Duke-forskare: Virtual reality kan förbättra kardiovaskulära interventioner (+ titta på video)
Publiceringsdatum:DURHAM – Föreställ dig att simulera en patients specifika kärlsystem för att exakt förutsäga hur beslut, såsom stentplacering, kan förändra blodflödet och påverka operationsresultat.
Det är vad biomedicinska ingenjörer vid Duke University utvecklar – ett massivt blodflödessimuleringsverktyg som heter "HARVEY" – som kan modellera blodflödet genom hela mänskliga artärsystemet, med subcellulär upplösning.
En av de största hindren för klinisk adoption är dock att utveckla "ett smidigt, intuitivt gränssnitt" som människor från alla typer av bakgrunder snabbt kan bemästra är en lång uppgift.
I en ny studie publicerad den 7 maj i Journal of Computational Science, rapporterar Duke-forskarna om deras första försök att skapa ett användargränssnitt.
De utforskade olika gränssnitt, allt från vanliga skrivbordsskärmar till uppslukande virtuell verklighetsupplevelser och fann att även om användarna kan vara bekväma med att använda en standardmus och ett tangentbord, kan vissa mer futuristiska gränssnitt vara nyckeln till en utbredd användning.
"HARVEY kräver för närvarande kunskap om C-kodning och kommandoradsgränssnitt, vilket verkligen begränsar vem som kan använda programmet," sa Amanda Randles, Alfred Winborne och Victoria Stover Mordecai biträdande professor i biomedicinska vetenskaper vid Duke.
"Det här dokumentet introducerar ett grafiskt användargränssnitt som vi har utvecklat kallat Harvis, så att alla kan använda Harvey, oavsett om de är kirurger som försöker hitta den bästa placeringen för en stent eller biomedicinska forskare som försöker designa en ny typ av stent helt och hållet. ”
Randles har utvecklat HARVEY-koden i nästan ett decennium, efter att ha påbörjat arbetet som doktorand i forskargruppen Efthimios Kaxiras, John Hasbrouck Van Vleck professor i ren och tillämpad fysik vid Harvard University.
Under den tiden har hon visat att HARVEY exakt kan modellera blodflödet genom patientspecifika aortor och andra vaskulära geometrier på längre skalor. Hon har också visat att programmet kan modellera 3D-blodflöden på skalan för hela människokroppen.
Genom att sätta HARVEY i arbete har Randles hjälpt forskare att förstå stentbehandling av cerebrala aneurysmer och tillväxten av aneurysm. Hon har skapat ett snabbt, icke-invasivt sätt att kontrollera om det finns perifer artärsjukdom och för att bättre förstå hur cirkulerande cancerceller fäster vid olika vävnader.
Med stadiga framsteg när det gäller kodens beräkningsförmåga och visad användbarhet i verkliga applikationer, arbetar Randles nu för att se till att andra kan utnyttja dess förmågor på bästa sätt.
"Eftersom hjärt- och kärlsjukdomar fortsätter att vara den främsta dödsorsaken i USA, är förmågan att förbättra behandlingsplanering och resultat fortfarande en betydande utmaning", säger Randles. "Med mognad och tillgänglighet av VR/AR-enheter måste vi förstå vilken roll dessa teknologier kan spela i interaktionen med sådan data. Denna forskning är ett välbehövligt steg för att utveckla framtida mjukvara för att bekämpa hjärt-kärlsjukdomar."
I den nya studien testade Randles och hennes biomedicinska ingenjörskollegor, forskarassistenten Harvey Shi och doktoranden Jeff Ames Harvis-gränssnittet som de har utvecklat.
De bad läkarstudenter och biomedicinska forskare att simulera tre olika situationer - placera en ledning mellan två blodkärl, expandera eller krympa storleken på ett blodkärl eller placera en stent i ett blodkärl.
Testanvändarna försökte dessa uppgifter med antingen en vanlig mus och datorskärm, en "Z-space" semi-omslutande virtuell verklighetsenhet eller en helt uppslukande virtuell verklighetsupplevelse med en HTC Vive-displayenhet.
Resultaten visar att studenter och forskare kunde använda standardgränssnittet för mus och tangentbord och det helt uppslukande VR-gränssnittet lika bra i de flesta fall både kvantitativt och kvalitativt. Den halvuppslukande displayen, i grunden ett speciellt pekverktyg kombinerat med en bildskärm och 3D-glasögon, rankades dock bakom de andra två enheterna, eftersom användarna hade vissa problem med att anpassa sig till den unika hårdvaruinställningen och kontrollerna.
Studien presenterar också en generaliserbar designarkitektur för andra simulerade arbetsflöden, som ger en detaljerad beskrivning av skälen till designen av Harvis, som kan utökas till liknande plattformar.
Även om studien inte hittade några större skillnader mellan de mest och minst uppslukande gränssnitten när det gäller kvalitet och effektivitet, märkte Randles en stor skillnad mellan användarnas reaktioner på utrustningen.
"Folk gillade 3D-gränssnittet mer", säger Randles. "Och om de gillade det mer, är det mer sannolikt att de faktiskt använder det. Det kan också vara ett roligt och spännande sätt att få elever att engagera sig i lektioner om kärlsystemet och hemodynamiken.”
Randles säger att hon planerar att köra experiment för att se om hennes 3D-blodflödesgränssnitt kan hjälpa läkarstudenter att behålla viktig kunskap bättre än nuvarande standarder.
I framtiden kan verktyg som detta hjälpa till med behandlingsplanering som placeringar av stentar med ett mer intuitivt gränssnitt för virtuell verklighet. Randles förväntar sig också att dessa typer av verktyg kommer att underlätta biomedicinsk forskning i det personliga flödesutrymmet.
CITATION: "Harvis: Ett interaktivt verktyg för virtuell verklighet för hemodynamisk modifiering och 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
Ursprunglig artikelkälla: WRAL TechWire