Simuladores de Cirugías Colaborativo
Realidad virtual apoyando el entrenamiento remoto y en equipo de procedimientos quirúrgicos.
Actualmente, esta cambiando la forma en que se entrenan los cirujanos en falcutades de medicina y hospitales, debido principalmente a dos razones: (i) Un cambio hacia un nuevo paradigma de entrenamiento, el cual destaca el rol del mentor durante el proceso de entrenamiento y subraya la importancia de no solo entrenar la habilidades básicas quirúrgicas sino tambien las habilidades de trabajo en equipo que requeridadas dentro de un quirófano, y (ii) el pequeño número de cirujanos expertos ubicados en zonas apartadas de las grandes ciudades. En los últimos años un especial interés en el uso de herramientas basadas en realidad virtual que permiten el entrenamiento remoto y en equipo de cirujanos se ha hecho visible. Los simuladores de cirugías colaborativos (SSC) son considerados una de estas herramientas.
Sin embargo, para lograr un entrenamiento exitoso, este tipo de simuladores debe solucionar varios desafios relacionados con los simuladores quirúrgicos y los ambientes virtuales colaborativos (AVC), tales como: detección de colisiones en tiempo real, simulación de objetos deformables, retroalimentación háptica, manejo de recursos de computo heterogéneos, condiciones de red variables, entre otros. Algunos de estos desafíos han sido tratados en recientes trabajos de investigación, sin embargo, hasta donde conocemos ninguno ha profundizado en el estudio de estrategias para manejar la heterogeneidad en este tipo de simuladores. La heterogeneidad en AVC es definida como las diferencias que existen entre la capacidades de computo, condiciones de red, preferencias y rol de los usuarios que realizan el procedimiento quirúrgico colaborativo. El manejo de la heterogeneidad en SSC es importante porque no todos los usuarios localizados remotamente el uno del otro, tienen conexiones de internet homogéneas, los mismos dipositivos de interacción y visualización, las mismas capacidades computacionales, las mismas preferencias y roles durante la tarea colaborativa, entre otros factores. Ademas, si la heterogeneidad no es tratada adecuadamente puede generar un impacto adverso en el desempeño de cada uno de los usuario durante la sesión colaborativa.
En este proyecto se propone el desarrollo de un modelo auto-consiente con el propósito de manejar la heterogeneidad en SSC. Como parte del modelo auto-consiente se plantea el modelado matemático del problema, donde las variables de entrada son los factores de heterogeneidad relevantes (por ejemplo, latencia, ancho de banda, perdida de paquetes, jitter, poder computacional del computador de cada uno de los usuarios, entre otros), es decir aquellos factores que tengan algun impacto adverso considerable sobre la colaboración; por otra parte las variables de salida consideradas son los parámetros de la simulación que tiene un impacto directo sobre el desempeño de la aplicación colaborativa, como por ejemplo los algoritmos usados para la detección de colisiones, calculo de la deformación y visualización y retroalimentación de la fuerza en cada computador de cada usuario, y la resolución de las mallas utilizadas en cada uno de estos algoritmos. De esta manera, el modelo tomará las variables de entrada ya mencionadas, y a partir de ellas inferirá decisiones sobre cual es el valor de los parametros de salida que maximizen el desempeñoo colaborativo del sistema, es decir disminuya el número de errores y el tiempo que le toma al equipo de usuarios realizar la tarea colaborativa. En este caso, la tarea colaborativa es un procedimiento quirúrgico llamado colecistectomía.
Imágenes
Videos
Video de una simulación de un procedimiento llamado colecistectomía. En cada pantalla se ve el punto de vista que tiene cada uno de los usuarios que se contectan remotamente. La interacción del usuario con el escenario de simulación es realizada por medio de un dispositivo Phantom Omni.
Video demostrativo de una simulación con parámetros y calidades modificadas a partir de la condiciones de heterogeneidad de máquina y red. En la pantalla izquierda se ve una simulación ajustada a una máquina con rendimiento bajo y a la derecha una simulación ajustada a una máquina con rendimiento alto, en general la conectividad entre las dos máquinas no es buena. Las modificaciones son realizadas en las estructuras de datos de visualización, deformación y colisión de la simulación.
A continuación se puede observar una adaptación en tiempo real en los parámetros de simulación realizada por el simulador.
El siguiente video muestra de que manera las condiciones heterogenéas de red pueden afectar una sesión de entrenamiento realizada de manera colaborativa entre dos usuarios. En el video cada pantalla esta conectada a una máquina independiente y entre las dos máquinas hay un emulador de red que impone condiciones de red, ancho de banda, perdidad de paquetes y jitter que no son apropiadas para una ambiente virtual quirúrgico colaborativo.
En este video se puede observar como el simulador quirúrgico desarrollado modifica varios parámetros de la simulación en tiempo real para adaptarse a las condiciones de heterogeneidad del contexto de la simulación. En el video se muestran cambios en la resolución de las estructuras de datos de la deformación, colisión y visualización, también en los algoritmos de visualización.
Para manejar las limitaciones en el ancho de banda de la red, el simulador quirúrgico es capaz de manejar diferentes resoluciones de deformación para cada uno de los usuarios. De esta manera se disminuye la cantidad de datos transmitidos entre las dos máquinas y por ende el ancho de banda requerido, conservando que ambos usuarios vean una deformación similar en las estructuras anatómicas.
La arquitectura desarrollada para el simulador realiza el calculo de la deformación localmente en una máquina y la transmite a la otra. En el siguiente video se puede observar como el simulador de cirugías colaborativo simula el toque con el instrumento de las estructuras deformables, realizado por un usuario local al cálculo de la deformación y por un usuario remoto.