增强现实技术在儿童感染性休克模拟中的应用:随机对照可行性试验

介绍

背景

增强现实(AR)和虚拟现实(VR)越来越多地被探索作为医学和外科专科医学教育创新的工具[1-3.]。VR最广泛地指沉浸式世界的数字表现，无论是新颖的还是现实的[1，4]。相比之下，AR将数字覆盖投影到物理环境中，强调现实世界中的任务性能增强通过虚元素[2]。AR和VR可以通过使用移动设备或计算机的头戴式显示器来体验。近年来，基于AR和vr的活动变得越来越容易扩展和广泛分布[4，5]。

增强现实和虚拟现实技术最常用于外科培训[6-8]，解剖学研究[9-11]，以及心肺复苏(CPR)训练[12-14]。迄今为止，探索将AR纳入医疗复苏方案的研究相对缺乏[2，15，16]。评估模拟程序训练增强AR的研究表明，学习者对其使用反应良好[17-19]。在最近的一项医学模拟研究中，参与者在使用AR时明显更快地识别出休克和临床失代偿。这些发现表明AR有可能改善床边的临床护理[17]。

模拟已被证明可增强复苏技能的保留[20.];儿科护理人员尤其受益于基于模拟的复苏练习，因为现实生活中的复苏事件在儿童中很少发生[21，22]。然而，即使是高保真度的模拟，在复制现实场景的能力上也是有限的。这些挑战在败血症的情况下尤为突出，这是一种可能危及生命的感染反应。对于有潜在败血症的儿童，临床医生需要快速做出临床决策[23，而这些决定通常是基于身体检查的结果，而这些结果很难在人体模型上模拟出来。诊断感染性休克、给予抗生素和静脉输液的时间都与感染性休克患儿预后的改善有关[24]。因此，许多医院已经实施了识别系统和护理途径，以确保对感染性休克儿童进行快速、标准化和高质量的护理;我们机构的败血症途径就是一个例子。通过在模拟过程中提供一种可视化灌注的方法，AR可以潜在地增强模拟参与者对脓毒性休克患者做出及时和现实的管理决策的能力。

客观的

在本研究中，我们旨在创建灌注受损的AR表示(PediSepsisAR)，并将该应用程序纳入儿童感染性休克模拟。我们的主要目的是确定收集脓毒性休克模拟中使用PediSepsisAR和不使用PediSepsisAR时给液时间和量数据的可行性。我们假设我们能够测量90%的参与者的液体给药时间和体积。第二个探索目的是描述PediSepsisAR作为感染性休克模拟的教育工具。具体来说，我们旨在比较对照组和PediSepsisAR参与者对休克的认知时间和期望的管理步骤，并引出参与者对在脓毒性休克模拟中使用PediSepsisAR的态度。我们假设PediSepsisAR的参与者会更快地表示休克识别并表达期望的管理步骤-给予抗生素和启动败血症途径。此外，我们假设参与者会报告PediSepsisAR增强了他们对模拟患者灌注的认识;因此，使用这款应用程序会让他们想要更快地进行输液。

方法

理论框架

在设计和研究PediSepsisAR时，我们考虑了两个主要的基本原则:实时反馈和游戏化。研究表明，使用心肺复苏术反馈装置在模拟和现实复苏中都能提高心肺复苏术的表现[25，26]。通过将PediSepsisAR添加到传统的脓毒性休克模拟中，我们希望传达灌注不良的视觉表现，参与者可以在给予液体时监测其改善情况。实时反馈与模拟练习的游戏化密切相关。具体来说，Rutledge等[27将游戏化定义为在现有的学习活动中添加设计元素，以促进活动目标的实现。通过这种方式，PediSepsisAR可以被视为应用于脓毒性休克模拟的一个元素，它提供了模拟患者循环的动态视觉表示。PediSepsisAR为参与者提供持续的实时反馈，以实现模拟患者的液体复苏目标;从而促进了目标的实现，使仿真游戏化。

研究背景

本研究于2020年10月10日至11月12日在某大型三级专科儿童医院儿科急诊科进行。

研究参与者

我们招募了50名方便样本参与者，包括儿科住院医师、儿科急诊医师(PEM)研究员、PEM主治医师、执业护士和儿科护士，他们定期在研究医院的儿科急诊科执业。参与者是通过电子邮件和面对面交流的方式招募的。所有参与者均获得书面知情同意。

研究设计

本研究采用非盲法、随机对照试验设计。

原型设计

通过与费城软件公司BrickSimple, LLC的合作，我们改编了现有的原型CPReality [28，29]，创建PediSepsisAR。CPReality集成了第一代微软HoloLens头戴式耳机，并允许对循环系统的数字模型进行描述，该模型可以覆盖在模拟人体模型上。CPReality整合了人体模型上的实际心肺复苏术表现数据，以创建一个数字图像病人的在心肺复苏术中，参与者可以直观地看到胸部按压对灌注的影响。我们调整这个原型的目的是使我们的参与者能够在脓毒性休克患者的模拟液体复苏期间可视化灌注受损模型。最初，最靠近心脏的血管被照亮，显示外周灌注有限(图1);在给药20cc /kg、40cc /kg和60cc /kg后，灌注向远端扩散，直到最终到达大脑和大多数外周组织。循环扩张的演示见多媒体附录1。

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我们与BrickSimple合作，使PediSepsisAR能够与嵌入静脉输液注射器中的电位器交互。电位器是一个可变电阻，它线性地限制可以转换成电信号的低电量。由于线性滑动电位计的滑动效果与推柱塞的机械作用非常吻合，因此我们特意选择了线性滑动电位计。团队成员将电位器安装到一个60毫升的注射器中，然后将设备的移动部分(雨刷)连接到注射器柱塞上，这样它就会根据柱塞被按压的程度以相对的方式移动。柱塞的位置可以随时间测量，以测量液体丸给药速率。

一旦电位器被开发出来，就有必要确保它能够与全息透镜通信。这是通过无线连接实现的。更具体地说，电位器通过USB连接到一台运行名为“注射器继电器”的定制应用程序的电脑上。提供视觉效果的HoloLens应用程序还会启动传输控制协议或IP服务器。然后，注射器继电器连接到传输控制协议或IP服务器，并使用它向HoloLens发送数据。通信顺序如下:电位器通过USB向注射器继电器发送数据;然后，注射器中继应用程序处理数据，并通过无线连接将数据转发给HoloLens。这个序列显示在图2。

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为了使通信流程正常工作，HoloLens和计算机必须在同一个无线互联网网络上。当启动时，HoloLens上的PediSepsisAR应用程序会不断扫描新的连接。然后，注射器中继应用程序配置了HoloLens的当前IP地址，从而可以连接到它并向它发送数据。

所有数据处理都在注射器继电器应用程序中进行。首先，该应用程序将原始电位计值映射到注射器上的当前毫升值。当柱塞被压下时，它将增量加到注入的总毫升数中。然后，应用程序将注入的总毫升数转换为总mL/kg，并将该值发送到HoloLens。HoloLens随后相应地更新灌注的视觉显示。

据我们所知，这是第一次在模拟过程中使用电位器来测量实时静脉输液。

研究过程

所有入选的参与者(n=50)完成了一份电子研究前问卷。所有问卷数据的收集和管理使用REDCap(研究电子数据采集)工具在我们的机构托管[30.，31]。研究前问卷是与一位在调查问题开发方面具有专业知识的共同作者AKW一起重新创建的，并作为参考纳入多媒体附录2。该问卷询问了参与者的人口统计数据，以及他们对推拉式液体给药、一般模拟复苏和模拟感染性休克的经验报告。在完成研究前问卷后，每个参与者打开一个信封，里面有一个数字;信封里装偶数的参与者被随机分到PediSepsisAR组，信封里装奇数的参与者被随机分到对照组。所有参与者都有机会练习使用推拉技术(图3)进行模拟演习。然后，随机分配到PediSepsisAR组的患者在HoloLens上接受了简短的定位，评估了HoloLens的合适程度，并提供了他们通过HoloLens看到的循环视觉表现的例子。

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在同意程序中，参与者被告知，调查人员将评估他们对脓毒性休克模拟患者的液体管理。他们被要求用语言描述他们对病人的评估以及除了静脉输液外他们可能采取的管理步骤。在开始练习之前，所有参与者都收到了一份标准化的、简短的临床情景描述:一名15个月的健康男性，表现为2天发烧，1天口服摄入量减少，反应性下降。主持人在模拟过程中没有给出进一步的提示。那些随机分配到PediSepsisAR组的人在模拟过程中戴着HoloLens;随机分配到对照组的患者在不使用AR的情况下完成模拟。我们使用儿科HAL (Gaumard)人体模型进行所有模拟。我们使用嵌入60cc注射器的电位器来测量所有参与者的液体给药，用于推拉液体，并记录患者所述体重的20cc /kg、40cc /kg和60cc /kg总给药时间。参与者没有被指示服用特定数量的液体，那些在模拟过程中选择停止服用液体的人被允许这样做。此外，主持人还标记了参与者用语言描述脓毒症识别和治疗的以下要素的时间:心动过速或低血压、脓毒症、休克、脓毒症休克、脓毒症途径的开始以及使用抗生素的意图。

在模拟练习之后，PediSepsisAR组的参与者通过REDCap完成了一份电子研究后问卷，询问他们对PediSepsisAR如何影响或不影响他们的模拟体验的看法。研究后问卷是重新制作的。参与者有机会以自由文本形式详细说明他们对调查问题的答案。研究后问卷包括在多媒体附录3。所有参与者在参与后都获得了一张5美元的咖啡店礼品卡。

这项研究得到了费城儿童医院机构审查委员会的批准。我们使用Stata 16.0 (StataCorp)进行统计分析。我们使用描述性统计对研究人群进行评估，并使用Wilcoxon秩和检验比较各组中位时间(分别为20cc /kg、40cc /kg和60cc /kg)。

可行性的端点

为了达到我们的可行性目标，我们先验地定义了以下终点:(1)我们假设我们可以创建PediSepsisAR并使其能够与液体给药系统交互;(2)我们假设我们可以在至少90%的参与者中使用电位器测量液体给药的时间和体积。此外，我们假设对于PediSepsisAR参与者，电位器和AR交互至少在90%的时间内会正常工作。

结果

概述

我们共招募了50名跨专业参与者，包括6名护士、11名执业护士和33名接受不同级别培训的医生:10名儿科住院医师、13名PEM主治医师和10名PEM研究员。总共25名受试者被随机分为对照组，25名受试者被随机分为PediSepsisAR组;在PediSepsisAR组和对照组中，所有学科都有代表。研究人群的人口统计学特征见表1。在模拟前问卷调查中，大多数参与者报告说他们以前曾给过推拉式静脉输液(21/25，两组均为84%)。同样，大多数参与者报告了先前的脓毒性休克模拟经验(PediSepsisAR组23/25,92%，对照组19/25,76%)。两组中均有少数参与者有AR的既往经历(PediSepsisAR组为0/ 25,0%，对照组为2/ 25,8%)。

流体管理和语言表达

我们测量并记录了所有参与者完成20cc /kg、40cc /kg和60cc /kg液体给药的时间。总共有16%(4/25)的PediSepsisAR组参与者最初无法通过HoloLens看到PediSepsisAR;在每种情况下，研究人员关闭和重新打开设备上的PediSepsisAR，参与者能够在此之后看到PediSepsisAR。所有4名参与者随后都完成了不间断的模拟练习。PediSepsisAR组的参与者比传统组的参与者更有可能给予60cc /kg的液体(相对风险1.2,95% CI 1.03-1.41)。对于选择不给予第三次丸的参与者，不包括60cc /kg时间点。PediSepsisAR组至20cc /kg给药的中位时间为117秒(IQR 93-154)，对照组为134秒(IQR 98-161) (P= .68点)。对于40 cc/kg, PediSepsisAR组的中位给药时间为265秒(IQR 229-363)，对照组的中位给药时间为284秒(IQR 250-350) (P= .51)。最后，PediSepsisAR组至60cc /kg给药的中位时间为419秒(IQR 377-536)，对照组为468秒(IQR 392-524) (P=)。这些数据载于表2。

除了记录液体给药的量和时间外，我们还记录了参与者口头承认患者病情并表达采取某些管理步骤的愿望的点;92%(23/25)的PediSepsisAR组参与者和100%(25/25)的对照组参与者口头承认心动过速或低血压。PediSepsisAR组到言语识别的中位时间为26秒(IQR 6-43)，对照组为39秒(IQR 10-95) (P= .20)。关于启动脓毒症途径的愿望，32%(16/50)的参与者口头表示他们希望启动该途径;这包括20%(5/25)的PediSepsisAR组参与者和44%(11/25)的对照组参与者。PediSepsisAR组表达启动脓毒症途径愿望的中位时间为96秒(IQR 90-133)，对照组为136秒(IQR 40.5-421) (P=正)。的数据表示震惊，感染性休克,或脓毒症结果如下:56%(14/25)的PediSepsisAR组参与者用语言表达了这些术语中的一个或多个，而对照组为68%(17/25)。语言识别的中位数时间冲击，感染性休克,或脓毒症PediSepsisAR组为66秒(IQR 34-94)，对照组为87秒(IQR 23.5-192) (P=点)。在PediSepsisAR组和对照组中，84%(21/25)的参与者要求使用抗生素。在要求使用抗生素的患者中，PediSepsisAR组的中位要求时间为81秒(IQR 53-167)，对照组的中位要求时间为165秒(IQR 28-198) (P= .96点)。这些数据载于表3。

在研究后问卷中，大多数PediSepsisAR组的参与者(23/ 25,92%)报告说，AR的加入增强了他们对患者血流的认识。当被问及PediSepsisAR是否使他们想更快地推液时，56%(14/25)的PediSepsisAR参与者回答说确实如此。许多参与者认为PediSepsisAR会分散注意力(8/ 25,32 %)。在自由文本评论中，一些参与者报告说，循环的数字可视化使他们能够以一种新的方式欣赏病人的液体反应。一些与会者评论了HoloLens有限的视野。

讨论

主要研究结果

在本研究中，我们旨在设计一个可以集成到儿童感染性休克模拟中的AR应用程序，并证明其使用的可行性。我们的研究结果表明，在脓毒性休克模拟过程中，无论是否添加AR，记录液体给药的时间和体积都是可行的。我们假设我们能够在每组中至少90%的参与者中捕获此类数据，并最终在所有参与者中捕获所需的数据。

我们的研究没有发现对照组和PediSepsisAR组之间液体给药时间的显著差异。我们观察到，与对照组相比，PediSepsisAR组给药时间更短。PediSepsisAR组中超过一半的参与者报告说，PediSepsisAR使他们想更快地推液，这表明即使没有AR组件，单独的模拟组件(提供的病史、生命体征和报告的延迟毛细血管再充盈)也可能鼓励快速给液。值得注意的是，对照组的参与者给药60cc /kg的可能性略低于PediSepsisAR组的参与者。这种观察的根本原因尚不清楚。两组模拟患者生命体征随每次液体剂量(20、40和60 cc/kg)的变化相同;PediSepsisAR参与者在40 cc/kg时表现出不完全的循环改善，而对照组参与者则没有。这表明，也许通过PediSepsisAR提供的额外灌注可视化可以让参与者了解患者的状态，而仅靠生命体征是无法做到的。在模拟过程中，可视化的灌注数字模型是否对静脉输液的给药有影响，这个问题仍然存在，可以在未来的研究中探索。

我们的第二个探索目标是将PediSepsisAR描述为一种教育工具。我们通过两种方式探讨了PediSepsisAR的教育价值:通过比较两组在模拟练习中对患者状态和期望管理步骤的口头识别，以及PediSepsisAR组完成的研究后问卷。我们没有发现关键患者状态识别或管理步骤的中位数时间有任何显著差异，因为我们的研究没有能力检测到这种差异。我们观察到，与对照组相比，PediSepsisAR组的患者状态(异常生命体征和休克或脓毒症休克)和脓毒症途径启动和抗生素的言语化时间更短。这一发现表明，PediSepsisAR可能有助于识别异常液体状态，这样做，允许参与者更有效地计划管理步骤。未来的研究需要探索AR的加入是否会影响对模拟患者的评估或护理的提供。

研究后问卷调查结果显示，大多数参与者认为PediSepsisAR增强了他们对模拟患者灌注的认识。传统的高保真模拟使参与者能够触诊脉搏并可视化毛细血管再充盈[32]，让他们评估模拟患者的灌注情况。然而，毛细血管再充盈作为模拟患者和人类患者灌注的替代标记物，提供者之间对毛细血管再充盈的评估缺乏可靠性[33]。通过PediSepsisAR提供的灌注的新表示提供了模拟患者状况的视觉信息，否则参与者将无法获得这些信息。我们将此与我们的观察结果联系起来，即PediSepsisAR参与者总体上对液体灌注的时间较短，这表明模拟患者灌注的AR表示可能影响了液体给药的速度。

从我们的研究后问卷中得出的一个关键平衡指标是，PediSepsisAR组中超过32%(8/25)的参与者发现该应用程序令人分心。一些参与者在自由文本评论中报告说，他们很难在通过全息透镜观看数字媒体和放置在人体模型旁边的显示生命体征的物理监视器之间切换。我们的大多数参与者之前都参与过模拟脓毒性休克的场景，但之前没有AR的经验。他们可能对现实世界中可视化数字媒体的经验缺乏熟悉，导致他们对PediSepsisAR的评估分散了注意力。然而，重要的是不仅要考虑到潜在的好处，还要考虑到将额外的技术纳入已经有效的教育实践(如高保真仿真)的缺点。也有可能某些学习者会比其他人更受益于基于ar的教育策略，这可以在未来的研究中进行探索。

限制

这项研究有几个重要的局限性。首先，我们解决了评估收集有和没有PediSepsisAR的液体给药时间和量数据的可行性的局限性。我们的流体测量系统虽然新颖，但也有局限性。在这项可行性研究中，我们使用嵌入注射器的电位器测量液体给药的时间和体积。因为这些测量是基于电位器的运动，而不是基于实际的液体体积，注射器内的空气可能会影响测量。因此，一些参与者的液体给药时间可能被错误地缩短了。

在可通用性方面，AR应用程序开发和头戴式显示器(如HoloLens)的成本可能会阻碍复制AR流通模型的设计并将其集成到模拟中。我们用来测量流体管理时间和体积的电位器需要工程专业知识。此外，学习如何使用PediSepsisAR并对其进行故障排除需要我们在BrickSimple的同事投入时间和技术支持。因此，缺乏教育创新的保护时间、人员限制以及缺乏足够的资金支持都可能成为在其他环境中复制我们的研究的潜在障碍。

其次，我们解决了评估PediSepsisAR作为教育工具的局限性。本研究中使用的第一代HoloLens提供的有限视野可能会对参与者在模拟过程中的体验产生负面影响。特别是，当参与者在模拟运动中经历技术故障时，暂停怀疑变得更具挑战性。未来通过HoloLens显示AR应用的研究可能会受益于第二代HoloLens或惠普混合现实头盔，它们具有更大的视野。

PediSepsisAR提供了脓毒性休克复杂病理生理的简单表示。在我们现有的资金支持下，我们可以将CPReality原型与流体管理系统集成，但我们无法使灌注模型更加逼真。有许多潜在的机会使PediSepsisAR成为脓毒性休克的更准确的代表。这些包括但不限于，添加受损毛细血管充盈或皮肤发现(如斑驳或斑点)的数字模型。根据休克类型(脓毒性vs心源性)和参与者选择的干预措施，可以配置一个更细致的模型来反映灌注改善或恶化。具体来说，心源性休克的AR模型可以描述远端灌注受损，心脏泵血较弱，在给予液体后泵血效率较低。可视化心源性和感染性休克的交互式AR模型可以让参与者更好地识别它们之间的差异，并在模拟未分化性休克的情况下区分两者。未来的研究应将感染性休克和心源性休克的AR模型作为教育工具，以增强对这些病理状态的模拟识别。

结论

总之，这项随机研究表明，在儿童感染性休克模拟过程中测量液体给药时间是可行的。我们探索性目的的初步结果表明，将PediSepsisAR纳入脓毒性休克模拟可以增强参与者对模拟患者灌注的认识。未来的研究可以探讨在脓毒性休克模拟中，AR的加入是否会影响参与者的表现，包括给药。