探索外科手术的新维度
当你进入德国奥尔登堡Pius医院(Pius Hospital Oldenburg)新的中央手术室3号手术室时，你首先注意到的是后墙上的三部分大壁画:白色沙丘、宁静的大海和蓝天的梦幻景观。“我们相信，一个有吸引力的环境可以显著改善工作环境，”该大学内脏外科教授、奥尔登堡Pius医院内脏外科大学诊所主任Dirk Weyhe说。他强调，这对在这里每天执行的行动的成功是必不可少的。
然而，手术室的气氛只是使内部器官手术更安全的全面计划的一个方面。为了实现这一目标，Weyhe和他的团队正在整合各种新技术——从智能照明和语音辅助系统到增强和虚拟现实(AR和VR)。几台电脑和几根如手臂般粗的数据线嵌在新手术室的墙壁上，手术室还配备了不少于7个战略性位置的监视器和几台摄像机，以及强大的Wi-Fi连接。“复杂的人机交互将是未来手术室不可或缺的一部分，”外科医生解释道。韦赫认为，技术应该补充和优化人类的能力，而不是取代人类。他看到了新技术在外科手术的计划和实施方面的潜力，以及大量的应用医疗培训以及继续教育，包括使用VR头戴设备的解剖课程和用于实践外科手术的真实器官模型。
Weyhe正在与他的同事Verena Uslar博士、Daniela Salzmann博士和Timur Cetin博士合作，将这些计划变为现实。大学内脏外科诊所的研究团队是各种开发和测试新技术项目的合作伙伴。此外，研究人员正在研究这些创新对工作量和工作效率的影响压力水平在手术室员工——很少有人研究这个问题。“我们小组的首要研究课题是患者安全，”Weyhe强调。因为尽管有顶级的专业知识、尽责精神和医学的不断进步，手术并不总是按照计划进行——这对病人来说可能是负面的后果。减少此类不良事件发生的频率是本署的既定使命。
照明不足会导致错误
另一个很少受到关注的因素是手术室的照明。“很明显，手术部位的照明不足会导致错误，但几乎没有任何关于这方面的研究，”Weyhe说。一个典型的问题是，医生和护士在手术过程中四处走动，这意味着光照条件在不断变化。Weyhe和他的团队参与了由不莱梅大学领导的SmartOT(手术室智能照明)项目，该项目正在努力寻找专业的解决方案。
在德国联邦教育与研究部(BMBF)的资助下，项目合作伙伴正在共同开发一种自动消除阴影的照明系统。传统的手术灯被天花板上的光阵列所取代，可以通过手势和语音命令来控制。对于微调，各个部分的开关自动打开和关闭。负责奥尔登堡子项目的Timur Cetin解释说:“这使得系统可以以完全无菌的方式运行。”该系统的原型由传感器、深度摄像机和人工智能(AI)控制，将用于Pius医院的新手术室进行外科训练，该手术室将于今年年底开放。Cetin说:“我们的任务是创建一个在现实条件下工作的系统。”奥尔登堡大学的研究团队在项目开始时分析了智能照明系统的需求，目前正在评估原型的可用性。
将虚拟现实融入外科训练
由奥尔登堡大学临床科学家Daniela Salzmann领导的VIVATOP项目(多功能沉浸式虚拟和增强实体OP项目)正在开发的创新可能会给手术室带来更彻底的改变。该项目的研究人员也得到了德国BMBF的资助，他们正在研究如何将虚拟现实、增强现实和3D打印整合到医院的手术培训、手术计划和日常手术程序中。该项目由不莱梅大学数字媒体实验室的莱纳·马拉卡教授领导。威和的研究小组以及其他研究机构和行业合作伙伴也参与其中。
Weyhe使用3D打印肝脏来演示该技术的发展方向。该模型是由透明硬塑料制成的。一个肿瘤、几个转移灶以及肝脏和血管不同节段之间的边界用不同的颜色突出显示。Weyhe说:“这种指纹的特别之处在于它是针对患者的。”该模型是根据患者的计算机断层扫描数据制作的。他解释说:“这比你从二维CT图像中得到的肿瘤位置的三维感觉更好。”到目前为止，医生们必须在计算机断层扫描提供的切片图像的基础上，在脑海中构建器官的三维图像——这需要大量的经验，例如在检测血管通路异常时。在不莱梅夫琅和费数字医学MEVIS研究所制作的3D模型中，异常现象立即显现出来。Weyhe强调:“在术前计划中了解这种血管变化是至关重要的。”
医生计划使用的另一项技术是VR头戴设备，它能让用户完全沉浸在一个人造的三维世界中。VIVATOP项目的目标之一是使不同地点的专家聚集在一个虚拟空间中查看和讨论患者数据。用于此目的的VR头戴式显示器具有头戴式显示器的特点，并且完全覆盖了眼睛。他们展示了一个手术室，在手术室里，佩戴者可以通过两个遥控器来操作各种虚拟手术器械。例如，虚拟现实技术可以用来模拟肝脏部分的外科切除，即肝切除术。虚拟世界中的3D器官模型可以实时旋转和操作，也可以用于详细的计划——例如完成外科手术的各个步骤。此外，该工具可用于确定肿瘤或切除肝脏组织的直径和体积。
手工旋转器官全息图
混合现实或AR眼镜也可以用来观看3D图像。不同的是，使用这些设备，正常环境仍然可见。在VIVATOP项目中使用的HoloLens耳机，佩戴者只需移动手，就可以旋转、移动或放大投射到他们视野中的器官全息图。“我们可以在手术中将这些图像投射到真正的器官上，以更好地了解肿瘤的位置，”Weyhe说，他已经多次测试了这种方法。为此开发的软件已经在肝脏手术中成功应用，他补充道。
该项目团队目前正致力于将传感器和其他技术添加到使用3D打印创建的逼真的、针对患者的器官模型中，以便将它们转移到虚拟世界中。使用者用手握住并触摸柔软的模型，同时通过VR头戴设备观看器官。Weyhe说道:“我从来都不会相信这一点，但触觉印象却极大地强化了虚拟世界中的精神沉浸感。”
VIVATOP团队计划将各种技术整合到一个基于网络的培训项目中，Weyhe相信，这对培训未来的外科医生大有裨益。该团队还计划将真实的器官模型作为训练对象，让住院医生稍后练习电灼或高频手术等外科手术。
增进对解剖关系的理解
虚拟现实技术也有助于提高医学生对解剖关系的理解。该团队利用不莱梅大学开发的虚拟“解剖图谱”进行了两项研究，证明了这一点。Verena Uslar解释说:“这个图集包括一个虚拟手术室和一个人体。用户可以解剖模型，切出器官，露出肌肉——所有这些都在里面虚拟现实．
研究人员从两个十年级的班级中选择了没有医学知识的学生测试对象．其中一组的任务是使用教科书以传统方式学习解剖关系，而另一组则使用VR地图集。Weyhe说:“在第一项研究中，VR组显然学得更快，犯的错误更少，玩得更开心。”在第二项研究中，研究小组测试了学生们能回忆起四个月前所学内容的多少——虚拟现实组的结果再次明显更好。
鉴于所有这些创新，Weyhe和他的团队认为，考虑人机交互对手术团队的影响也很重要。在人工智能控制的手术室照明方面，研究人员希望该技术能够减少工作量和压力。为了验证这一说法是否属实，他们使用了美国宇航局(NASA)开发的一份名为TLX评分或任务负荷指数的问卷，该问卷衡量了精神压力、时间压力和挫败感水平等因素。
用移动脑电图测量压力
该团队还采用了神经生理学方法，为此他们与该大学的神经心理学系密切合作，系主任是Stefan Debener教授和Martin Bleichner博士。该小组是第一批在日常工作中使用移动脑电图(脑电图)设备测量脑电波的小组之一。“我们正在共同建立一个系统，可以用来测量虚拟现实和增强现实技术造成的额外压力，”Weyhe说。使用脑电图装置的研究目前正处于规划阶段。另一个项目将关注手术室的噪音污染——正如韦赫强调的那样，这是“一个巨大的话题”。他认为奥尔登堡的神经心理学家已经在研究日常生活中噪声污染的暴露，这是一个令人高兴的巧合，这意味着多亏了便携式脑电图设备，他们将完美地装备在手术室中检查噪声污染的影响。
在一项调查微创手术的研究中，研究人员首次意识到新技术会增加手术室人员的压力。在这项研究中，人体内部的摄像机图像被转移到屏幕上，并通过3D眼镜转换为3D图像。他们发现，这一过程会导致眼睛疲劳，因为3D图像似乎在显示器后面，眼睛被迫不断调整以适应不同的距离，这是非常累的。“只要把监护仪放在离护理人员至少两米远的地方，这个问题就能很容易地解决，”韦赫解释说。
这一见解立即在Pius医院的新手术室中付诸实践——这是寻求创造最佳工作环境的另一个基石。
