Development of a mixed-reality-based simulation environment for surgical team training

Pfandler, Michael (2019): Development of a mixed-reality-based simulation environment for surgical team training. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Introduction Simulators are becoming increasingly important in medical education, and the adaptation of virtual reality (VR)-based technology into surgical simulation environments offers many advantages. However, the implementation of VR simulators in the field of spinal interventions has been low so far. In addition, the majority of available simulators are aimed at training individual users and their technical skills instead of at teams and their non-technical skills. The goal of our research project and this doctoral thesis was to develop a simulation environment for the training and assessment of spine surgery that can train both individual users and surgical teams in both technical and non-technical skills. Methods A variety of methods were used for this multi-step developmental process. As a first step, a systematic review was performed in order to give an accurate overview and synthesis of the current state of VR simulation in the field of spinal procedures (publication 1). This was followed by observations, interviews, and expert panels to gather information and requirements for the simulation environment of a vertebroplasty procedure (publication 2). As a next step, a simulation study was conducted to test the validity of the simulated procedure (publication 3). For this purpose, think-aloud protocols, user questionnaires, and expert ratings were applied. Results In the systematic review, the current state of VR-based simulation in the area of spinal interventions was shown and the current evidence base was systematically synthesized. In publication 2, the individual steps of a vertebroplasty for the three participating surgical professions were systematically elicited and a novel method for the specification of simulation requirements was introduced. In publication 3, we presented a newly developed classification system that systematically categorized the surgeon’s comments expressed during the operation of the surgical simulator. Conclusions Development projects like the one presented here are necessary to create new medical learning environments. Our work provides developers with tools for similar projects. In addition, we have developed a fully functional simulation environment designed for vertebroplasty training and assessment of surgical teams to train surgeons, anesthetists, and nurses.

Abstract

Einleitung Simulatoren gewinnen immer mehr an Bedeutung in der medizinischen Ausbildung. Besonders die Ergänzung von Virtual Reality (VR) in die Simulationsumgebungen bringt viele Vorteile mit sich. Allerdings ist die Verbreitung von VR Simulatoren im Bereich der Wirbelsäulenchirurgie bisher gering. Außerdem zielt das Gros der verfügbaren Simulatoren auf das Training von Einzelanwendern und deren technische Fähigkeiten, nicht jedoch auf Teams und deren nicht-technische Fähigkeiten. Das Ziel unseres Forschungsvorhabens und dieser Doktorarbeit war es, eine Simulationsumgebung für das Training und Assessment eines Wirbelsäuleneingriffes zu entwickeln, in der sowohl technische als auch nicht-technische Fähigkeiten von Einzelanwendern und chirurgischen Teams trainiert werden können. Methoden Für den Entwicklungsprozess kam eine Vielzahl an Methoden zur Anwendung. Als erster Schritt wurde eine systematische Aufarbeitung der bisherigen Veröffentlichungen zu VR-Simulatoren für Wirbelsäuleneingriffe durchgeführt (Publikation 1). Für Publikation 2 kamen Beobachtungen, Interviews und ein Expertenpanel zum Einsatz, um Informationen und Voraussetzungen für eine Simulationsumgebung zu definieren. Daraufhin wurde in Publikation 3 eine Nutzerstudie auf der Basis von Think-aloud-Protokollen, Nutzerfragebögen und Bewertungen durch Experten durchgeführt, um die Validität der simulierten Prozedur zu testen. Ergebnisse In der systematischen Literaturübersicht (Publikation 1) wurde der aktuelle Stand der Simulation im Bereich Wirbelsäuleneingriffe abgebildet. In der Publikation 2, wurden die einzelnen Schritte einer Vertebroplastie für die drei beteiligten chirurgischen Professionen systematisch erhoben und ein neues Verfahren zur Durchführung von Anforderungsanalysen von medizinischen Simulatoren vorgestellt. Ein weiteres Ergebnis, welches in Publikation 3 präsentiert wird, war die Entwicklung eines neuen Klassifikationssytems, um Kommentare von Chirurgen während der Simulatornutzung zu kategorisieren. Schlussfolgerungen Entwicklungsprojekte, wie dieses hier, sind notwendig, um neue medizinische Lernumgebungen zu erstellen. Unsere Arbeit hat dabei geholfen, Entwicklern Werkzeuge für ähnliche Projekte zur Verfügung zu stellen. Außerdem haben wir eine voll funktionstüchtige Simulationsumgebung entwickelt, die für das Training und Assessment von chirurgischen Teams anhand der Vertebroplastie bestimmt ist und Chirurgen, Anästhesisten und Pflegekräfte gemeinsam schulen wird.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 25. Juli 2019
• 1. Bericht­erstatter:in: Weigl, Matthias