая ка-даверную диссекцию) представить себе височную кость и ее структуры в трехмерном пространстве; визуальное представление моделей височной кости в «АБс1ер1а» очень наглядно, но при этом весьма схематично. Такое представление дает хорошую возможность для обучения анатомии, а также при выполнении базовых навыков наглядно представляет все ошибки и проблемы обучающегося. Однако, ряд обучающихся высказал мнение о том, что именно для симуляции оперативного вмешательства, для проведения экзамена производителям возможно было бы лучше ввести в систему более натурально выглядящие модели.

На рис. 1 представлен средний график изменения нескольких общих оценочных параметров, автомати-

чески определяемых симулятором «АБс1ер1а», по прохождении курса из пяти занятий. Можно отметить, что за несколько занятий значительно сокращается число фатальных ошибок, резко уменьшается количество некритических ошибок, понимание основ оперативного вмешательства на ухе обучающимися улучшается. Уже после второго занятия резко уменьшается объем неправильно удаляемой обучающимися кости, возрастает объем кости, удаляемой в необходимом для данной процедуры месте. Таким образом, представления обучающихся о трехмерной анатомии височной кости улучшаются по мере занятий на симуляторе.

Основная фатальная ошибка, встречающаяся среди обучающихся - повреждение сигмовидного синуса. При проведении реального оперативного вмешательства на ухе данная ошибка скорее всего заставит прекратить оперативное вмешательство на данном этапе и выполнить тугую тампонаду костной раны. Среди некритических ошибок - частое повреждение слуховых косточек при их наличии в виртуальном препарате. Повреждения лицевого нерва часто наносились обучающимися в начале курса занятий, но уже к третьему занятию они практически перестали встречаться. Повреждения барабанной струны встречались достаточно часто (если она наличествовала в виртуальном препарате), и, как правило, сочетались с повреждением цепи слуховых косточек. Фатальные ошибки в виде ранения сонной артерии наносились обучающимися обычно при самых первых виртуальных диссекциях височной кости, в начале работы с симулятором. Следует отметить, что по мере прохождения симуляционного курса заметно улучшалась мелкая моторика и точность работы с бормашиной, уменьшалось общее количество перемещений. В график не включены такие оценки, как например «слепое сверление», когда бор скрывается за костным фрагментом и становится не виден оперирующему. Такие манипуляции считаются крайне

The Journal of scientific articles "Health and Education Millennium", 2018. Vol. 20. No 1

http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2226-7425-2017-20-l —--—

опасными, однако в виртуальном пространстве, по крайней мере в данной реализации симулятора, иной

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

раз такие положения неизбежны, поэтому этот параметр не учитывался нами в работе.

I lili III. .И

Рис.

Фатальные ошибки К Некритические ошибки

Объем верно удаленной кости Объем неверно удаленной кости

1. График изменения параметров, контролируемых симулятором «Asclepia» во время выполнения заданий, по прохождении цикла симуляционной отохирургии из 5 занятий.

Заключение. Большинству обучающихся понравились использованная нами виртуальная система отохи-рургии «Asclepia», показавшая себя универсальной и открытой обучающей системой. Система получила высокие объективные оценки обучающихся по данным опроса. За время обучения на симуляторе уменьшилось число фатальных ошибок, действия обучающихся стали носить более точный и целенаправленный характер. Обучающиеся отмечают достаточное качество формирования тактильных ощущений, при имитации работы с бормашиной - отработку ей вибрации, тангенциальных усилий, что придает работе виртуальным инструментом реалистичности и развивает моторику рук будущего хирурга.

В настоящее время виртуальные хирургические си-муляторы должны быть рекомендованы для применения в обязательном порядке на начальных стадиях освоения отохирургии, кроме этого, системы, подобные «Asclepia» - для отработки различных анатомических вариантов строения височной кости, «репетиции» будущих оперативных вмешательств, проведения мастер-классов и специализированных курсов.

Источник финансирования и конфликт интере-

сов.

Авторы данной статьи подтвердили отсутствие конфликта интересов, о которых необходимо сообщить.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

[1] Owen H. Simulation in Healthcare education. Springer, 2016. - 450 p.

[2] Мареев Г.О., Данилова Т.В., Алайцев И.К. Обзор систем виртуальной реальности для обучения хирургическим навыкам в области лица и шеи // Мир науки, культуры и образования. - 2015. - №6(55). - С. 92-95.

[3] Алайцев И.К., Мареев Г.О., Мареев О.В. Технические аспекты реализации хирургического симулятора с тактильной обратной связью // Журнал научных статей здоровье и образование в XXI веке. - 2016. - Т. 18. - №. 6. - С. 25-30.

[4] Устройство ввода с тактильной обратной связью с дополнительными степенями свободы / Алайцев И.К., Мареев Г.О., Мареев О.В., Данилова Т.В., Мантуров А.О., Афонина О.И., Кучмин В.Н. // Научно-технический вестник Поволжья. - 2016 г.- №6. - С.102-104.

[5] Модель обработки твёрдых тел бормашиной для хирургического симулятора / Алайцев И.К., Мареев Г.О., Мареев О.В., Данилова Т.В., Мантуров А.О. // Международный научно-исследовательский журнал. - №12(54). - Т.5. - 2016. - С. 47-50.

The Journal of scientific articles "Health and Education Millennium", 2018. Vol. 20. No 1

http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2226-7425-2018-20-1 —--—

VALIDA TION OF VIRTUAL OTOSURGERY SIMULATOR

Mareev O.V., Mareev G.O., KnyazevA.B.

Saratov state medical university named after V.I. Razumovsky, Saratov, Russian Federation

Annotation. The article describes the use of the virtual surgical simulator Asclepia in otosurgery training. The virtual surgical system described by the authors is a modern system in which virtual conditions are used to produce dissections and simulate various surgical procedures. The Asclepia system is also distinguished by the creation of realistic tactile sensations when working with the simulator, which largely complements the learning process and allows it to be used for training practical skills. Our students using a questionnaire provide a comprehensive assessment of the realism of the simulator, the progress of surgical skills in training on a simulator. Based on the results of the study, students are given a comprehensive assessment of the realism of the simulator, the progress of surgical skills in training on a simulator. After simulation course students show significantly improvement the knowledge about the anatomy of the temporal bone, most have developed a certain understanding of otosurgical interventions. After some lessons the number of fatal errors has significantly decreased, the actions of students become more correct. Authors made a conclusion about the possibility of significantly changing and improving the education in ENT and bringing it to a new level in postgraduate training using virtual simulators.

Key words: simulation training, virtual reality, otosurgery, temporal bone, computer tomograms. REFERENCES

[1] Owen H. Simulation in Healthcare education. Springer, 2016. - 450 p.

[2] Mareev G.O., Danilova T.V., Alajcev I.K. Obzor sistem virtual'noj real'nosti dlja obuchenija hirurgicheskim navykam v oblasti lica i shei // Mir nauki, kul'tury i obra-zovanija. - 2015. - №6(55). - p. 92-95.

[3] Alajcev I.K., Mareev G.O., Mareev O.V. Tehnicheskie aspekty realizacii hirurgicheskogo simuljatora s taktil'noj obratnoj svjaz'ju // Zhurnal nauchnyh statej zdorov'e i obra-zovanie v XXI veke. - 2016. - T. 18. - №. 6. - p. 25-30.

[4] Ustrojstvo vvoda s taktil'noj obratnoj svjazju s dopolnitel'nymi stepenjami svobody / Alajcev I.K., Mareev G.O., Mareev O.V., Danilova T.V., Manturov A.O., Afonina O.I., Kuchmin V.N. // Nauchno-tehnicheskij vest-nik Povolzh'ja. - 2016 g.- №6. - p.102-104.

[5] Model' obrabotki tvjordyh tel bormashinoj dlja hirurgicheskogo simuljatora / Alajcev I.K., Mareev G.O., Mareev O.V., Danilova T.V., Manturov A.O. // Mezhdu-narodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. - №12(54). -T.5. - 2016. - p. 47-50.