This page is an automatic translation to Romanian of Module 3: Laparoscopic Simulator.This translation is distributed in the hope that it will be useful, but without any guarantee of accuracy.Read more...
Simularea virtuală a fost un instrument excelent în predarea abilităților psihomotorii, iar acest lucru s-a dovedit a fi adevărat și în domeniul chirurgiei laparoscopice. Preocuparea principală cu operațiile laparoscopice este că chirurgul vizualizează organele din interiorul abdomenului pe un ecran. Ei trebuie să opereze într-un mediu tridimensional în timp ce vizionează o imagine video bidimensională, iar chirurgul trebuie să miște instrumentele în direcția opusă, mai degrabă decât în direcția dorită. Acest lucru reprezintă o mare provocare, iar abilitățile psihomotorii necesare pentru îndeplinirea acestor sarcini sunt vitale.
În operațiile tradiționale deschise, majoritatea chirurgilor operează folosind mâna dreaptă, iar mâna stângă rămâne pasivă. Deși în laparoscopie, se așteaptă ca acestea să fie ambidextre, adică ambele mâini trebuie să îndeplinească sarcinile simultan. Mai mult, direcția în care sunt abordate organele este fixă, deoarece punctul din care sunt introduse inițial instrumentele nu se va schimba. În plus, mărirea organelor reprezintă, de asemenea, o provocare cognitivă substanțială, cu cât telescopul mărește mai mult, cu atât mărirea va fi mai mare. Prin urmare, perspectiva organelor se schimbă pe parcursul intervenției chirurgicale.
Există, de asemenea, numeroase provocări din cauza instrumentelor minute. Forțele exercitate pentru a apuca un țesut/organ vor fi cu siguranță diferite de când se folosește întreaga mână și în comparație cu un instrument relativ ascuțit. Țesuturile nu pot fi percepute așa cum poate o mână, deoarece mai multe articulații din instrument nu permit transmiterea forțelor exacte care sunt aplicate (adică, există o pierdere de transmisie a forței). Prin urmare, este nevoie de multă învățare pentru ca un chirurg să poată apuca ușor țesuturile sau organele, fără a provoca răni.
Problema majoră, specifică Colecistectomiei laparoscopice este modificarea tipului de țesut, în funcție de inflamație și de momentul la care se efectuează intervenția chirurgicală. Ar putea exista diverse modificări patologice în vezica biliară, inclusiv fibroză și contracție. Există, de asemenea, momente în care piatra este lovită pentru o lungă perioadă de timp și acest lucru duce la erodarea unor părți ale peretelui vezicii biliare. Înțelegerea acestor schimbări care se pot întâmpla și deciderea asupra tehnicilor care trebuie utilizate în fiecare dintre aceste afecțiuni este esențială pentru a efectua o colecistectomie laparoscopică în siguranță.
Am proiectat modulul nostru de Endotrainer (unul din trei) astfel încât să ne asigurăm că cursantul dobândește abilitățile psihomotorii necesare pentru a depăși aceste provocări și să-i învățăm cum să manipuleze țesuturile cu forțele și presiuni adecvate. Am conceput un simulator de casetă rentabil, în care exercițiile bazate pe sarcini sunt concepute pentru a antrena abilitățile de bază ale laparoscopiei. Mai târziu, modelele sintetice ale diferitelor organe din jurul vezicii biliare, împreună cu variațiile patologice ale vezicii biliare sunt folosite pentru a antrena diferite etape ale colecistectomiei laparoscopice. Simulatorul de cutie va oferi, de asemenea, indicații vizuale adnotate în Realitatea Augmentată (AR) printr-un afișaj montat pe cap.
Acest simulator cu costuri reduse este un sistem compact format din instrumente chirurgicale laparoscopice inteligente, o platformă imprimată 3D pentru efectuarea de sarcini simple, o cameră cu unghi larg capabilă să transmită video HQ fără fir, un mini-computer și un model din silicon pentru efectuarea colecistectomiei laparoscopice. Punctul culminant al acestui sistem este potențialul său de a urmări cele mai mici mișcări și gesturi ale mâinii prin senzorii săi avansați, dar ieftini. Instrumentele sunt calibrate cu precizie și sunt capabile să recunoască mișcările milimetrice.
Simulatorul se conformează formei cavității abdominale în care se efectuează operația laparoscopică. Volumul cutiei este similar cu cavitatea abdominală. Este realizat dintr-o foaie acrilică simplă care este disponibilă universal și are un preț economic. Foaia albă lucioasă reflectă lumina și luminează obiectele din cutia de antrenor. Stratul superior este înclinat pentru a simula angularea cavității abdominale similară cu la efectuarea unei colecistectomie laparoscopică. Porturile sunt proiectate pentru a oferi aceeași distanță și aceeași angulație menținută în timpul efectuării unei colecistectomie laparoscopică. Platforma este poziționată ținând cont de lungimea instrumentelor care intră în corp în timpul operației.
Următoarele caracteristici sunt încorporate în cutie pentru a face din acesta un simulator realist pentru antrenarea intervențiilor chirurgicale laparoscopice:
Se folosește un mâner de umbrelă cu o cameră la un capăt care este folosit pentru a înlocui endoscopul și ne oferă o imagine bună în timpul antrenamentului.
Distanța și angularea telescopului și a camerei sunt concepute pentru a oferi aceeași vizualizare ca în operația în timp real.
Este furnizat un cablu lung pentru a conecta camera la un televizor LCD care este disponibil gratuit
Este prevăzută o platformă la același nivel și angulație la care se efectuează intervenția chirurgicală și aceasta are mai multe atașamente în funcție de care se practică exercițiul bazat pe sarcini.
Conceput pentru a avea 4 instrumente în orice moment pentru a practica orice sarcină.
În cele din urmă, cutia Endotrainer este ușor de făcut în orice loc mic și este foarte accesibilă.
Cutia de antrenament endo folosită în Modulul 3 este un design simplu dezvoltat la nivel local, realizat din acril (culoare albă), ales în mod explicit pentru accesibilitatea sa, proprietățile sale de reflectare a luminii și poate fi reprodus cu ușurință într-un atelier prin referire la manualul de pe Appropedia. Înainte de a finaliza proiectarea antrenorului de endo, am trecut prin multe iterații și am primit contribuții de la chirurgi experimentați. Dimensiunea și designul cutiei de antrenor endo dezvoltate reproduc exact mediul real în timpul intervenției chirurgicale și oferă senzația de a efectua o intervenție chirurgicală reală. Placa superioară a cutiei este menținută înclinată la 30° față de suprafața orizontală, iar distanța dintre cele două instrumente este de aproximativ 160 mm, ceea ce reproduce din nou exact spațiul accesibil real disponibil în timpul intervenției chirurgicale.
Am finalizat designul după două iterații și a fost efectuată testarea cutiei de antrenor la fiecare etapă. Dezvoltarea și modificarea în fiecare iterație sunt detaliate în secțiunea de evaluare de la sfârșitul acestei pagini.
Diferite componente mecanice și instrumente inteligente utilizate în simulator sunt explicate în detaliu în diferitele secțiuni.
A. Box Trainer: Design mecanic
Box Trainer este realizat din acril (culoare albă), ales în mod explicit pentru accesibilitatea sa, proprietățile sale de reflectare a luminii și poate fi reprodus cu ușurință într-un atelier. Pentru fabricarea și asamblarea antrenorului boc vă rugăm să urmați instrucțiunile din videoclipul atașat.
b. Instrumente inteligente
Combinația de senzori IMU și TOF pentru estimarea poziției instrumentului este o soluție accesibilă, spre deosebire de camerele scumpe și complexitatea de calcul care urmează. În primele etape de dezvoltare, senzorii IMU utilizați nu s-au dovedit a fi fiabili, odată cu introducerea BNO055, un sistem 9DOF pe cip care include un accelerometru cu 3 axe, un giroscop cu 3 axe și un magnetometru cu 3 axe, diverse probleme legate de fuziunea senzorului. și calibrarea au fost rezolvate. În consecință, informațiile despre poziție au făcut loc extragerii numeroaselor caracteristici pentru modulul de autoevaluare.
Această etapă în dezvoltare ne-a permis să încorporăm un encoder pentru a urmări starea vârfului instrumentului și un senzor de forță capacitiv pentru a extrage profilul de presiune al utilizatorului. Mai mult, informațiile de la acești senzori s-au dovedit a fi valoroase evaluează performanța utilizatorului. Odată calibrat în timpul pornirii, sistemul poate funcționa fără probleme și ori de câte ori există mișcare mică sau deloc, sistemul se auto-calibrează pentru a furniza informațiile precise necesare pentru funcționalitatea generală a sistemului.
Calculul pentru estimarea atitudinii și poziției este asigurat de controlerul bazat pe STM32, care oferă date noi la fiecare 5 ms. Datele fuzionate de la toți senzorii sunt folosite pentru extragerea caracteristicilor în timp real. Instrumentele sunt proiectate pentru a fi modulare și pot fi schimbate rapid pentru a se adapta nevoilor exercițiului.
1. Instrumente potrivite: Ansamblul pensei de prindere laparoscopic constă din mâner, conector, pensetă de prindere, suporturi pentru senzori, senzor de distanță, senzor de mișcare și fire de conectare
2. Instrumente din stânga: Ansamblul pensei de prindere laparoscopic constă din mâner, conector, pensetă de prindere, suporturi pentru senzori, senzor de distanță, senzor de mișcare și fire de conectare
3. Ansamblul de montare a camerei constă dintr-un suport din lemn atașat cu tijă de oțel și la un capăt, iar camera este montată la celălalt capăt Arducam 12 MP IMX477
4. Placa de circuite
5. Ansamblu instrument laparoscopic :
Constă dintr-un senzor de distanță: VL53L1X Senzor de distanță de timp de zbor,
Senzor de mișcare: BNO055 este o soluție System in Package (SiP) care integrează un accelerometru triaxial de 14 biți, un giroscop triaxial precis cu buclă apropiată de 16 biți, un senzor geomagnetic triaxial și un microcontroler pe 32 de biți care rulează software-ul BSX3.0 FusionLib.
6. NVIDIA ® Jetson Nano ™
7. Organ din silicon : Simulab
c. Exerciții bazate pe sarcini și tabel de autoevaluare
Modulele noastre de formare oferă pregătire pas cu pas, abilități psihomotorii cognitive și chirurgicale. Există 6 activități de formare incluse în actualul antrenor de cutie care îi vor ajuta pe începători să-și îmbunătățească abilitățile de laparoscopie, cum ar fi apucarea, percepția adâncimii, sutura, tăierea și înnodarea.
Module de formare
Există 6 activități de formare incluse în actualul antrenor de cutie, care îi vor ajuta pe începători să-și îmbunătățească abilitățile chirurgicale, cum ar fi apucarea și căderea, percepția adâncimii, sutura, tăierea și înnodarea.
Modulul de formare 1 – Fasole Thermocol
Modulul de formare 2 – Benzi de cauciuc
Modulul de formare 3 – Blocuri de construcție
Modulul de formare 4 și 5 – Tăiere precisă
Modulul de formare 6 – Sutura/Înnodarea
Fiecare modul este proiectat pentru a fi încadrat în masa de sarcini universală, unde sunt prevăzute sloturi pentru fixarea tamponului de activități și poate fi înlocuit cu ușurință cu următorul tampon de activități. Tabelul de sarcini universal împreună cu toate tabelele de activitate pot fi imprimate 3D și fișierele respective în format .stl sunt atașate la sfârșit.
Lista de materiale (BOM)
Ref.
Numele piesei
Cantitate (Nr.)
Tip
Aproximativ. Cost
(USD)
A
Tabel universal de sarcini
1
Imprimabil 3D
20
B
Pad de activitate Thermocol fasole
1
Imprimabil 3D
8
C
Pad de activitate cu bandă de cauciuc
1
Imprimabil 3D
8
D
Bloc de activitate bloc de construcție
1
Imprimabil 3D
8
E
Pad pentru activitate de tăiere precisă
1
Imprimabil 3D
8
F
Pad de activitate pentru sutura
1
Imprimabil 3D
12
G
Fasole Thermocol 3 culori
30
(10+10+10)
Disponibil în mod obișnuit intern și în spitale
2
H
Bandă de cauciuc
10
Disponibil în mod obișnuit intern și în spitale
1
eu
Blocuri pătrate de spumă
8
Disponibil în mod obișnuit intern și în spitale
2
J
Mănuși
1
Disponibil în mod obișnuit intern și în spitale
1
K
Bloc de imprimare cerc
1
Disponibil în mod obișnuit intern și în spitale
4
L
Foaie A4
1
Disponibil în mod obișnuit intern și în spitale
1
M
Tampă de sutură
1
Amazon
15
Cost total
90
Unelte necesare pentru fabricare și asamblare
Imprimantă 3D cu dimensiunea patului de 0,30 m X 0,30 m X 0,10 m (L x L x H) minim.
Fișier plat pentru a depila suprafețele extinse și cuțit ascuțit pentru a tăia plasticul de pe margini și structurile de susținere din părțile imprimate 3D (Depinde de calitatea imprimării).
Tabel universal de sarcini
Masa universală de activități este proiectată pentru a se potrivi diferitelor tampoane de activitate în aceeași masă. Reduce costul general și timpul de fabricare a unei noi mese pentru fiecare sarcină particulară, în schimb, permite montarea unei plăci mici pe care este proiectată activitatea. Există un mic slot în care suportul de activitate poate fi plasat și blocat în toate direcțiile pentru a restricționa mișcarea mesei.
Thermocol beans modulul 1 este o alegere excelentă pentru începători, permite dobândirea abilităților de bază de manipulare a instrumentelor implicate în chirurgia laparoscopică. Blocul de activitate este format dintr-un cilindru mare, patru mici și boabe termocol (patru culori și câte 10 nr. fiecare). Sarcina este să luați boabele de culoare anume din cilindrul mare și să le transferați în fiecare dintre cilindrii mici. Fiecare cilindru mic trebuie umplut cu 10 nr. de aceeasi culoare.
Abilități dobândite: prinderea, căderea, percepția adâncimii și culoarea
Rubber Bands Modulul 2, este perfect pentru formarea abilităților manuale cu utilizarea instrumentelor laparoscopice. În timpul operației laparoscopice, operarea într-o zonă îngustă și întinderea țesuturilor sunt cele mai mari dificultăți și acest modul va permite începătorilor să dobândească aceste abilități. Întinderea cauciucurilor elastice cu instrumentul din acest modul de antrenament imită exact întinderea țesuturilor naturale în timpul intervenției chirurgicale. Acest lucru poate ajuta la înțelegerea și simțirea mai bună a tensiunii în timpul efectuării unei intervenții chirurgicale laparoscopice. Acest modul ajută, de asemenea, la îmbunătățirea abilităților manuale în diverse unghiuri și în multe configurații, precum și la utilizarea simetrică a ambelor mâini cu aceeași precizie pentru a întinde și plasa banda de cauciuc.
Blocuri de construcție Modulul 3, ajută la îmbunătățirea utilizării simetrice a ambelor mâini cu aceeași precizie pentru a plasa blocuri peste blocuri. În acest modul, participanții ar trebui să plaseze blocurile unul peste altul pentru a finaliza sarcina. Timpul total necesar pentru finalizarea sarcinii și coordonarea mâinilor sunt criterii majore care ajută la evaluarea abilităților participanților la acest modul.
Modulul de instruire 4 și 5: Tăiere (cerc și linie)
Modulul de tăiere 4 și 5 ajută la dobândirea abilităților de tăiere precise și poate fi realizat cu aceste plăcuțe înlocuibile care sunt destinate a fi prinse pe plăcuța universală. Stagiarul trebuie să taie cercul dintre cele două linii din modulul 4 și liniile din modulul 5 în cadrul specificațiilor date. În timpul sarcinii, participantul are 5 minute pentru a tăia 2 cercuri în modulul 4 și 5 minute pentru a tăia linii în modulul 3.
Modulul de sutură și înnodare 6, permite participantului să practice sutura și înnodarea chirurgicală în timpul intervenției chirurgicale minim invazive. Acest tampon de sutură realist imită țesuturile artificiale și este ușor disponibil pe piață. Este alcătuit dintr-un tampon plat realizat dintr-un tip special de silicon cu diferite forme de tăiere la suprafață. Modulul de antrenament permite începătorilor să exerseze, plasând diverse tipuri de suturi. De asemenea, ajută la îmbunătățirea abilităților de sutură a țesuturilor strânse, selecția corectă și strângerea nodurilor.
Organul sintetic utilizat în prezentul simulator este disponibil comercial și procurat de la Simu Lab Corporation. Două modele pe care le-am folosit sunt vezica biliară înlocuibilă și modelul de colecistectomie laparoscopică.
3.2 Realitatea augmentată
Setul cu cască ATTINA este o cască AR imprimabilă 3D la preț redus, cu capacitatea de a imprima și asambla chiar acasă, folosind piese disponibile și nu necesită abilități tehnice pentru a le asambla. Majoritatea pieselor căștilor sunt imprimabile 3D, iar modelele CAD respective sunt proiectate în software CAD și puține componente, cum ar fi un combinator reflectorizant și un cablaj de sudură care servește drept curea pentru cap, sunt disponibile comercial. Ecranul smartphone-ului se reflectă în combinator și în ochii utilizatorului - o telecomandă fără fir acționează ca un indicator laser pentru a interacționa cu interfața de utilizare. Designul căștilor este finalizat după patru iterații. Designul final este rentabil, ușor de asamblat și suficient de flexibil pentru a introduce orice smartphone disponibil pe piață.
A. ATTINA: Căști de realitate augmentată DIY la prețuri accesibile
Părțile căștilor sunt imprimabile 3D, iar modelele CAD respective sunt proiectate în software CAD. Fișierele legate de părțile individuale în format imprimabil 3D (.stl) sunt atașate la sfârșit. Unele dintre componentele care sunt necesare pentru asamblarea căștilor AR sunt disponibile comercial, iar detaliile acestor piese sunt disponibile în secțiunea cu specificarea materialelor.
Lista de materiale (BOM)
Ref.
Numele piesei
Cantitate
Tip
Aproximativ. Cost (USD)
A
Cadru principal
1
Imprimabil 3D
8
B
Cablaj de sudura corect
1
Imprimabil 3D
3
C
Ham de sudura stânga
1
Imprimabil 3D
3
D
Șurub de blocare
2
Imprimabil 3D
1
E
Suport reflector
1
Imprimabil 3D
2
F
Reflector
1
Aliexpress
10
G
Șuruburi M3X10
5
Amazon
1
H
Cască de schimb pentru cască de sudură
(Reglabil)
1
Amazon
18
eu
Banda de prindere cu velcro
0,1 m
Amazon
1
Cost total
47 USD
Unelte necesare pentru fabricare și asamblare
Imprimantă 3D cu dimensiunea patului de minim 0,20 m X 0,15 m X 0,20 m (lXbXh).
Șurubelniță (cap plat/cap stea) pentru fixarea elementelor de fixare.
Fișier plat pentru a depila suprafețele extinse și cuțit ascuțit pentru a tăia plasticul de pe marginile pieselor imprimate 3D (Depinde de calitatea imprimării).
Specificații tehnice și instrucțiuni de asamblare
Instrucțiuni de imprimare
Imprimați cadrul principal (Partea A: IntelliVision_AR Headset_Main Frame_Mobile Holder.stl) în poziție verticală (aterizare pe fața laterală) pentru a obține flexibilitatea maximă a clemei suportului mobil care ajută la ținerea mobilă rigidă spre reflector. Lungimea cadrului este de aproximativ 196 mm și, pentru a se adapta la această lungime, imprimanta ar trebui să aibă dimensiunea patului de minim 200 mm care se mișcă pe axa Z. Această piesă necesită un suport mai mare atunci când este imprimată în poziție verticală. Pentru a economisi materialul, ar trebui să mențineți mai mult spațiu între suporturi, iar după imprimare, piesa trebuie pilită și marginile trebuie tăiate oriunde suprafața nu este netedă. Timpul total de imprimare a cadrului principal este de aproximativ 10 ore.
Tipăriți cablajul de sudură la dreapta și la stânga (Partea B: IntelliVision_AR Headset_Frame to Welding Harness Connector_Right.stl și Partea C: IntelliVision_AR Headset_Frame to Welding Harness Connector_Left.stl) într-o poziție verticală, fără nici un sprijin, literele de pe cablajul de sudură îndreptate în sus. Timp de imprimare: 2 ore
Două numere de șuruburi de blocare (Partea D: IntelliVision_AR Headset_Frame și Connector Lock Screw.stl) pot fi imprimate în poziție verticală, începând de la capul șurubului. Timp de imprimare: 20 minute
Suport reflector de imprimare (Partea E: IntelliVision_AR Headset_Reflector Frame.stl) cu fantă pentru fixarea reflectorului cu fața în sus. Timp de imprimare: 90 minute
Tăiați excesul de material și suport din toate părțile pentru a netezi marginile și suprafețele. Timp de curățare: 20 minute.
Timpul total de imprimare și curățare poate varia între 14 și 16 ore, în funcție de diametrul materialului de umplutură.
Urmați pașii ilustrați mai jos pentru a asambla piesele.
Autoevaluarea calității dobândirii abilităților trebuie să includă un mecanism de feedback țintit care să permită utilizatorului: să se asigure că practică abilitățile adecvate; modifică performanța lor pentru a îmbunătăți competența; și determină când au exersat la un nivel suficient de măiestrie pentru a efectua procedura la un pacient.
Sistemul de evaluare pe care l-am conceput punctează studenții în ceea ce privește competența generală în îndeplinirea anumitor sarcini. Aceste sarcini au fost concepute pentru a dezvolta abilitățile psiho-motorii necesare în mod special pentru laparoscopie. Odată ce utilizatorul a finalizat o sarcină, modulul de testare îi dovedește cu un scor general, un scor mai mare reflectă o competență mai mare.
În ultimele luni, am încercat să colectăm cât de multe date am putut la nivelurile de expertiză pentru sarcinile menționate mai sus. Cu toate acestea, deoarece colectarea datelor este costisitoare (luând timp), am reușit să colectăm aproximativ 100 de sarcini finalizate la nivelurile de expertiză. Având în vedere o dimensiune mică a datelor, în prezent am folosit algoritmi bazați pe reguli pentru a face evaluarea și pentru a separa oamenii de la nivelurile de expertiză. (Expert, mediu, stagiar)
Planul nostru este să colectăm mai multe date în lunile următoare. Ne putem permite să ne concentrăm exclusiv pe colectarea datelor, deoarece toate celelalte părți ale instrumentului nostru sunt aproape complet dezvoltate. Odată ce avem mai multe date, intenționăm să folosim modelele/RNN-urile MArkov ascunse pentru a produce scoruri mai fine pentru a evalua nivelurile de competență ale unui candidat în diferite tipuri de abilități (stabilitate, viteză etc.).
Auto-evaluare
Ușurință a mișcării — Accelerație, Oscilație a mâinii, Șoc, Viteza de prindere.
Economia de mișcare — Distanța parcursă, Numărul de cleme, Introducerea instrumentelor
Activitate — procente de inactiv, activ și hiperactiv; reprezentată ca diagramă circulară
Vizibilitatea instrumentelor — Vizibil sau Invizibil
Timpul antrenamentului
Metode
Metodele pe care le vom folosi în cadrul de autoevaluare sunt detaliate după cum urmează:
Comparația semnăturilor de forță între începători, rezidenți și experți. Vom folosi semnăturile forțate de la experți ca măsură de comparație pentru începători și rezidenți.
Mediul de autoevaluareVom implementa tehnologii avansate de inteligență artificială (AI), cum ar fi modele de rețele neuronale recurente profunde, pentru a prezice capcanele probabile în timpul sarcinilor bazate pe forță și mișcare.
Cadrul bazat pe inteligență artificială va fi, de asemenea, utilizat pentru a clasifica seturile de abilități ale participanților la intervenții chirurgicale și pentru a prezice leziunile tisulare într-un stadiu incipient, pe baza istoricului parametrilor de forță și mișcare. Vă rugăm să consultați și Anexa I, unde explicăm în detaliu utilizarea AI în modulele noastre.
Vom oferi feedback vizual sub formă de indicii AR printr-un dispozitiv montat pe cap. Afișare pentru aplicarea excesivă a forței și pentru a combate percepția greșită a forțelor autoaplicate.
Timpul de mișcare și indicele de dificultate pe baza țintei planificate și a Regiunii de interes (RoI) vor fi estimate.
Indicele de impedanță al începătorilor, rezidenților și experților va fi înregistrat și analizat pentru a evalua percepția greșită.Afișare - autoevaluare
Se va evalua economia deplasărilor. De obicei, chirurgii începători tind să fie mai nervoși și, prin urmare, vor face mișcări inutile ale mâinii.
Vor fi evaluate parametrii de evaluare a efectelor mâinii (mâna dominantă și nedominantă) atât asupra sarcinilor fundamentale, cât și asupra sarcinilor complexe bazate pe forța psihomotorie.
Datorită instrumentelor alungite în Laparoscopie, va exista o pierdere de transmisie a forței de la mâner la vârf. Aceasta va fi măsurată și prezentată chirurgului sub formă de indicii.
Va fi detaliată evaluarea punctajului Transfer of Training de la simulator în sala de operație.
Evaluarea focalizării vizuale și a deficitului de atenție referitoare la dacă novice/rezident caută același ROI pe care se concentrează chirurgul expert, va fi inclusă în cadru.
Timpul necesar pentru finalizarea sarcinilor de bază și complexe va fi comparat cu valorile obținute de la chirurgi experți.
În plus, metrici precum diferența vizibilă (JND), coeficientul variației forței, forța de ordinul întâi, al doilea și al treilea, derivatele forței și viteza vor fi utilizate pentru evaluarea nivelului de stăpânire și, de asemenea, pentru a diferenția nivelurile de expertiză ale diferitelor grupuri de participanți la intervenții chirurgicale.
Curba de învățare va fi evaluată la fiecare etapă a sarcinilor complexe și fundamentale și va implica urmărirea mișcării proiectilului chirurgilor și a traseului parcurs pentru a atinge RoI dorit, numărul de rateuri în timpul procesului de înnodare, efortul excesiv de strângere pe suprafața țesutului și daunele cauzate. către țesuturile învecinate.
Mecanism de ghidare haptic și bazat pe forță pentru a redirecționa chirurgul/novice-ul către zona de interes dorită. Forțele de reacție care decurg din mediile virtuale trebuie măsurate și mapate înapoi către utilizator.
Atât chirurgii, cât și rezidenții vor fi evaluați pe seturi de abilități bazate pe forță și psihomotorie/mișcare/mișcare pentru sarcini de simulare bazate pe antrenor de box și sarcini de feedback haptic de forță bazate pe VR/AR.
4. Evaluare
Modulul I: Videoclipuri educaționale LMS
Avem o evaluare pas cu pas a trainerului pe măsură ce parcurge cele 3 module ale noastre.
În modulul 1, avem un set de întrebări cu alegere multiplă de diferite tipuri și aceasta va evalua cunoștințele cursantului. Se așteaptă ca candidatul să răspundă corect la 80% dintre întrebări, în caz contrar, i se recomandă să parcurgă din nou cursurile, videoclipurile și animațiile.
Modulul de evaluare va evalua cunoștințele formatorilor cu privire la
Cunoașterea de bază a chirurgiei laparoscopice.
Echipamente și instrumente și utilizarea lor.
Depanare în timpul defecțiunii echipamentului.
Etapele operației de colecistectomie laparoscopică.
Complicații care pot apărea în timpul intervenției chirurgicale.
Managementul complicațiilor.
Managementul diferitelor situații pe baza variațiilor anatomice și patologice.
Aspecte de siguranță a intervenției chirurgicale.
Lucru in echipa.
10. Utilizarea diferitelor tipuri de instrumente și surse de energie.
Modulul II: Aplicația mobilă Virtual Simulator (iOS și Android)
Evaluarea performanței stagiarului în exercițiile din Modulul II va evalua abilitățile cognitive în special în ceea ce privește:
Alegerea instrumentelor de operare.
Abordarea unei anumite situații, în ceea ce privește tipul de intervenție chirurgicală și tehnică.
Etapele operațiunii și prioritizarea aspectului de siguranță.
Alegerea sursei de energie.
Depanare în situații problematice.
Gestionarea complicațiilor care apar în timpul intervenției chirurgicale.
Modulul III:
A. Box Trainer
Acest simulator cu costuri reduse este un sistem compact format din instrumente chirurgicale laparoscopice inteligente, o platformă imprimată 3D pentru efectuarea unor sarcini simple, o cameră cu unghi larg capabilă să transmită videoclipuri HQ, un mini-computer și un model din silicon pentru efectuarea colecistectomiei laparoscopice. Punctul culminant al acestui sistem este potențialul său de a urmări cele mai mici mișcări și gesturi ale mâinii. Instrumentele sunt calibrate la precesiune și sunt capabile să recunoască mișcările milimetrice.
The endo trainer box used in Module 3 is an indigenously developed simple design made of Acrylic (white color), explicitly chosen for its affordability, its light-reflecting properties and can be easily reproduced in a workshop by referring to the manual on Appropedia. Before finalizing the endo trainer design we have gone through many iterations and taken inputs from experienced surgeons. The size and design of the developed endo trainer box exactly replicate the actual environment during the surgery and gives the feeling of performing actual surgery. The upper plate of the box is kept 30° inclined to the horizontal surface and the gap between the two instruments is approximately 160 mm which again exactly replicates the actual accessible space available during the surgery.
We have finalized the design after two iterations and testing of the trainer box was done at each stage.
In the first iteration, the trainer box is made of a white color acrylic sheet to increase the visibility inside the box. A normal single LED bulb was attached to the holder inside the box to improve the brightness and visibility. We have also used a normal 5 MP camera fixed to the flexible rod which moves in and out to view the movement of the instruments during the surgery. After performing the activities we have concluded that light inside the trainer box is not sufficient to have access to each corner, and also the placement of light is not correct because it takes much space inside the box. After continuous use due to an increase in temperature, the circuit board wires inside the box were getting heated up. Secondly, the camera which was selected was not good enough in terms of resolution and quality of the video to view on a bigger screen. Thirdly, wires connected to the circuit board and instruments were clumsy and the user felt uncomfortable and weighed, which creates difficulty in handling the instruments. To overcome these design flaws we have modified the design in the second iteration.
In the second iteration, a single LED bulb was replaced with LED strip and it was placed around the trainer box on the upper surface to improve the visibility and to reduce space consumption. Due to this modification, we were able to place all the circuit boards inside the box and the user felt the greater accessibility to every part inside the box. The 5 MP camera present in the older version was replaced with a 12 MP camera and connected to the CPU which then wirelessly streams the feed to the AR headset. The wiring is bundled with flexible hosing to prevent obstruction and is screwed into the trainer. It is then carefully mapped to a circuit that connects to a micro-controller. A new PCB was designed and printed (a single board which connects all the instruments to the CPU) to carefully map all the wires that connects the instruments to the micro-controller. This modification later helped to reduce overall weight on the instruments and difficulty in using laparoscopic instruments.
The combination of IMU and TOF sensors for Instrument position estimation is an affordable solution as opposed to expensive cameras and the computational complexity that follows.
In the early stages of development, the IMU sensors used didn’t prove to be reliable, with the introduction of BNO055 a 9DOF system on chip enclosing a 3 axis Accelerometer, 3 axis Gyroscope and a 3 axis Magnetometer, various issues related to sensor fusion and calibration were resolved. Consequently, the position information gave way to extract numerous features for the Self-assessment module.
This milestone in development allowed us to embed an encoder to track the state of the instrument tip and a capacitive force sensor to extract the pressure profile of the user. Furthermore, the information from these sensors proved to be valuable in assessing the performance of the user. Once calibrated during Power-ON the system can function seamlessly and whenever there is little or no movement, the system self-calibrates to provide the accurate information that is necessary for the overall functionality of the system.
The computation for attitude and position estimation is taken care of by the STM32 based controller and provides fresh data every 5 ms. The fused data from all the sensors are used for extracting features in real-time. The instruments are designed to be modular and can be quickly interchanged to adapt to the needs of the exercise.
Synthetic organ used in the present simulator is commercially available and procured from Simu Lab Corporation. Two models that we have used are Replaceable Gallbladder and Laparoscopic Cholecystectomy Model.
b. Training Modules
In the first iteration, acrylic-based single task table was developed in which only two training modules were able to perform. During the training activity, after completing each module, the whole table was replaced with a new table to perform the next module. Users felt every time replacing the whole table is not economical and it was taking more time to prepare the platform for the next module. To place the thermocol beans and rubber, small bowls were placed over the platform and it was affecting on calibration and accuracy of the sensors. To overcome all these difficulties, in the next stage whole platform was modified and tested.
In the second iteration, the universal task table is designed to fit different activity pads in the same table. This modified version reduces the overall cost and time for fabricating a new table for each particular module instead it allows fitting a small pad on which activity can be designed. There is a small slot provided in which activity pad can be placed and locked in all the direction to restrict the table movement. Two small pockets are given on the table which is used to place the instruments for calibration. This indigenously designed and developed table can be easily 3D printed and assembled by following the instruction provided on our page. Files related to the task table in 3D printable format are also attached to the page. The overall dimension of the task table is 0.3 m X 0.247 m X 0.025 m and the activity pad is 0.148 m X 0.148 m within this dimension any type of activity can be designed which may help to improve the surgical skills.
c. ATTINA Headset
The ATTINA headset is a low-cost 3D printable AR headset with the ability to print and assemble right at home using off-the-shelf parts and it doesn’t require any technical skills to assemble it. Most of the headset parts are 3D printable and respective CAD models are designed in CAD software and few components such as a reflective combiner, and a welding gear harness serving as the head strap are commercially available. The smartphone's display reflects off the combiner and into the user's eyes—a wireless remote act as a laser pointer to interact with the UI.
The headset design is finalized after four iterations. In every iteration, we tried to reduce the overall weight of the headset and to control the image distortion. After the market survey on various AI headsets available in the market, we have decided to develop a new design that can be 3D printed easily and assembled for few dollars. In the first iteration compression, the spring type of technique was used for mobile mounting and mobile was kept inclined at an angle of 45°. During the assembly, we have observed distorted images on the reflector and difficulty in placing the smartphone. After careful observation, we have modified the design and introduced a new type of mobile holder with a reduced inclined angle of the mobile to 35°. But the weight of the headset and distortion of the image was still more. To overcome this in the next iteration we have modified the design and removed unwanted material from the headset and kept the reflector close to the mobile. After using the headset for few days we experienced further scope for weight reduction and image resolution. In the fourth iteration, most of the design flaws were carefully taken into account during the design phase. The finalized design is cost-effective, easy to assemble and flexible enough to insert any smartphone available on the market.
5. Innovation
Our low-cost simulator is a highly innovative and compact system comprising smart laparoscopic instruments, a wide-angle camera capable of streaming HQ video wirelessly, a mini-computer, and a silicone model for performing Laparoscopic Cholecystectomy. The highlight of this system is its potential to track the smallest of hand movements through its advanced yet inexpensive sensors. We can capture metrics such as their position in 3D space, their acceleration and velocity, insertion length, force applied on the tissue, and lastly, opening and closing of the clamps. An AI model compares these metrics to datasets captured from experts and assigns a score to the trainee.
Furthermore, we give users the choice to use Augmented Reality as the visualization medium, which allows them to place the virtual content at any comfortable location in their field of view. The user will experience lesser neck strain through this feature than when looking at a conventional display while performing the surgery.
6. Reproducibility and Accessibility
Module I is educational videos gives information on basics to advanced laparoscopic techniques and different instruments. Module II is application based where trainer can easily download our app and practice surgical techniques virtually both the modules are available on internet
Module III: Aim to make the trainer is available on internet. The details which include 3D models, downloadable software, hardware design and video to make and assemble, it is available on the net.
În plus, pot avea traineri gata pregătiți de la furnizori, către care îi putem îndruma. De asemenea, putem avea un apel video și putem îndruma pe oricine să realizeze produsul.
Există videoclipuri cu exerciții bazate pe sarcini care se explică de la sine, iar formatorii pot viziona aceste videoclipuri și pot exersa exerciții bazate pe sarcini care îi vor ajuta în dobândirea de abilități.
Pe baza bugetului lor, am oferit diverse module de evaluare a competențelor:
Înregistrarea sesiunilor de practică și evaluarea abilităților lor pe baza unor metrici, pe care le-am menționat. Acesta este un modul de evaluare (evaluare) a abilităților foarte simplu pentru autoevaluare.
Dacă pot monta senzori pe instrument și au placa PC, vor primi o evaluare a performanței lor printr-un e-mail la sfârșitul exercițiului.
Dacă folosesc setul cu cască „ATTINA”, vor primi o afișare în timp real a scorului de abilități pe căști în timp ce efectuează exercițiile bazate pe sarcini.
În acest simulator, senzorii utilizați pentru evaluare există o standardizare bună a evaluării abilităților lor și punctajul este destul de precis.
Întrucât mediul de practică este similar cu ceea ce se face în timpul intervenției chirurgicale în direct, în ceea ce privește spațiul de operație, tipul de activități și instrumentele utilizate pentru efectuarea procedurii. Punctajul abilităților în endotrainer este obligat să se traducă în efectuarea intervenției chirurgicale în sala de operație.
