Duke-onderzoekers: Virtual reality kan cardiovasculaire interventies verbeteren (+ bekijk video)
Datum gepubliceerd:DURHAM – Stel je voor dat je het specifieke vaatstelsel van een patiënt simuleert om nauwkeurig te voorspellen hoe beslissingen, zoals het plaatsen van een stent, de bloedstroom kunnen veranderen en de chirurgische uitkomsten kunnen beïnvloeden.
Dat is wat biomedische ingenieurs aan de Duke University aan het ontwikkelen zijn – een enorm hulpmiddel voor de simulatie van de bloedstroom, genaamd “HARVEY” – dat de bloedstroom door het volledige menselijke arteriële systeem kan modelleren, met subcellulaire resolutie.
Een van de grootste obstakels voor klinische adoptie is echter het ontwikkelen van “een soepele, intuïtieve interface” die mensen met allerlei achtergronden snel onder de knie kunnen krijgen, wat een hele opgave is.
In een nieuwe studie gepubliceerd op 7 mei in de Journal of Computational Science rapporteren de Duke-onderzoekers over hun eerste poging om een gebruikersinterface te creëren.
Ze onderzochten verschillende interfaces, variërend van standaard desktopschermen tot meeslepende virtual reality-ervaringen, en ontdekten dat, hoewel gebruikers zich misschien op hun gemak zouden voelen bij het gebruik van een standaardmuis en toetsenbord, sommige meer futuristische interfaces de sleutel zouden kunnen zijn tot wijdverbreide acceptatie.
“HARVEY vereist momenteel kennis van C-codering en opdrachtregelinterfaces, wat echt beperkt wie het programma kan gebruiken”, aldus Amanda Randles, de Alfred Winborne en Victoria Stover Mordecai universitair docent biomedische wetenschappen aan Duke.
“Dit artikel introduceert een grafische gebruikersinterface die we hebben ontwikkeld, Harvis genaamd, zodat iedereen Harvey kan gebruiken, of het nu chirurgen zijn die de beste plaatsing voor een stent proberen te vinden of biomedische onderzoekers die een geheel nieuw type stent proberen te ontwerpen. ”
Randles ontwikkelt de HARVEY-code al bijna tien jaar, nadat hij het werk begon als doctoraalstudent in de onderzoeksgroep van Efthimios Kaxiras, de John Hasbrouck Van Vleck hoogleraar zuivere en toegepaste natuurkunde aan de universiteit van Harvard.
In die tijd heeft ze aangetoond dat HARVEY de bloedstroom door patiëntspecifieke aorta's en andere vasculaire geometrieën op langere schalen nauwkeurig kan modelleren. Ze heeft ook laten zien dat het programma 3D-bloedstromen kan modelleren op de schaal van het volledige menselijke lichaam.
Door HARVEY aan het werk te zetten, heeft Randles onderzoekers geholpen inzicht te krijgen in de stentbehandeling van hersenaneurysma's en de groei van aneurysma's. Ze heeft een snelle, niet-invasieve manier ontwikkeld om perifere arteriële ziekte te controleren en om beter te begrijpen hoe circulerende kankercellen zich aan verschillende weefsels hechten.
Met gestage vooruitgang op het gebied van de rekencapaciteiten van de code en bewezen bruikbaarheid in toepassingen in de echte wereld, werkt Randles er nu aan om ervoor te zorgen dat anderen de mogelijkheden ervan zo goed mogelijk kunnen gebruiken.
“Aangezien hart- en vaatziekten de belangrijkste doodsoorzaak in de VS blijven, blijft het vermogen om de behandelplanning en -resultaten te verbeteren een aanzienlijke uitdaging”, aldus Randles. “Met de volwassenheid en beschikbaarheid van VR/AR-apparaten moeten we begrijpen welke rol deze technologieën kunnen spelen in de interactie met dergelijke gegevens. Dit onderzoek is een broodnodige stap in de ontwikkeling van toekomstige software ter bestrijding van hart- en vaatziekten.”
In het nieuwe onderzoek hebben Randles en haar collega's op het gebied van biomedische technologie, onderzoeksmedewerker Harvey Shi en afgestudeerde student Jeff Ames, de Harvis-interface die ze hebben ontwikkeld op de proef gesteld.
Ze vroegen medische studenten en biomedische onderzoekers om drie verschillende situaties te simuleren: het plaatsen van een leiding tussen twee bloedvaten, het uitzetten of verkleinen van een bloedvat, of het plaatsen van een stent in een bloedvat.
De testgebruikers probeerden deze taken uit met een standaardmuis en computerscherm, een “Z-space” semi-immersive virtual reality-apparaat, of een volledig meeslepende virtual reality-ervaring met een HTC Vive-displayapparaat.
De resultaten laten zien dat de studenten en onderzoekers de standaard muis- en toetsenbordinterface en de volledig meeslepende VR-interface in de meeste gevallen zowel kwantitatief als kwalitatief even goed konden gebruiken. Het semi-immersieve beeldscherm, in feite een speciaal aanwijsinstrument gecombineerd met een monitor en 3D-bril, stond echter achter de andere twee apparaten, omdat de gebruikers wat problemen hadden met het aanpassen aan de unieke hardware-instellingen en bedieningselementen.
De studie presenteert ook een generaliseerbare ontwerparchitectuur voor andere gesimuleerde workflows, waarbij een gedetailleerde beschrijving wordt gegeven van de grondgedachte voor het ontwerp van Harvis, die kan worden uitgebreid naar vergelijkbare platforms.
Hoewel uit het onderzoek geen grote verschillen naar voren kwamen tussen de meest en minst meeslepende interfaces in termen van kwaliteit en efficiëntie, merkte Randles wel een groot verschil op tussen de reacties van de gebruikers op de apparatuur.
“Mensen genoten meer van de 3D-interface”, zegt Randles. “En als ze er meer plezier aan beleven, is de kans groter dat ze het ook daadwerkelijk gaan gebruiken. Het zou ook een leuke en opwindende manier kunnen zijn om studenten te betrekken bij lessen over het vaatstelsel en de hemodynamiek.”
Randles zegt dat ze van plan is experimenten uit te voeren om te zien of haar 3D-bloedstroominterface medische studenten kan helpen belangrijke kennis beter vast te houden dan de huidige normen.
In de toekomst zouden dergelijke hulpmiddelen kunnen helpen bij de behandelplanning, zoals het plaatsen van stents, met behulp van een meer intuïtieve virtual reality-interface. Randles verwacht ook dat dit soort hulpmiddelen biomedisch onderzoek in de gepersonaliseerde stroomruimte zullen vergemakkelijken.
CITATIE: "Harvis: een interactief virtual reality-hulpmiddel voor hemodynamische modificatie en simulatie", Harvey Shi, Jeff Ames, Amanda Randles. Tijdschrift van Comp. Sci., 2020. DOI: 10.1016/j.jocs.2020.101091
(c) Duke Pratt School of Engineering
Originele artikelbron: WRAL TechWire