Duke-forskere: Virtual reality kan forbedre kardiovaskulære indgreb (+ se video)
Udgivelsesdato:DURHAM – Forestil dig at simulere en patients specifikke vaskulatur for præcist at forudsige, hvordan beslutninger, såsom stentplacering, kan ændre blodgennemstrømningen og påvirke kirurgiske resultater.
Det er, hvad biomedicinske ingeniører ved Duke University er ved at udvikle - et massivt blodstrømssimuleringsværktøj kaldet "HARVEY" - der kan modellere blodgennemstrømningen gennem det fulde menneskelige arterielle system i subcellulær opløsning.
Men en af de største barrierer for klinisk adoption er at udvikle "en glat, intuitiv grænseflade", som folk fra alle typer baggrunde hurtigt kan mestre, er en lang opgave.
I en ny undersøgelse offentliggjort den 7. maj i Journal of Computational Science rapporterer Duke-forskerne om deres indledende forsøg på at skabe en brugergrænseflade.
De undersøgte forskellige grænseflader lige fra standard desktop-skærme til fordybende virtual reality-oplevelser og fandt ud af, at selvom brugere kan være komfortable med at bruge en standardmus og et tastatur, kan nogle mere futuristiske grænseflader være nøglen til udbredt anvendelse.
"HARVEY kræver i øjeblikket viden om C-kodning og kommandolinjegrænseflader, hvilket virkelig begrænser, hvem der kan bruge programmet," sagde Amanda Randles, Alfred Winborne og Victoria Stover Mordecai assisterende professor i biomedicinske videnskaber ved Duke.
"Dette papir introducerer en grafisk brugergrænseflade, vi har udviklet kaldet Harvis, så alle kan bruge Harvey, uanset om de er kirurger, der prøver at finde ud af den bedste placering til en stent, eller biomedicinske forskere, der prøver at designe en ny type stent helt. ”
Randles har udviklet HARVEY-koden i næsten et årti, efter at have påbegyndt arbejdet som doktorand i forskningsgruppen Efthimios Kaxiras, John Hasbrouck Van Vleck-professor i ren og anvendt fysik ved Harvard University.
I den tid har hun demonstreret, at HARVEY nøjagtigt kan modellere blodgennemstrømningen gennem patientspecifikke aorta og andre vaskulære geometrier på længere skalaer. Hun har også vist, at programmet kan modellere 3D-blodstrømme på skalaen af den fulde menneskelige krop.
Ved at sætte HARVEY i gang har Randles hjulpet forskere med at forstå stentbehandling af cerebrale aneurismer og væksten af aneurismer. Hun har skabt en hurtig, ikke-invasiv måde at kontrollere for perifer arteriel sygdom og til bedre at forstå, hvordan cirkulerende cancerceller klæber til forskellige væv.
Med konstante fremskridt med hensyn til kodens beregningsevner og demonstreret anvendelighed i applikationer fra den virkelige verden, arbejder Randles nu på at sikre, at andre kan udnytte dens evner bedst muligt.
"Da kardiovaskulær sygdom fortsat er den største dødsårsag i USA, er evnen til at forbedre behandlingsplanlægning og -resultat fortsat en betydelig udfordring," sagde Randles. "Med modenheden og tilgængeligheden af VR/AR-enheder er vi nødt til at forstå, hvilken rolle disse teknologier kan spille i interaktionen med sådanne data. Denne forskning er et tiltrængt skridt for at udvikle fremtidig software til at bekæmpe hjerte-kar-sygdomme."
I den nye undersøgelse satte Randles og hendes biomedicinske ingeniørkolleger, forskningsmedarbejder Harvey Shi og kandidatstuderende Jeff Ames, den Harvis-grænseflade, de har udviklet, på prøve.
De bad medicinstuderende og biomedicinske forskere om at simulere tre forskellige situationer - at placere en ledning mellem to blodkar, udvide eller formindske størrelsen af et blodkar eller placere en stent i et blodkar.
Testbrugerne forsøgte disse opgaver ved at bruge enten en standardmus og computerskærm, en "Z-space" semi-immersive virtual reality-enhed eller en fuldstændig fordybende virtual reality-oplevelse med en HTC Vive-skærmenhed.
Resultaterne viser, at de studerende og forskerne kunne bruge standardgrænsefladen for mus og tastatur og den fuldt fordybende VR-grænseflade lige så godt i de fleste tilfælde både kvantitativt og kvalitativt. Den semi-immersive skærm, dybest set et specielt pegeværktøj kombineret med en skærm og 3D-briller, placerede sig dog bag de to andre enheder, da brugerne havde nogle problemer med at tilpasse sig den unikke hardwareopsætning og kontrol.
Undersøgelsen præsenterer også en generaliserbar designarkitektur for andre simulerede arbejdsgange, der udstikker en detaljeret beskrivelse af begrundelsen for designet af Harvis, som kan udvides til lignende platforme.
Mens undersøgelsen ikke fandt nogen større forskelle mellem de mest og mindst fordybende grænseflader med hensyn til kvalitet og effektivitet, bemærkede Randles en stor forskel mellem brugernes reaktioner på udstyret.
"Folk nød 3D-grænsefladen mere," sagde Randles. "Og hvis de nød det mere, er der større sandsynlighed for, at de rent faktisk bruger det. Det kunne også være en sjov og spændende måde at få eleverne til at engagere sig i undervisningen om vaskulatursystemet og hæmodynamikken."
Randles siger, at hun planlægger at køre eksperimenter for at se, om hendes 3D-blodstrømsgrænseflade kan hjælpe medicinstuderende med at bevare vigtig viden bedre end de nuværende standarder.
I fremtiden kan værktøjer som dette hjælpe med behandlingsplanlægning såsom placering af stenter ved hjælp af en mere intuitiv virtual reality-grænseflade. Randles forventer også, at disse typer værktøjer vil lette biomedicinsk forskning i det personlige flowrum.
CITATION: "Harvis: Et interaktivt Virtual Reality-værktøj til hæmodynamisk ændring og simulering," Harvey Shi, Jeff Ames, Amanda Randles. Journal of Comp. Sci., 2020. DOI: 10.1016/j.jocs.2020.101091
(c) Duke Pratt School of Engineering
Original artikelkilde: WRAL TechWire