Applying surgeon-centric design to advanced VR-based medical training

Abstract

During medical education, physicians need several years to gain various types of compe tencies. This includes motoric and visuospatial skills as well as declarative, procedural and situative knowledge. To gain practical routine and assurance, frequent training is essential. Because of this, simulations are created that provide specific scenarios that can be repeated and do not harm patients. Simulations can be physical, virtual or hybrid, where of each of them has its benefits and limitations. Virtual simulations include virtual reality (VR) as an immersive variant to simulate situations that could not be trained in reality. VR-based surgical training has the potential to consider even rare anatomical variants. Consequently, surgeons then have a better competence level when they start to operate on patients. Thus, medical use cases were identified in close collaboration with medical experts where VR simulations are relevant to gain specific skills. These cases are in the two medical disciplines liver surgery and neurosurgery. In the first part of this thesis, a training application for visuospatial skills in the context of intraoperative ultrasound is presented. This includes the simulation of ultrasound images, haptic feedback and the creation of four different scenarios to train visuospatial skills. The single training scenarios as well as the content and face validity of the training system were evaluated by medical experts. The evaluations revealed that three scenarios are appropriate for training and the main limitation is the haptic input device. Furthermore, one of these scenarios was gamified to provide a better training experience. Therefore, several game elements were discussed and two studies compared levels of difficulty and an interactive kit with the non-gamified version. The training scenario with the kit benefits from a more interactive user experience. Levels provide good feedback for progress and performance. In the second part, a VR-based training, which addresses strategical knowledge, is pre sented. The trainee should gain a better understanding of the relevance of the correct access for microsurgical intracranial operations. The resulting application was evaluated by medical experts, and its usefulness became apparent. During the development of all application prototypes, the necessity of proper input devices emerged. Therefore, a general comparison of various input devices for medical VR-based applications was conducted. The presented benefits and limitations of the devices should support the choice of a proper input device. Close collaborations with medical experts were the basis for all presented prototypes. This surgeon-centric design and development ensure the clinical relevance of the prototypes. By addressing specific skills, the prototypes serve as additional training where other training modalities are limited or not applicable.

Während der medizinischen Ausbildung benötigen Ärzte mehrere Jahre um verschiedene Arten von Kompetenzen zu erlangen. Dazu gehören motorische und visuell-räumliche Fähigkeiten sowie deklaratives, prozedurales und situatives Wissen. Um eine praktische Routine und Sicherheit zu erlangen, ist häufiges Training notwendig. Deshalb gibt es Simulationen, welche spezifische Szenarien zum Trainieren bereitstellen. Diese können wiederholt werden und schaden keinem Patienten. Simulationen können physikalisch, virtuell oder hybrid sein, wobei jede Variante ihre Vor- und Nachteile hat. Virtuelle Simulationen schließen auch VR Simulationen als immersive Variante mit ein. Diese simulieren Situationen, welche in der Realität nicht trainiert werden können. VR-basiertes chirurgisches Training hat das Potential, dass auch seltene anatomische Varianten berücksichtigt werden können. Demzufolge haben Chirurgen dann ein höheres Kompetenzlevel wenn sie beginnen am Patienten zu operieren. In enger Zusammenarbeit mit medizinischen Experten wurden Anwendungsfälle identifiziert, bei denen VR Simulationen notwendig sind um spezifische Fähigkeiten zu erlangen. Diese Anwendungsfälle sind in den zwei Disziplinen Leberchirurgie und Neurochirurgie. Im ersten Teil der Dissertation wird eine Trainingsanwendung für visuell-räumliche Fähigkeiten im Kontext von intraoperativem Ultraschall vorgestellt. Dieser beinhaltet die Simulation von Ultraschallbildern, haptisches Feedback und die Erstellung von vier verschiedenen Trainingsszenarien. Die Szenarien sowie die Inhaltsvalidität und Augenscheinvalidität des Trainingssystems wurden von medizinischen Experten ausgewertet. Die Auswertung zeigt, dass drei der Szenarien für ein Training angemessen sind und die Hauptlimitation das haptische Eingabegerät ist. Darüber hinaus wurde eins der Szenarien gamifiziert, um ein besseres Trainingserlebnis zu erzeugen. Hierfür wurden mehrere Spielelemente diskutiert und zwei Studien vergleichen Schwierigkeitsstufen und einen interaktiven Baukasten mit der nicht-gamifizierten Version. Das Trainingsszenario mit dem Baukasten profitiert von einem interaktiveren Erlebnis. Schwierigkeitsstufen stellen ein gutes Feedback bezüglich des Fortschrittes und der Leistung dar. Im zweiten Teil wird ein VR-basiertes Training, welches strategisches Wissen adressiert, vorgestellt. Der Lernende soll ein besseres Verständnis für die Relevanz des richtigen Zugangs bei mikrochirurgischen intrakraniellen Operationen erlangen. Die daraus entstandene Anwendung wurde von medizinischen Experten beurteilt, wobei sich deren Nützlichkeit abzeichnete. Während der Entwicklung aller Anwendungsprototypen kam die Notwendigkeit passender Eingabegeräte zur Sprache. Dementsprechend wurde ein allgemeiner Vergleich verschiedener Eingabegeräte für medizinische VR-basierte Anwendungen durchgeführt. Die präsentierten Vor- und Nachteile der Geräte sollen als Unterstützung bei der Wahl eines Eingabegerätes dienen. Enge Kollaborationen mit den jeweiligen medizinischen Experten waren die Basis für alle vorgestellten Prototypen. Chirurgen-orientiertes Design und Entwicklung stellten die klinische Relevanz der Prototypen sicher. Durch das Adressieren von spezifischen Fähigkeiten dienen diese als zusätzliches Training wo andere Trainingsmodalitäten limitiert oder nicht umsetzbar sind.