使用AMBF(异步多体框架)开发的颅底外科手术虚拟钻孔模拟器概述(Munawar，Adnan，et al .)“用于模拟复杂机器人和环境的实时动态模拟器和相关前端表示格式。”2019年IEEE/ RSJ智能机器人和系统国际会议(IROS)。IEEE，2019)。分割的CT在模拟器中被渲染为三维虚拟体模。用户通过幻影OMNI发送控制输入和接收触觉反馈，立体视觉由虚拟现实耳机提供。信用:Munawar等人。患有影响颅底的疾病或病症的人，如耳科异常、癌性肿瘤和出生缺陷，可能需要在一生中的某个时候接受颅底手术。为了成功地进行这些具有挑战性的手术，外科医生必须熟练地在人的颅骨上和颅骨内进行手术，使用钻头进入特定区域。约翰·霍普金斯大学(JHU)的研究人员最近开发了一种新系统，可用于培训外科医生完成颅底手术，以及其他潜在的复杂外科手术。该系统发表在《生物力学和生物医学工程中的计算机方法:成像和可视化》上，基于虚拟现实模拟器的使用。
开发该系统的研究人员之一阿德南·穆纳瓦(Adnan Munawar)告诉TechXplore，“钻孔过程需要外科医生切除最少量的骨骼，同时确保骨骼内的重要结构(如神经和血管)不受伤害。“因此，颅底手术需要高技能、绝对精度和亚毫米精度。达到这些手术技能需要勤奋的训练，以确保患者的安全。”
目前，大多数住院外科医生都接受过培训，能够在经验丰富的医生指导下，在尸体或活人身上完成颅底手术和其他手术。然而，真实的计算机模拟和虚拟环境可以显著提高外科医生的培训，为传统培训方法提供一种经济高效、安全和可复制的替代方法。
除了允许外科医生在安全和现实的环境中实践他们的技能，模拟工具还能够收集有价值的数据，否则这些数据很难获得。这包括手术工具的最佳轨迹、手术过程中施加的力或摄像机/内窥镜的位置。
“这些数据有两个有益的目的，”穆纳瓦解释说。“首先，它可以用来训练人工智能(AI)算法，帮助手术室的外科医生，让手术过程更安全。其次，通过比较培训中的住院医生和专业外科医生的手术数据，教育工作者可以个性化培训，使受训者有限的教育时间更有效率。”
信用:信用:Munawar等人。研究人员创建的基于虚拟现实的系统允许住院医生和有经验的外科医生在基于真实患者的计算机断层扫描的模拟环境中练习复杂的手术过程。此外，模拟器可用于记录结构化数据。这些数据最终可以用来评估受训者的技能，或者训练机器学习算法，在复杂的手术过程中帮助外科医生。
除了穆纳瓦尔，开发该系统的多学科团队还包括学生·李、尼美什·纳古鲁鲁、安迪·丁和普尼特·昆贾姆，以及外科医生弗朗西斯·克莱顿和工程系教师彼得·卡赞齐德斯、拉塞尔·泰勒和马蒂亚斯·恩弗拉思。到目前为止，研究人员使用他们的系统专门模拟颅底手术。然而，由于它的灵活性，它最终也可以应用于其他外科手术。
“到目前为止，我们的系统提供了一个沉浸式模拟环境，外科医生可以在其中与虚拟头骨进行交互，该虚拟头骨是从患者的计算机断层扫描中生成的，”穆尼瓦尔说。“通过触觉设备(或键盘)控制的虚拟钻子用于钻透虚拟颅骨。钻头和颅骨之间的相互作用用于产生力反馈，力反馈通过触觉装置提供，以获得真实的触感。最后，为了视觉真实感和深度感知，立体视频显示在VR(虚拟现实)耳机上。”
当外科医生在模拟环境中操作时，JHU团队创建的系统实时收集高质量数据。这包括关于外科医生的手轨迹、虚拟钻头施加在仿真头骨上的力以及立体/视频镜头的信息。
“我们工作的一个值得注意的方面是，它提供了将真实患者模型整合到我们的模拟环境中的可能性，然后部署它们供熟练的外科医生和住院医生用于培训，”Munawar说。"此外，从专家那里收集的数据可以用于人工智能算法开发."
未来，由这组研究人员创建的虚拟现实模拟器可能会被引入医学院、医院和医疗保健机构，作为在新外科医生开始对人类进行手术之前对他们进行培训的一种手段。此外，这项最近的工作可以为基于虚拟现实的外科手术培训工具与结构化数据收集的广泛集成铺平道路，以培训人工智能代理。
“我们目前的计划是在约翰·霍普金斯耳鼻喉科——头颈外科部门部署我们的系统，供熟练的外科医生和住院医生用于实践和数据收集，”穆尼瓦尔补充道。“收集的数据将用于建立一个定量评估方案来表征手术表现，这是以前的工作所没有的。我们还将利用这些数据为计算机辅助手术开发人工智能算法，例如工具/组织跟踪和3D重建算法。”
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