视觉-触觉反馈与扩展现实在二尖瓣修复微创手术中的创新模拟器研究

《IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics》：Visuo-Haptic Feedback and Extended Reality in Microinvasive Cardiac Surgery: A Next-Generation Simulator for Mitral Valve Repair

本文推荐一项关于扩展现实（XR）模拟器在二尖瓣修复手术培训中的应用研究。针对MitraClipTM手术操作复杂、培训周期长的问题，研究人员开发了集成视觉-触觉反馈的XR模拟器，通过动态心脏环境、精确导管建模和可穿戴触觉臂带，显著提升了学员的操作速度、轨迹精度和安全性。结果表明，多模态反馈能有效加速学习曲线，为微创心脏手术培训提供了高保真度的创新工具。

　　

在心脏疾病治疗领域，二尖瓣反流是一种常见的结构性心脏病，其特征是二尖瓣功能异常导致血液从左心室异常回流至左心房。传统治疗需开展开胸手术，而经导管边对边修复（TEER）等微创介入技术，如MitraClip^TM系统，可通过导管在二尖瓣叶片上放置夹子以减少反流，显著降低患者创伤。然而，该手术操作复杂，要求医生具备高超的导管操控技能和实时影像导航能力，通常需经过大量实际手术才能熟练掌握。现有培训多依赖尸体或动物模型，成本高、可重复性低，且缺乏真实触感反馈，难以满足高效培训需求。

为突破上述局限，本研究团队开发了一款集成视觉-触觉反馈的扩展现实（XR）模拟器，用于MitraClip^TM手术的培训。该模拟器在前期原型基础上，进一步引入了动态心脏环境、视觉反馈界面、创新触觉臂带和新型导管模型，以提升模拟真实性和教育效用。实验结果表明，接受视觉-触觉反馈的学员在任务完成时间、轨迹偏差和操作安全性上均显著优于无反馈组，且多数学员更倾向于使用带反馈的培训系统。

本研究主要采用了几项关键技术方法：首先，基于患者特异性4DCT数据构建动态心脏模型，通过序列配准和网格动画模拟心脏搏动周期；其次，采用分段恒定曲率（PCC）模型对MitraClip^TM导管进行运动学建模，提升导管形态模拟精度；第三，开发视觉反馈界面，实时显示导管与预设轨迹的偏差，并通过颜色进度条和警报面板提供导航指引；第四，设计可穿戴触觉臂带，通过振动电机根据导管与心房壁距离提供分级触觉警告。实验招募17名参与者，分组进行有/无反馈的导管导航任务，通过完成时间、偏差百分比、风险因子和NASA-TLX问卷评估系统效果。

任务完成时间分析

Group A（先反馈后无反馈）在R2中前三项试验的完成时间显著缩短，表明视觉-触觉反馈在初期培训中产生持续学习效应；Group B（先无反馈后反馈）则未显示显著差异。整体数据表明，早期引入多模态反馈有助于加速技能获取。

轨迹偏差百分比结果

尽管组内回合间差异不显著，但按条件类型（C0无反馈 vs C1有反馈）分析显示，C1组的偏差中位数明显更低，说明视觉反馈有效提升了导管导航的精确性。

风险因子评估

学习曲线分析显示，C1条件下风险因子随试验次数增加呈下降趋势，而C0组无显著变化，表明触觉反馈能帮助学员逐步掌握风险规避策略，提升操作安全性。

主观体验评价

NASA-TLX问卷结果显示，两组在心理负荷、体力需求、时间压力等维度无显著差异，说明XR模拟环境本身已具备良好可用性；但15名参与者明确偏好视觉-触觉反馈体验，印证其培训价值的用户认可。

本研究通过集成动态心脏模型、精确导管建模和多模态反馈机制，构建了一款高真实度的MitraClip^TM手术XR模拟器。实验证明，视觉-触觉反馈能显著提升学员的操作效率、导航精度和安全意识，且学习曲线加速效果在早期反馈暴露组尤为明显。该系统突破了现有XR模拟器在触觉反馈和动态解剖模拟方面的局限，为微创心脏手术培训提供了全面、沉浸式的解决方案。未来工作将聚焦于引入可变形模型、开展临床专家验证，并探索系统在其他手术场景中的扩展应用，进一步推动手术模拟技术向更高保真度和个性化方向发展。