基于脑电信号的胸腔镜虚拟手术训练评价的关键技术研究

作     者：都俊朕 

作者单位：云南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：石俊生

授予年度：2022年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 0711[理学-系统科学] 07[理学] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 080203[工学-机械设计及理论] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0802[工学-机械工程] 0836[工学-生物工程] 

主      题：胸腔镜 虚拟现实 增强现实 混合现实 手术技能评估 脑电信号 

摘      要：虚拟现实技术的快速发展给医学教育、培训等行业带来了新的机遇,相比较传统的手术教学和培训,虚拟手术训练模拟器成本低、效率高。虚拟手术训练模拟器的发展已经成为当今医学教育行业的热点。除了虚拟现实技术,增强现实和混合现实技术的应用也使得模拟器的培训方式变得多种多样。相比较与培训方式的不断更新,对医生使用模拟器训练后的评价方式依旧依靠传统相对单一的评价。随着医学的不断发展,外科手术对医生双手操作技能的要求越来越高。尤其对于基础训练模块来说,新手医生通过短暂的训练后即可暂时达到专家医生的操作水平,此时传统的评价方法已经不再适用对操作者的水平作出更准确的判断。本文旨在为医生探究一种更高效手术训练方式和更为全面的评价方法。该方法不再局限于传统的主观评价和客观评价。根据人的潜在的神经生理学机制,利用医生操作时的脑电信号对其技能水平进行评估。本文的主要工作包含如下:（1）本文自主设计了一套胸腔镜手术训练模拟器,针对市面上模拟器的不足进行了优化。改进了绳索的算法,提高了重建模型的真实度。从视觉和触觉两个方面为医生提供更为真实的感受。模拟器可以为医生提供箱式训练、虚拟现实、增强现实、混合现实四种训练方式,同时包含了胸腔镜手术训练的四个基本模块。（2）基于胸腔镜手术训练模拟器探究了不同训练方式对医生双手操作技能水平提升的影响。主要根据传统的主观评价和客观评价的方法。利用熵值法确定训练模块的函数得分模型,对医生操作训练的结果进行定量分析。（3）通过采集医生操作时的脑电信号,利用功率谱密度求出脑电信号中Beta节律的相对能量值,以此作为评价医生双手操作技能水平的新指标,和原有的客观评价方法的指标进行对比。通过实验探究的结果表明,混合现实的培训方式相比较其他训练方式更有利于提升医生的双手操作技能水平,沉浸的训练环境和真实的触觉感受对医生操作的影响具有较大的促进作用。利用医生脑电信号作为其技能水平的评价指标比原有的评价指标正确率可以提升20%。