Entwicklung und Evaluation eines Simulators für die endoskopische Nasennebenhöhlenoperation

Zusammenfassung

Hintergrund Endoskopische Operationsverfahren haben sich als Goldstandard in der Nasennebenhöhlen-(NNH-)Chirurgie etabliert. Den sich daraus ergebenden Herausforderungen für die chirurgische Ausbildung kann durch den Einsatz von Virtuelle-Realität-(VR-)Trainingssimulatoren begegnet werden. Bislang wurde eine Reihe von Simulatoren für NNH-Operationen entwickelt. Frühere Studien im Hinblick auf den Trainingseffekt wurden jedoch nur mit medizinisch vorgebildeten Probanden durchgeführt oder es wurde nicht über dessen zeitlichen Verlauf berichtet.

Methoden Ein NNH-CT-Datensatz wurde nach der Segmentierung in ein 3-dimensionales, polygonales Oberflächenmodell überführt und mithilfe von originalem Fotomaterial texturiert. Die Interaktion mit der virtuellen Umgebung erfolgte über ein haptisches Eingabegerät. Während der Simulation wurden die Parameter Eingriffsdauer und Fehleranzahl erfasst. Zehn Probanden absolvierten jeweils eine Trainingseinheit bestehend aus je 5 Übungsdurchläufen an 10 aufeinanderfolgenden Tagen.

Ergebnisse Vier Probanden verringerten die benötigte Zeit um mehr als 60% im Verlauf des Übungszeitraums. Vier der Probanden verringerten ihre Fehleranzahl um mehr als 60%. Acht von 10 Probanden zeigten eine Verbesserung bezüglich beider Parameter. Im Median wurde im gesamten gemessenen Zeitraum die Dauer des Eingriffs um 46 Sekunden und die Fehleranzahl um 191 reduziert. Die Überprüfung eines Zusammenhangs zwischen den 2 Parametern ergab eine positive Korrelation.

Schlussfolgerung Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das Training am NNH-Simulator auch bei unerfahrenen Personen die Performance beträchtlich verbessert, sowohl in Bezug auf die Dauer als auch auf die Genauigkeit des Eingriffs.

Abstract

Background Endoscopic surgical procedures have been established as gold standard in sinus surgery. Challenges for surgical training have been addressed by the use of virtual reality (VR) simulators. To date, a number of simulators have been developed. However, previous studies regarding their training effects investigated only medically pretrained subjects or the time course of training outcomes has not been reported.

Methods A computer tomography (CT) dataset was segmented manually. A three-dimensional polygonal surface model was generated and textured using original photographic material. Interaction with the virtual environment was performed using a haptic input device. For the investigation of training outcomes with the simulator, the parameters duration and the number of errors were recorded. Ten subjects completed a training consisting of five runs on ten consecutive days.

Results Within the whole exercise period, four subjects reduced the duration of intervention by more than 60%. Four subjects reduced the number of errors by more than 60%. Eight out of 10 subjects showed an improvement with respect to both parameters. On median, the duration of the procedure was reduced by 46 seconds and the number of errors by 191. The statistical analysis between the two parameters showed a positive correlation.

Conclusion Our data suggests that training on the FESS-simulator considerably improves the performance even in inexperienced subjects, both in terms of duration and accuracy of the procedure.

Schlüsselwörter

Virtuelle Realität - Simulator - funktionelle endoskopische Nasennebenhöhlenoperation - chirurgische Ausbildung - haptische Rückkopplung

Keywords

virtual reality - simulator - functional endoscopic sinus surgery - medical training - haptic feedback

Publikationsverlauf

Eingereicht: 29. Oktober 2021

Angenommen nach Revision: 29. April 2022

Artikel online veröffentlicht:
20. Juni 2022

• Literatur

• 1 Weber R. Aktueller Stand der endonasalen Nasennebenhöhlenchirurgie. Laryngo-Rhino-Otol 2015; 94: S64-S142 DOI: 10.1055/s-0035-1545353.
• 2 Javia L, Deutsch ES. A Systematic Review of Simulators in Otolaryngology. Otolaryngol Neck Surg 2012; 147: 999-1011 DOI: 10.1177/0194599812462007. (PMID: 23014997)
• 3 Kim DH, Kim Y, Park JS. et al. Virtual Reality Simulators for Endoscopic Sinus and Skull Base Surgery: The Present and Future. Clin Exp Otorhinolaryngol 2019; 12: 12-17 DOI: 10.21053/ceo.2018.00906. (PMID: 30326700)
• 4 Kim DH, Kim HM, Park JS. et al. Virtual Reality Haptic Simulator for Endoscopic Sinus and Skull Base Surgeries. J Craniofac Surg 2020; 31: 1811-1814 DOI: 10.1097/SCS.0000000000006395. (PMID: 32310866)
• 5 Barber SR, Jain S, Son YJ. et al. Virtual Functional Endoscopic Sinus Surgery Simulation with 3D-Printed Models for Mixed-Reality Nasal Endoscopy. Otolaryngol – Head Neck Surg Off J Am Acad Otolaryngol-Head Neck Surg 2018; 159: 933-937 DOI: 10.1177/0194599818797586.
• 6 Won TB, Hwang P, Lim JH. et al. Early experience with a patient-specific virtual surgical simulation for rehearsal of endoscopic skull-base surgery. Int Forum Allergy Rhinol 2018; 08: 54-63 DOI: 10.1002/alr.22037. (PMID: 29105367)
• 7 Bidgood WD, Horii SC. Introduction to the ACR-NEMA DICOM standard. RadioGraphics 1992; 12: 345-355 DOI: 10.1148/radiographics.12.2.1561424. (PMID: 1561424)
• 8 Fried MP, Sadoughi B, Gibber MJ. et al. From virtual reality to the operating room: the endoscopic sinus surgery simulator experiment. Otolaryngol – Head Neck Surg Off J Am Acad Otolaryngol-Head Neck Surg 2010; 142: 202-207 DOI: 10.1016/j.otohns.2009.11.023.
• 9 Fried MP, Sadoughi B, Weghorst SJ. et al. Construct validity of the endoscopic sinus surgery simulator: II. Assessment of discriminant validity and expert benchmarking. Arch Otolaryngol Head Neck Surg 2007; 133: 350-357 DOI: 10.1001/archotol.133.4.350. (PMID: 17438249)
• 10 Rudman DT, Stredney D, Sessanna D. et al. Functional endoscopic sinus surgery training simulator. The Laryngoscope 1998; 108: 1643-1647 DOI: 10.1097/00005537-199811000-00010. (PMID: 9818819)
• 11 Weghorst S, Airola C, Oppenheimer P. et al. Validation of the Madigan ESS simulator. Stud Health Technol Inform 1998; 50: 399-405 (PMID: 10180583)
• 12 Edmond CV. Impact of the endoscopic sinus surgical simulator on operating room performance. The Laryngoscope 2002; 112: 1148-1158 DOI: 10.1097/00005537-200207000-00002. (PMID: 12169890)
• 13 Glaser AY, Hall CB, Uribe SJI. et al. The effects of previously acquired skills on sinus surgery simulator performance. Otolaryngol – Head Neck Surg Off J Am Acad Otolaryngol-Head Neck Surg 2005; 133: 525-530 DOI: 10.1016/j.otohns.2005.06.022. (PMID: 16213923)
• 14 Uribe JI, Ralph WM, Glaser AY. et al. Learning curves, acquisition, and retention of skills trained with the endoscopic sinus surgery simulator. Am J Rhinol 2004; 18: 87-92 (PMID: 15152873)
• 15 Arora H, Uribe J, Ralph W. et al. Assessment of construct validity of the endoscopic sinus surgery simulator. Arch Otolaryngol Head Neck Surg 2005; 131: 217-221 DOI: 10.1001/archotol.131.3.217. (PMID: 15781761)
• 16 Solyar A, Cuellar H, Sadoughi B. et al. Endoscopic Sinus Surgery Simulator as a teaching tool for anatomy education. Am J Surg 2008; 196: 120-124 DOI: 10.1016/j.amjsurg.2007.06.026. (PMID: 18374890)
• 17 Varshney R, Frenkiel S, Nguyen LHP. et al. The McGill simulator for endoscopic sinus surgery (MSESS): a validation study. J Otolaryngol – Head Neck Surg J Oto-Rhino-Laryngol Chir Cervico-Faciale 2014; 43: 40 DOI: 10.1186/s40463-014-0040-8. (PMID: 25927463)
• 18 Caversaccio M, Eichenberger A, Häusler R. Virtual simulator as a training tool for endonasal surgery. Am J Rhinol 2003; 17: 283-290 (PMID: 14599132)
• 19 Dharmawardana N, Ruthenbeck G, Woods C. et al. Validation of virtual-reality-based simulations for endoscopic sinus surgery. Clin Otolaryngol Off J ENT-UK Off J Neth Soc Oto-Rhino-Laryngol Cervico-Facial Surg 2015; 40: 569-579 DOI: 10.1111/coa.12414. (PMID: 25809675)
• 20 Diment LE, Ruthenbeck GS, Dharmawardana N. et al. Comparing surgical experience with performance on a sinus surgery simulator. ANZ J Surg 2016; 86: 990-995 DOI: 10.1111/ans.13418. (PMID: 26687286)
• 21 Richards JP, Done AJ, Barber SR. et al. Virtual coach: the next tool in functional endoscopic sinus surgery education. Int Forum Allergy Rhinol 2020; 10: 97-102 DOI: 10.1002/alr.22452. (PMID: 31834672)
• 22 Çakmak HK, Maaß H, Strauss G. et al. Modellierung chirurgischer Simulationsszenarien für das Virtuelle Endoskopie Trainingssystem. 2002
• 23 Çakmak HK, Kühnapfel U. Animation and Simulation Techniques for VR-Training Systems in Endoscopic Surgery. In: Magnenat-Thalmann N, Thalmann D, Arnaldi B. Computer Animation and Simulation 2000. Vienna: Springer; 2000: 173-185 DOI: 10.1007/978-3-7091-6344-3_13
• 24 Kühnapfel U, Çakmak HK, Maaß H. Endoscopic surgery training using virtual reality and deformable tissue simulation. Comput Graph 2000; 24: 671-682 DOI: 10.1016/S0097-8493(00)00070-4.
• 25 Çakmak H, Maaß H, Trantakis C. et al. Haptic ventriculostomy simulation in a grid environment. Comput Animat Virtual Worlds 2009; 20: 25-38 DOI: 10.1002/cav.272.
• 26 Çakmak H, Maass H, Kühnapfel U. VS One , a virtual reality simulator for laparoscopic surgery. Minim Invasive Ther Allied Technol 2005; 14: 134-144 DOI: 10.1080/13645700510033958. (PMID: 16754156)
• 27 Boll MT, Maaß H, Cakmak HK. et al. Entwicklung eines Bewertungssystems für Virtual Reality-Simulatoren in der Chirurgie. Autom 2011; 59: 683-691 DOI: 10.1524/auto.2011.0958.
• 28 Statistisches Bundesamt (Destatis). Fallpauschalenbezogene Krankenhausstatistik (DRG-Statistik) Operationen und Prozeduren der vollstationären Patientinnen und Patienten in Krankenhäusern (4-Steller) 2019. 2020 https://www.efgs2021.de/DE/Themen/Gesellschaft-Umwelt/Gesundheit/Krankenhaeuser/Publikationen/Downloads-Krankenhaeuser/operationen-prozeduren-5231401197014.pdf?__blob=publicationFile
• 29 Arora A, Lau LYM, Awad Z. et al. Virtual reality simulation training in Otolaryngology. Int J Surg 2014; 12: 87-94 DOI: 10.1016/j.ijsu.2013.11.007. (PMID: 24316019)
• 30 Lehmann KS, Ritz JP, Maass H. et al. A Prospective Randomized Study to Test the Transfer of Basic Psychomotor Skills From Virtual Reality to Physical Reality in a Comparable Training Setting. Ann Surg 2005; 241: 442-449 DOI: 10.1097/01.sla.0000154552.89886.91.
• 31 Tolsdorff B, Pommert A, Höhne KH. et al. Virtual reality: a new paranasal sinus surgery simulator. The Laryngoscope 2010; 120: 420-426 DOI: 10.1002/lary.20676. (PMID: 20013851)
• 32 Abbas JR, Kenth JJ, Bruce IA. The role of virtual reality in the changing landscape of surgical training. J Laryngol Otol 2020; 1-4 DOI: 10.1017/S0022215120002078.