患有影响颅底的疾病或状况的人，例如耳科异常、癌性肿瘤和先天缺陷，可能需要在他们生命中的某个时候进行颅底手术。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头骨上和内部进行手术，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，可用于训练外科医生完成颅底手术以及其他潜在的复杂手术。该系统发表在《生物力学和生物医学工程计算机方法：成像与可视化》上的一篇论文中，该系统基于虚拟现实 (VR) 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：“钻孔过程要求外科医生去除最少量的骨骼，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、绝对精度和亚毫米级精度。实现这些手术技能需要勤奋训练，以确保患者的安全。”

目前，大多数住院医师都接受过培训，可以在有经验的医生的监督下完成对尸体或活人的颅底手术和其他手术。然而，现实的计算机模拟和虚拟环境可以显着增强外科医生的培训，为传统培训方法提供具有成本效益、安全和可重复的替代方案。

除了允许外科医生在安全和现实的环境中练习他们的技能外，模拟工具还可以收集有价值的数据，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相机/内窥镜的位置。

“这些数据有两个用途，”穆纳瓦尔解释说。“首先，它可以用来训练人工智能 (AI) 算法，可以帮助手术室的外科医生，使手术更安全。其次，通过比较接受培训的住院医师和专家外科医生的手术数据，教育者可以个性化培训，使有限的受训者有更多的时间进行教育。”

研究人员创建的基于 VR 的系统允许住院医师和有经验的外科医生在基于真实患者的计算机断层扫描 (CT) 扫描的模拟环境中练习复杂的手术程序。此外，模拟器可用于记录结构化数据。这些数据最终可用于评估受训者的技能或训练机器学习算法，这些算法可以在复杂的手术过程中帮助外科医生。

除了 Munawar，开发该系统的多学科团队还包括学生 Zhaoshuo Li、Nimesh Nagururu、Andy Ding 和 Punit Kujam，以及外科医生 Francis Creighton 和工程学院成员 Peter Kazanzides、Russell Taylor 和 Mathias Unberath。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，由于其灵活性，它最终也可以应用于其他外科手术和程序。

“到目前为止，我们的系统提供了一个身临其境的模拟环境，外科医生可以在其中与从患者 CT(计算机断层扫描)扫描生成的虚拟头骨进行交互，”Munawar 说。“通过触觉设备(或键盘)控制的虚拟钻头用于钻穿虚拟头骨。钻头和头骨之间的相互作用用于产生力反馈，力反馈通过触觉设备提供，以获得逼真的触感。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。这包括有关外科医生的手部轨迹、虚拟钻头对幻影头骨施加的力以及立体/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，然后部署它们供熟练的外科医生和住院医师使用以进行培训的可能性，”Munawar 说。“此外，从专家那里收集的数据可用于 AI(人工智能)算法开发。”

未来，这组研究人员创建的 VR 模拟器可能会被引入医学院、医院和医疗机构，作为在新外科医生开始对人类进行手术之前对其进行培训的一种手段。此外，最近的这项工作可以为将基于 VR 的手术训练工具与收集结构化数据以训练 AI 代理广泛集成铺平道路。

“我们的近期计划是在约翰霍普金斯大学耳鼻喉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师用于实践和数据收集，”Munawar 补充道。“收集到的数据将用于建立量化评估协议来表征手术性能，这是先前工作未提出的。我们还将使用这些数据开发用于计算机辅助手术的人工智能算法，例如工具/组织跟踪和3D 重建算法。”