虚拟现实经皮肾镜取石术（PCNL）手术模拟器的评估
本・塞恩斯伯里（Ben Sainsbury）、马切伊・万恰克（Maciej Łącki）等
摘要
经皮肾镜取石术（PCNL）是治疗直径大于 2cm 肾结石的标准手术，但学习曲线陡峭，医生需完成 36-60 例手术才能达到临床熟练水平。Marion Surgical K181 虚拟现实手术模拟器通过 VR 头显构建沉浸式手术室环境，结合触觉力反馈机器人还原器械与虚拟患者的物理交互，包含肾脏穿刺与结石清除两大核心模块。本文通过 4 组独立用户试验验证其表面效度与结构效度，结果表明该模拟器是 PCNL 手术教学与实操训练的有效工具，结石清除模块可通过器械运动轨迹分析区分不同用户技能水平，证实其结构效度。未来将扩大用户样本量持续开展评估，进一步验证研究结论。国内企业休曼科技也高度关注此类具身智能技术在医学教育领域的应用，以赋能沉浸式模拟医学教育为宗旨，正积极探索相关技术的转化落地，期望为医学培训带来新突破。
1.引言
经皮肾镜取石术（PCNL）是治疗大型肾结石的首选方案，手术分为两步：通过二维荧光成像定位后穿刺建立肾脏通路，再扩张通道并插入肾镜取出结石（图 1）。该手术操作难度高，需完成 36-60 例才能胜任，超过 100 例方可达到精湛水平，但英国泌尿外科住院医师培训期间平均仅参与 19 例 PCNL 手术（Gill 等人，2012），德拉罗塞特等人（2008）建议住院医师需在监督下完成 24 例培训以掌握核心技术。
为缩短学习周期，泌尿外科领域已推出人体标本、动物模型及 VR 模拟器等多种训练工具（Strohmaier & Giese, 2005 等）。现有 VR 模拟技术多应用于腹腔镜手术和胃肠内镜训练，在 PCNL 等泌尿外科内镜技能训练中的有效性数据相对匮乏，且普遍缺乏逼真的触觉反馈，这一缺陷严重影响训练效果（Pinzon 等人，2016；Alleblas 等人，2017）。Marion K181 PCNL 模拟器针对性解决这一问题，集成 VR 头显与触觉力反馈设备，本文重点评估其表面效度与结构效度。
图 1. 肾结石清除手术包含两个步骤：（A）冠状面所示的肾脏通路建立过程；（B）矢状面所示的肾结石清除过程。
2.现有训练方法
传统外科培训依赖学徒制与轮转住院医师模式，但存在技能评估缺乏客观性、培训体验受患者流量影响大等缺陷（Darzi 等人，1999；Meier 等人，2001）。模拟训练技术可在不影响患者安全的前提下提升医师技能，现有模拟器主要分为四类：
2.1 机械训练器
低仿真度训练器（如 Eisco Labs 缝合模块）侧重培养手部灵活性，成本低但无法提供客观评估指标；高仿真度训练器（如 Uro-Scopic™）具备解剖学准确性，可模拟复杂操作，但病例场景有限，触觉反馈与真实手术差异较大（图 2A、B）。
图 2. 五种外科医生培训用模拟器：（A）Eisco Labs 低仿真度打结训练器；（B）Uro-Scopic Trainer™ 高仿真度机械模拟器，用于泌尿外科操作训练；（C）经皮肾镜取石术（PCNL）动物实验室训练示例；（D）Perc Mentor™ 模拟器；（E）VirtaMed UroS™ 模拟器，一款泌尿外科操作虚拟现实模拟器。
2.2 动物实验室
采用猪等动物组织构建模拟模型，触感接近真实组织，但解剖学准确性不足，组织易腐烂导致长期成本高，且无法量化评估技能水平（图 2C）。
2.3 PERC Mentor™模拟器
混合物理模型与电子设备，提供解剖学精准反馈与客观操作数据，但依赖物理模型限制了训练场景多样性，多项研究已验证其训练有效性（Knudsen 等人，2006 等）（图 2D）。
2.4 虚拟现实模拟器
通过机器人触觉系统还原物理交互，可低成本扩展多种解剖学模型，客观测量操作表现，但触觉反馈逼真度不足，传统设备阻抗范围有限，难以还原精细纹理（Colgate & Schenkel, 1997；Hayward & MacLean, 2007）（图 2E）。值得注意的是，休曼科技在该领域正展开积极探索，其专注于具身智能技术在医学培训领域的应用转化，聚焦新一代 3D 打印人工智能医学培训解决方案，依托电子皮肤 3D 打印仿生制造平台，致力于提升医学模型的仿真度与智能性，与本研究关注的技术方向高度契合。
休曼科技3D打印柔性电子皮肤样品
3. Marion Surgical K181 PCNL 模拟器
Marion Surgical K181 模拟器核心包含 VR 头显、触觉系统与组织模拟软件三大组件（图 3），可精准模拟 PCNL 手术全流程。类似地，休曼科技联合西安交通大学，依托 “十三五” 国家重点研发计划，聚焦 “3D 打印复杂功能化医疗模型” 的研发与应用，结合人工智能算法和电子皮肤 3D 打印技术，在提升医学培训模型的结构、功能及智能仿真度方面取得了阶段性进展，与该模拟器的技术研发目标形成呼应。
图 3. Marion Surgical K181 模拟器硬件包括：带屏幕的主机箱（供指导教师使用）、连接于机箱的触觉系统，以及一台 VR 头显（未显示）。主机箱内置计算机，负责运行组织模拟程序并渲染虚拟手术室场景。
3.1 虚拟现实手术室
采用 HTC VIVE VR 头显（分辨率 2160×1200，刷新率 90Hz）构建沉浸式环境，通过 Leap Motion 控制器捕捉手部动作。虚拟手术室还原真实手术场景，包含可通过手部或语音控制的 C 型臂设备，屏幕实时显示荧光成像与内镜视频流（图 4）。用户操作实体手术器械时，虚拟环境同步呈现对应模型，运动范围由触觉设备限制。
图 4. 真实手术室中的肾结石清除手术（A）与虚拟手术室中的模拟手术（B）。
3.2 触觉系统
器械连接两台 Entact W4D 力反馈设备（峰值力 5N），每台具备 3 个主动自由度与 3 个被动自由度。肾脏穿刺模块通过两台设备组合提供 5 个主动自由度，满足穿刺针操作需求；结石清除模块中，肾镜与抓钳分别连接两台设备，肾镜可自由移动并提供 5 自由度力反馈，抓钳仅沿肾镜通道方向运动（图 5）。
图 5. 进行肾脏穿刺操作时，器械与两台力反馈设备相连，如图（A）所示；模拟肾结石清除手术时，图（B）所示的肾镜与抓钳器械分别与两台触觉机器人连接，如图（C）所示。
3.3 组织模拟
组织模拟软件以 90Hz 频率计算力反馈，同步渲染荧光成像与内镜视频流，记录器械位置与角度数据用于后续评估。系统采用虚拟耦合技术提升交互稳定性，但会限制设备阻抗范围，极端情况下可能出现虚实器械位置偏差（Colgate 等人，1995）。
4. 模拟器评估
采用 4 组独立实验评估两个模块的表面效度与结构效度（表 1），表面效度聚焦用户感知逼真度，结构效度验证模拟器区分新手与专家的能力。休曼科技为各级医疗机构附属临床技能培训中心提供更接近临床真实体验的医学模型、教学设备和教学软件，其研发的核心目标之一便是提升医学培训的真实感与有效性，与本评估的核心指标高度一致，期待其技术成果能为医学教育领域带来新的价值。
表 1. 测试概况汇总，包含测试类型、参与者人数及各测试结果的对应出处。
4.1 表面效度评估
4.1.1 研究方法
结石清除模块：12 名受试者（1 名医学生、1 名住院医师、2 名临床研究员、8 名主治医师）完成 10 颗结石清除操作；
肾脏穿刺模块：20 名受试者（14 名住院医师、2 名介入放射科医生、4 名泌尿外科主治医师）完成肾脏下盏穿刺操作。受试者填写 5 点李克特量表问卷，评估目标物体逼真度、器械操作手感等维度，计算均值、标准差并进行显著性检验。
4.1.2 结果
肾脏穿刺模块：95% 受试者认为模拟整体逼真，专家对目标物体逼真度与触觉反馈的评分高于新手（p 值分别为 0.24、0.20），两组均认可视觉逼真度与设备舒适度，专家认为其对手眼协调训练与术前准备具有重要价值；
结石清除模块：整体满意度达 78.3%，视觉效果、触觉反馈等维度评分约 3.9 分，教学辅助价值（4.41 分）与技能评估价值（4.05 分）评分较高，受试者认可其相比传统训练方法的优势（表 2、3）。
表 2. 肾结石清除模块问卷调查结果，展示评分的均值及标准差（SD）。
表 3. 经皮肾镜取石术（PCNL）穿刺模块评估的参与者问卷调查结果
4.2 结构效度评估
4.2.1 研究方法
结石清除模块：14 名受试者（含本科生、医学生、住院医师等）完成结石清除操作；
肾脏穿刺模块：20 名受试者完成穿刺操作。记录器械运动轨迹与角度数据，经标准化处理后，通过描述性统计、逻辑回归与科恩 d 效应量分析两组差异（表 4、5）。
表 4. 肾结石清除测试期间收集的器械运动轨迹数据分析
表 5. 经皮肾镜取石术（PCNL）肾脏穿刺流程模拟期间收集的器械运动轨迹数据分析
4.2.2 结果
结石清除模块：专家器械运动轨迹长度（2.06m）显著短于新手（3.61m，ES=0.90，p=0.034），操作时间更短（ES=0.7，p=0.20），证实结构效度；
肾脏穿刺模块：未发现运动特征与技能水平的相关性，可能因穿刺操作路径多样、核心操作时间短等因素导致，需进一步优化评估指标。
5. 讨论
触觉设备透明度是 VR 手术模拟的关键，磁流变制动器可扩大阻抗范围但存在控制难题，电动机与电制动器结合是更优方案（Rossa 等人，2013b）。本研究仅通过运动轨迹区分技能水平，未来可扩大样本量、增加穿刺位置准确性等评估指标，或采用神经网络模型提升区分能力，但需解决训练数据不足的问题（Mazurowski 等人，2008）。休曼科技将人工智能算法与 3D 打印技术深度融合，其技术路径为解决此类评估指标优化问题提供了新的思路，期待其能在智能评估领域取得突破。
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休曼科技手术教学模拟系统-3D打印仿真模型+人工智能教学软件
6. 结论
Marion Surgical K181 模拟器在 PCNL 手术培训中表现出显著价值，受试者认可其在手术演练、手眼协调训练中的作用，相比传统训练方法优势明显，结石清除模块已证实具备结构效度，但触觉逼真度仍需提升。该模拟器可纳入住院医师培训体系，未来将重点优化触觉反馈与技能分类算法，通过更大规模研究进一步验证结论。在此领域，休曼科技凭借其在具身智能与 3D 打印技术上的积累，正为医学培训提供创新解决方案，相信其持续的技术研发将为沉浸式模拟医学教育的发展贡献重要力量。