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Título : Validación de un prototipo de simulador para el aprendizaje de habilidades y destrezas laparoscópicas, basado en realidad virtual e inmersión
Autor : PEREZ ESCAMIROSA, FERNANDO
Fecha de publicación : 2020
Resumen : La cirugía laparoscópica es una técnica quirúrgica que se ha convertido en un procedimiento rutinario en una variedad de especialidades en las últimas décadas. Los principales beneficios que ofrece esta técnica de mínima invasión son: menor daño a los órganos y tejidos, y dolor post-operatorio, periodos cortos de recuperación y hospitalización, y mejores resultados estéticos para el paciente. Sin embargo, a diferencia de la cirugía abierta convencional, la cirugía laparoscópica requiere del aprendizaje de un nuevo conjunto de habilidades psicomotrices así como un alto grado de destreza en ambas manos por parte del cirujano. Las habilidades y destrezas técnicas incluyen: la adaptación del cirujano a la falta de percepción de la profundidad y al cambio del campo de operación convencional a una imagen bidimensional (2D) en un monitor, la coordinación mano-ojo, la manipulación de los instrumentos quirúrgicos largos mientras se adapta a la amplificación del tremor de sus manos, disminución de la sensación táctil, y menos grados de libertad para maniobrar durante el procedimiento laparoscópico. Tradicionalmente, los cirujanos, residentes y estudiantes de medicina aprenden las habilidades laparoscópicas dentro del quirófano, basados en el modelo clásico de aprendizaje mediante la observación y la práctica directa en los pacientes, bajo la supervisión de un cirujano experto. Sin embargo, no es eficiente, la curva de aprendizaje llega a ser muy lenta, además de comprometer la salud y seguridad del paciente. Por lo tanto, el aprendizaje y entrenamiento de las habilidades y destrezas técnicas laparoscópicas bajo un ambiente de simulación, fuera de la sala de operaciones, es el método más seguro y eficiente de aprendizaje para los residentes y cirujanos. El proyecto de investigación se enfocará en la validación de un prototipo de simulador laparoscópico, basado en gráficos de realidad virtual con inmersion que permita el aprendizaje de habilidades de la cirugía laparoscópica.
URI : https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7876
metadata.dc.contributor.responsible: PEREZ ESCAMIROSA, FERNANDO
metadata.dcterms.callforproject: 2020
metadata.dc.coverage.temporal: 2020-2022
metadata.dcterms.educationLevel: nivel superior
metadata.dcterms.educationLevel.SEP: Licenciatura
metadata.dc.description.objective: Objetivo general: El objetivo de este proyecto es la validación de apariencia, de constructo y de utilidad de un prototipo de simulador laparoscópico, basado en gráficos de realidad virtual con inmersion, que permita el aprendizaje, el entrenamiento y la evaluación objetiva de las habilidades psicomotrices y destrezas quirúrgicas adquiridas de los estudiantes de medicina, residentes y cirujanos, bajo un ambiente libre de estrés y seguro para la práctica constante de la técnica laparoscópica fuera de la sala de operaciones. Objetivos específicos: 1. Diseño y construcción física del simulador laparoscópico para su uso dentro de un ambiente de gráficos por computadora en realidad virtual. 2. Instrumentación electrónica del simulador laparoscópico mediante sensores que permitan la comunicación entre tarjetas de desarrollo y la computadora PC. 3. Programación de ejercicios básicos y avanzados en la realidad virtual para el aprendizaje de estudiantes de medicina y residentes de cirugía. 4. Diseño de la plataforma con una precisión y resolución adecuada para la captura y medición confiable de las maniobras de los instrumentos durante los ejercicios de habilidad y destreza laparoscópica. 5. Diseño y programación de una sala de operaciones con los gráficos en realidad virtual para la inmersión de los usuarios utilizando sistemas de realidad virtual VR Oculus Rift y VR HTC Vive. 6. Interacción del software o aplicación del simulador laparoscópico con los sistemas de realidad virtual VR Oculus Rift y VR HTC Vive. 7. Diseño y programación de estructuras anatómicas (órganos y tejidos) dentro de la aplicación de realidad virtual para el aprendizaje y entrenamiento de procedimientos quirúrgicos específicos. 8. Implementación de un sistema de entrenamiento laparoscópico de bajo costo, fácil de reproducir y listo para usarse en cualquier PC (con conectividad Plug-and-Play). 9. Realizar la validación del simulador para determinar la efectividad, ergonomía y utilidad del dispositivo educativo. 10. Desarrollar un protocolo de investigación para evaluar objetivamente las habilidades y destrezas quirúrgicas adquiridas de los estudiantes de medicina, residentes y cirujanos de la Facultad de Medicina utilizando el simulador laparoscópico basado en realidad virtual.
metadata.dc.description.strategies: La primera etapa de este proyecto consiste en el desarrollo del prototipo de simulador laparoscópico con instrumentos quirúrgicos simulados. El diseño del prototipo se realizará en programas especializados de diseño asistido por computadora (CAD, por sus siglas en inglés). Se desarrollará y fabricará un manipulador con articulaciones mecánicas que van a permitir la libertad de movimiento así como la captura y registro de las maniobras laparoscópicas realizadas por los usuarios con el dispositivo. Este manipulador se construirá utilizando herramientas de manufactura aditiva e impresión 3D. Posteriormente, se realizará el montaje de todos los elementos que incluirá el simulador como la base o manipulador física y los instrumentos laparoscópicos simulados. Para la captura y registro del movimiento de los instrumentos, se instalaran sensores electrónicos, codificadores ópticos, los cuales van a permitir la interacción del simulador laparoscópico con el entorno gráfico de realidad virtual. Se fabricarán todos los circuitos electrónicos necesarios para la comunicación de la plataforma física del simulador con la computadora. Con el fin de realizar la comunicación entre el manipulador del simulador, los instrumentos laparoscópicos y la computadora, se utilizará una tarjeta de desarrollo Arduino DUE, debido a su alta compatibilidad con los motores gráficos virtuales, acoplamiento de los sensores y su facilidad en la programación. Posteriormente, realizaremos la programación de las tareas y ejercicios para la adquisición de habilidades y destrezas básicas y avanzadas de los cirujanos. Estas tareas se programarán utilizando los motores gráficos de realidad virtual (VR) para videojuegos como UNITY, UNREAL ENGINE, y NVIDIA VR, basados en el protocolo internacional MISTELS de entrenamiento laparoscópico y el simulador Fundamental Laparoscopic Surgery (FLS), validados en muchos estudios científicos internacionales. De igual manera, se programará una sala de operaciones para que los usuarios puedan realizar inmersiones utilizando sistemas de realidad virtual como Oculus Rift y el sistema HTC Vive, los cuales consisten en unas gafas y 2 joysticks para interacción con las aplicaciones en realidad virtual. El estudio de validación de este simulador laparoscópico por gráficos en realidad virtual tendrá un diseño cuasi-experimental que utilizará un grupo control sin una medición previa (medición final Post-test) con grupos no equivalentes. Este estudio consistirá en la comparación de un grupo control contra otros dos grupos de estudio, ninguno equivalente en su experiencia laparoscópica. En nuestro estudio, el grupo control lo conformarán cirujanos con experiencia laparoscópica. Los otros dos grupos, que se compararan con el grupo control, consistirán en residentes de la especialidad en cirugía con práctica en algunos procedimientos laparoscópicos y estudiantes de medicina de la Facultad de Medicina de la UNAM sin experiencia laparoscópica ni en simuladores. Actualmente, no existe una metodología o estándar de oro para determinar el nivel de experiencia laparoscópica quirúrgica de los participantes, los cuales serán asignados en categorías según su grado académico y número de procedimientos laparoscópicos como Novatos: Estudiantes de medicina sin experiencia previa en procedimientos laparoscópicos realizados en pacientes o sin experiencia en simuladores laparoscópicos. Intermedios: Residentes de cirugía general que han realizado de 1 a 50 procedimientos laparoscópicos en pacientes durante su especialidad. Expertos: Residentes y cirujanos que han realizado más de 100 procedimientos laparoscópicos en pacientes. El tamaño de la muestra para el estudio de validación del simulador se calculó resultando un total de 30 participantes. Con los participantes se realizará: 1) la validación de apariencia que determina el realismo del simulador, el grado en que se asemeja a situaciones quirúrgicas reales y se considera útil para la evaluación global del dispositivo, y 2) la validación de contenido que estudia las capacidades para el aprendizaje de la cirugía laparoscópica y si estos contenidos cubren correctamente las habilidades que el sistema intenta medir. Se completará con un cuestionario sobre los aspectos generales del simulador utilizando la escala Likert de 1 a 5 puntos. La validación de constructo indicará si la herramienta de evaluación de habilidades psicomotrices es capaz de discriminar a los usuarios de diferentes niveles de experiencia laparoscópica, siendo un paso necesario en la validez del simulador. Los participantes realizarán las tareas virtuales básicas como la transferencia de objetos, ubicación espacial, coordinación mano-ojo, colocación de objetos y avanzadas como el corte del patrón circular y la sutura intracorpórea, utilizando el simulador laparoscópico de VR construido para este proyecto. Estas tareas permitirán la adquisición de los conocimientos de las habilidades requeridas en la cirugía laparoscópica básica.
metadata.dc.description.goals: Primer año: Durante el periodo de un año del proyecto se realizará lo siguiente: 1. El desarrollo del prototipo de simulador laparoscópico que consistirá en la fabricación de la base o manipulador físico con las articulaciones mecánicas para permitir las maniobras de los instrumentos laparoscópicos de acuerdo a la configuración en diamante de la cirugía laparoscópica convencional, además de la fabricación de los instrumentos laparoscópicos simulados para su uso con la base física, ambos con tecnología de manufactura aditiva e impresión 3D. 2. Montaje de todos estos elementos, base o manipulador físico con los instrumentos laparoscópicos simulados, así como el desarrollo de tecnología para la captura y registro del movimiento de los instrumentos con la instalación de los sensores electrónicos al dispositivo, y la construcción de los circuitos electrónicos y placas de circuito impreso para la conexión del simulador laparoscópico con la computadora y la aplicación en realidad virtual. 3. Programación en los motores gráficos de realidad virtual (VR) para videojuegos UNITY, UNREAL ENGINE, y NVIDIA VR todas las tareas y ejercicios como la transferencia de objetos, la ubicación espacial, la coordinación mano-ojo, la colocación de objetos, el corte del patrón circular y la sutura intracorpórea. 4. Programación en los motores gráficos de realidad virtual (VR) para videojuegos UNITY, UNREAL ENGINE, y NVIDIA VR una sala de operaciones o “ENDOSUITE” con todos los elementos que componen al mismo, con animaciones para realizar las inmersiones de los usuarios utilizando los sistemas de realidad virtual como Oculus Rift y el sistema HTC Vive. 5. Programación de métricas y parámetros de análisis del movimiento y desempeño de los usuarios embebidas en la aplicación de realidad virtual para la evaluación objetiva de las maniobras laparoscópicas de los participantes, basado en estudios de validación consultados en la literatura. 6. El estudio de validación del simulador laparoscópico basado en gráficos de realidad virtual e inmersión, el cual comenzará con el enrolamiento voluntario de los participantes en nuestro estudio mediante cartas de consentimiento informado y explicación con demostración básica del uso del simulador y el desarrollo de las tareas y ejercicios virtuales propuestos, con el apoyo de los estudiantes de medicina del Departamento de Cirugía, residentes de cirugía en sus cursos de formación de educación médica continua, y cirujanos/profesores de la División de Posgrado de la Facultad de Medicina de la UNAM. 7. El análisis estadístico del desempeño y eficiencia de todos los participantes utilizando las métricas y parámetros de análisis del movimiento durante la realización de las tareas en la aplicación de realidad virtual. 8. Redacción de los resultados obtenidos con el simulador laparoscópico basado en gráficos de realidad virtual e inmersión y envío del manuscrito para su divulgación/publicación en una revista científica de la especialidad con impacto. Segundo año: "Durante el periodo del segundo año del proyecto se realizará lo siguiente: 1. Modificaciones al prototipo de simulador laparoscópico que consistirá en la implementación de sensación táctil o háptica en los instrumentos laparoscópicos simulados a través de motores de DC, servomotores y motores a pasos, con el fin de mejorar la experiencia del usuario sintiendo la resistencia de los objetos dentro del entorno de realidad virtual de la aplicación en computadora. 2. Programación en el entorno de realidad virtual de órganos y tejidos con texturas y diseños similares reales que puedan interactuar con el sistema electrónico de sensación táctil o háptico. 3. Programación de módulos para el aprendizaje y entrenamiento estructurado de un procedimiento laparoscópico como la colecistectomía dentro del software del simulador, con tareas cortas comenzando con la disección de los tejidos, el engrapado de las venas y arterias, y finalizando con la extirpación del órgano. 4. Estudio de validación para investigar las ventajas y desventajas del sistema electrónico de sensación táctil o háptico adaptado a este simulador laparoscópico con gráficos de realidad virtual e inmersión con los nuevos participantes enrolados al nuevo estudio de investigación. 5. El análisis estadístico de los datos sobre las ventajas y desventajas del sistema electrónico de sensación táctil o háptico implementado en el simulador laparoscópico con los nuevos participantes. 6. Comparación del desempeño de los usuarios (estudiantes de medicina, residentes y cirujanos) utilizando el simulado laparoscópico de realidad virtual e inmersivo propuesto y un simulador laparoscópico comercial del Centro de Enseñanza por Simulación de Posgrado, CESIP de la División de Posgrados de la Facultad de Medicina. 7. El análisis de la comparación del desempeño y eficiencia de los participantes utilizando ambos simuladores, simulador propuesto de VR y el simulador comercial del CESIP, para la realización de los reportes correspondientes. 8. Redacción de los resultados obtenidos con las mejoras del simulador laparoscópico basado en gráficos de realidad virtual e inmersión y envío del manuscrito para su divulgación/publicación en una revista científica con factor de impacto. "
metadata.dc.description.selfAssessment: El simulador laparoscópico de realidad virtual e inmersivo fue presentado y validado con éxito. Los participantes de este trabajo consideraron a este simulador virtual inmersivo una herramienta útil para entrenar habilidades laparoscópicas básicas como la coordinación ojo-mano y la percepción de profundidad, así como cognitivas mediante el desarrollo de un procedimiento laparoscópico de apendicectomía simulado. Asimismo, este desarrollo tecnológico, permite mantener la experiencia quirúrgica que se obtiene dentro de los quirófanos para el entrenamiento de habilidades psicomotrices y cognitivas mediante la simulación virtual. En general, la validación del simulador de realidad virtual e inmersivo ofrece una solución a las necesidades educativas de los estudiantes de medicina de las diferentes Facultades y Escuelas de Medicina, residentes quirúrgicos y cirujanos formados de los hospitales y centros de salud de nuestro país. Además, el simulador laparoscópicos de realidad virtual inmersiva tiene gran potencial de convertirse en una herramienta útil para el desarrollo de nuevas estrategias de enseñanza quirúrgica en los programas de educación quirúrgica existentes, bajo ambientes que respeten las medidas de distanciamiento social con tutorías a distancia, durante la pandemia actual de COVID-19.
metadata.dc.description.goalsAchieved: Terminamos con el estudio de validación del simulador laparoscopico VR inmersivo, con la participación de 45 estudiantes de medicina de la Facultad de Medicina de la UNAM en las instalaciones de la Unidad de Simulación de Posgrado. La validación de apariencia y contenido se utilizaron 2 encuestas subjetivas con 10 pregunta cada una, relacionadas con aspectos generales del simulador y de contenido o utilidad que brinda el dispositivo sobre el realismo y funcionales, cuyos resultados demostraron su aplicabilidad para la enseñanza de cirugía laparoscópica en estudiantes de medicina. Los resultados muestran sus cualidades como libertad de movimiento y apariencia de los instrumentos que fueron las mejores puntuaciones en la validación de apariencia. En la evaluación de la carga de trabajo, los participantes se mostraron medianamente estresados durante su experiencia con el simulador que sugiere que esta herramienta cumple con la fidelidad necesaria para imitar escenarios estresantes. Desarrollamos la primera versión del simulador laparoscópico, el cual esta basado principalmente en el sistema de realidad virtual inmersiva Oculus Rift, con una base o plataforma que permite mantener la configuración laparoscópica en diamante y realizar las maniobras de los instrumentos laparoscópicos de los estudiantes de medicina. Se programó la aplicación utilizando el motor de gráficos para videojuegos UNREAL ENGINE de un quirófano virtual 3D con un asistente quirúrgico, una torre de laparoscopía, un equipo de anestesia, 3 tipos de instrumentos laparoscópicos, y distracciones reales con animaciones para mejorar las inmersiones de los usuarios con el simulador. Asimismo, se programaron tareas y ejercicios básicos y avanzados para el aprendizaje y el entrenamiento de la cirugía laparoscópica de estudiantes de medicina de la Facultad de Medicina de la UNAM. Se publicaron 2 artículos científicos en revistas prestigiosas de la especialidad como Journal of Medical Systems y Surgical Innovation con factor impacto de respectivamente, así como 2 artículos adicionales enviados que se encuentran bajo revisión por las revistas Surgical Endoscopy y Journal of Surgical Research, con factor de impacto de 4.584 y 2.192, respectivamente. Se tienen concluidas 2 tesis de licenciatura en Ingeniería en Computación y en Mecatrónica, los cuales fueron productos obtenidos durante el desarrollo de este proyecto PAPIME y se encuentran por concluir los trámites administrativos en el Departamento de Servicios Escolares de cada entidad para obtener una fecha de examen. Se presentó un Poster sobre la validación preliminar del simulador, el cual obtuvo una Mención Honorifica como el mejor Trabajo de Investigación en Salud realizado por el médico pasantes en servicio social. También, se presentó este simulador en el Congreso Académico sobre la utilización de la Realidad Virtual, Aumentada y Mixta, (RVAM) en el proceso de formación médica, de la Academia Nacional de Educación Médica A.C.
metadata.dcterms.provenance: Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología (ICAT)
metadata.dc.subject.DGAPA: Medicina
metadata.dc.type: Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones: 2. Área de las Ciencias Biológicas, Químicas y de la Salud

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