Симулятор виртуальной реальности для развития навыков пространственного ориентирования во время ретроградной интраренальной пиелоскопии

Введение

Мочекаменная болезнь является распространённым заболеванием, которое в Российской Федерации встречается у 10% населения [1]. Несмотря на определение факторов риска и разработку методов профилактики, при лечении большинства больных необходимо выполнение хирургических вмешательств, что подчёркивает важность освоения урологами существующих оперативных пособий. В настоящее время открытая хирургия камней верхних мочевых путей практически полностью заменена мини-инвазивными вмешательствами, такими как перкутанная нефролитотрипсия (ПНЛ) и ретроградная интраренальная хирургия (РИРХ), каждое из которых имеет отдельные этапы, правильное и безопасное выполнение каждого из которых влияет на успех всей операции [2]. В процессе освоения молодыми специалистами эндоурологических операций существует ряд проблем, такие как длительная кривая обучения и необходимость обеспечения безопасности пациентов [3]. Виртуальная реальность (ВР) является перспективным направлением в визуализации и имитации этапов хирургических вмешательств, что позволяет использовать её для решения вышеупомянутых ограничений [4]. Однако имеющиеся разработки являются слишком дорогими, они основаны на использовании шаблонных чашечно-лоханочных систем (ЧЛС) почки и малопригодны для отработки нефроскопии в среде с полным виртуальным погружением, что особенно важно в связи с отсутствием прямой визуализации операционного поля при эндоскопических вмешательствах [5].

Целью данной работы является описание методики ВР-построения внутреннего вида полостной системы почки с помощью специализированных очков и её апробация в рамках обучения ординаторов пространственному ориентированию во время ретроградной пиелокаликоскопии.

Материалы и методы

В начале исследования были отобраны КТ-урограммы 6 пациентов с различными вариантами полостной системы почки. Из них четыре соответствовали типам ренальной полостной системы по классификации Sampaio, а у двух больных были отобраны ЧЛС подковообразной и удвоенной почки. Во всех случаях проводилась трёхмерная реконструкция ЧЛС, которая сохранялась в формате стереолитографии (STL) с помощью RadiAnt DICOM Viewer. Затем использовалось программное обеспечение с открытым исходным кодом Blender для сглаживания полученных форм с последующей передачей файлов на смартфон. Данный процесс в среднем занимал около 2 – 3 минут. Основой для этой работы послужило приложение InsKid, разработанное с использованием языка программирования C Sharp (C#) для смартфонов на базе ОС Android [6]. После открытия файла STL с полостной системой почки его можно запустить в двух режимах (2D и ВР). В первом случае внутренняя и внешняя трёхмерная (3D) реконструкция отображается в левом и правом окнах смартфона соответственно. Красный треугольник в правом окне отражает фактическое положение пользователя и направление взгляда (рис. 1).

В режиме ВР пользователь видит внешнюю реконструкцию ЧЛС почки, после чего может войти в неё в любом месте и перемещаться внутри. Управление осуществлялось с помощью контроллера PS4, подключённого к телефону по Bluetooth. В 2D-режиме правый и левый джойстики отвечают за перемещение по плоскости или изменение направления взгляда. В ВР-режиме за перемещение в плоскости отвечает левый джойстик, а направление взгляда соответствует движениям головы. В обоих случаях можно визуализировать камни в почках путём их сохранения в STL-формате и загрузки в приложении. Кроме того, можно вручную создавать различные виртуальные формы, имитирующие камни в почках. Так, в нашей работе с помощью программного обеспечения Blender 3D CG® («Blender Foundation», Amsterdam, the Netherlands) была сгенерирована сфера, соответствующая модели камня. Для бесперебойной работы приложение было запущено на смартфоне Samsung A51 (оснащённым процессором Exynos 9611, 4 ГБ памяти и графическим ускорителем Mali-G72 MP3), который помещался в очки "VR Box 3D" (рис. 2).

Для апробации в обучение было включено 5 ординаторов без опыта самостоятельного выполнения гибкой пиелоскопии. Каждому из них на компьютере была показана внешняя трёхмерная реконструкция почки с нумерацией малых чашечек, на основе которой была подготовлена силиконовая модель почки. Полостная система почки была выбрана специально без камней, чтобы рандомно определять содержащую конкремент малую чашечку.

Далее, все обучаемые по очереди проходили в операционную для ассистирования опытному урологу в процессе поиска камня во время ретроградной гибкой пиелоскопии с помощью эндоскопа LithoVue™ («Boston Scientific Corp.», San Jose, CA, USA), а именно направляли его движения для поиска камня (рис. 3).

На данном этапе определялись время процедуры и количество ошибочно осмотренных чашечек. Следующим этапом являлся 7-дневный курс обучения, во время которого ординаторов знакомили с принципами работы приложения. Ежедневно в течение 15 минут каждый из них осматривал в ВР-режиме шесть вышеописанных полостей.

После недели ВР-обучения каждый ординатор в течение 10 минут виртуально исследовал ЧЛС силиконовой модели почки. В каждом случае также рандомно определялась малая чашечка, в которой будет располагаться камень, в соответствии с чем в ВР-отображении заведомо исследователем располагалась виртуальная сфера, после чего телефон устанавливался в очки для непосредственного изучения самими ординаторами (рис. 4). Затем каждый участник снова проходил в операционную для направления движений уролога во время ретроградной гибкой пиелоскопии, а камень в соответствии с результатом рандомизации размещался в малую чашечку без уведомления кого-либо в операционной.

Аналогично оценке до обучения измерялась продолжительность нефроскопии и количество малых чашечек, ошибочно принятых за содержащую камень. Описанные результаты сравнивались до и после ВР-курса.

Статистический анализ. Для статистического анализа использовалось программное обеспечение SPSS версии 26.0 («SPSS: An IBM Company», IBM SPSS Corp., Armonk, NY, USA). Непрерывные данные в связи с малой выборкой были представлены в виде среднего значения и диапазона между минимальным и максимальным значениями. Результаты до и после VR-обучения сравнивались с помощью теста Wilcoxon. Достоверная разница рассматривалась как р <  0,05.

Результаты

Итоговая стоимость симулятора составила 2 200 руб. (джойстик + очки, без учёта стоимости смартфона). Время подготовки STL-модели напечатанной почки и 6 полостей для обучения составило 17 минут.

Кадровая частота при запуске приложения в ВР-режиме на описанном смартфоне составила 79 кадров в секунду, что говорит о пригодности устройств среднего класса для реализации описанного тренинга. Результаты апробации представлены в таблице.

Наблюдается статистически значимое улучшение изучаемых показателей: средняя длительность пиелоскопии снизилась на 17,6 минут (р = 0,043); после тренинга ошибочное определение таргетной чашечки наблюдалось однократно лишь у одного ординатора.

Обсуждение

В настоящее время обучение хирургов всё больше выходит за пределы операционной, что позволяет проходить значимую часть кривой обучения без непосредственного влияния на пациента. Способствующие данной тенденции симуляторы по принципу производства делятся на биологические, небиологические и основанные на виртуальной реальности [7]. Несмотря на то, что физические тренажёры обеспечивают тактильную обратную связь, их польза в обучении аналогична таковой при использовании ВР-симуляторов [8]. Последние позволяют использовать различные по анатомии виртуальные модели без необходимости их производства и не зависят от использования эндоурологических инструментов, подверженных поломке на начальных этапах освоения специалистами тех или иных манипуляций [9].

В литературе описано несколько решений на основе ВР для развития навыков и предоперационного планирования минимально-инвазивного лечения камней верхних мочевых путей. UroMentor^TM («Simbioniх», Cleveland, OH, USA) представляет собой симулятор, имитирующий жёсткую или гибкую цисто / уретеро / пиелоскопию с возможностью выполнения литотрипсии и экстракции фрагментов [10]. Симулятор PERC Mentor™ («Simbioniх», Cleveland, OH, USA) является симулятором антеградного лечения камней полостной системы почки без использования специализированных очков с проекцией изображения на 2D-мониторе [11]. Прорывной является разработка K181 PCNL & Kidney Access Array («Marion Surgical» Inc., Buffalo, NY, USA) — симулятора перкутанной хирургии камней ЧЛС с использованием ВР-очков и возможностью загрузки КТ снимков конкретного пациента [12]. Наконец, E. Parkhomenko et al. описали методику VR-планирования пункции полостной системы почки для улучшения результатов перкутанной нефролитотрипсии, позволяющей загружать в ВР-очки структуры почки и соседние органы [13].

Овладение навыками выполнения эндоурологических вмешательств по поводу мочекаменной болезни включает в себя не только достижение компетенции на начальных этапах операции, но и умение ориентироваться в замкнутых пространствах, например, в полости почки. Несмотря на относительно широкий спектр доступных ВР-симуляторов, только в двух из них используются ВР-очки, из которых только один тренажёр позволяет выполнять виртуальную нефроскопию с использованием КТ-снимков конкретного пациента (Marion Surgical’s K181). Кроме того, стоимость также является фактором препятствующим внедрению ВР-симуляторов в клиническую практику и в процесс обучения ординаторов и студентов. Вышеописанные симуляторы разрабатываются за рубежом и стоят более 20 000 $. Более доступной является разработка E. Parkhomenko et al., которая позволяет планировать пункцию полости почки путём отображения ренальных и смежных структур в ВР-очках, однако без возможности визуализации ЧЛС изнутри. Согласно расчётам авторов, итоговая стоимость составляет 1 700 $ [13]. Всё это подчёркивает перспективу развития технологии виртуальной реальности в Российской Федерации. Описанный в нашей работе ВР-симулятор не требует существенных временных и финансовых затрат, при этом позволяет более детально по сравнению с аналогами погружать обучающихся в полостную систему почки.

Обратной стороной медали является сама суть подобного рода технологий. Согласно G. W. Moran et al. добавление элементов интерактивного обучения молодых медиков положительно сказывается на их вовлечённости и способностях, что отчасти подтверждено и нами [14]. И это неудивительно, так как современное поколение больше знакомо с различными цифровыми устройствами и технологиями, чаще интересуется компьютерными играми, в том числе с использованием ВР.

Наше исследование имеет определённые недостатки. Во-первых, было включено малое количество ординаторов и все они проходят обучение на одной базе, что не позволяет делать выводы об аналогичной полезности для молодых специалистов в целом. На момент написания статьи дополнительно включены 2 обучающихся (1 — студент 5 курса и ординатор 2 года с другой клинической базы). Во-вторых, обучение было коротким (7 дней) и проводилось в пределах урологического отделения, несмотря на возможность такого тренинга даже в домашних условиях. В-третьих, все виртуальные модели подготавливались одним коллегой, а не испытуемыми самостоятельно. Анализировался навык пространственного ориентирования, в то время как эндоурологические вмешательства требуют развития и мануальных способностей. Тем не менее, вышеупомянутые недостатки выходят за рамки поставленных целей и будут устранены в следующих исследованиях.

Заключение

Описанный ВР-симулятор не требует значимых временных, технических и финансовых затрат, доступен для внедрения в обучение молодых специалистов.