Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Medicina, Programa de Pós-Graduação em Ciências Médicas, 2018. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2018-05-10T18:43:09Z No. of bitstreams: 1 2017_HenriqueFernandesdeOliveira.pdf: 1116438 bytes, checksum: 866dc1e482d635ccd6e5f4190684c685 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-05-15T20:39:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_HenriqueFernandesdeOliveira.pdf: 1116438 bytes, checksum: 866dc1e482d635ccd6e5f4190684c685 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-15T20:39:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_HenriqueFernandesdeOliveira.pdf: 1116438 bytes, checksum: 866dc1e482d635ccd6e5f4190684c685 (MD5) Previous issue date: 2018-05-15 / INTRODUÇÃO: Trata-se de um estudo sobre a busca por uma opção ao uso do cadáver humano na aprendizagem cirúrgica nasal. Descrevemos um modelo de treinamento em cirurgia endoscópica nasal em cabeça de cordeiro. Avaliamos a aquisição de habilidade cirúrgica em médicos residentes de otorrinolaringologia. Estabelecemos a quantidade média mínima de dissecções antes de se iniciar a prática em pacientes humanos. MÉTODO: Dezenove residentes de otorrinolaringologia, todos do segundo ano de formação, dissecaram dez vezes cada um, cinco em cada fossa nasal, treinando sempre as mesmas três cirurgias no cordeiro. O período de dissecção de cada aluno durou dois meses, e o treinamento todo foi realizado ao longo de quatro anos, alcançando quatro gerações de residentes, para que o grupo em estudo fosse igualitário. Todas as dissecções foram gravadas, randomizadas e examinadas por dois cirurgiões otorrinolaringologistas, diferentes dos pesquisadores, independentemente um do outro. A avaliação das 190 dissecções foi pautada em uma ferramenta validada para treinamento cirúrgico de médicos residentes. RESULTADO: Para a significância de 5%, os p-valores evidenciam ganho de desempenho crescente, sendo que, a partir da sexta dissecção, o resultado é satisfatório. Além disso, a partir da oitava dissecção, a aquisição de habilidade é relevante e sustentada, com pouca variação do desempenho nas duas últimas dissecções. CONCLUSÃO: O treinamento em cirurgia endoscópica nasal por meio de cabeça de cordeiro proporciona melhora na habilidade cirúrgica e no manejo do instrumental. Neste estudo, observa-se que, da oitava dissecção em diante, o ganho é significativo e sustentado. É relevante o uso desse modelo na formação do cirurgião otorrinolaringológico, visto que a qualidade de seu treinamento irá repercutir em segurança para o paciente. / INTRODUCTION: This is a study about the search for an option to use the human corpse in nasal surgical learning.We describe a training model in nasal endoscopic surgery in lamb's head. We evaluated the acquisition of surgical skills in resident doctors of otolaryngology and established the minimum number of dissections to be performed before practicing in human patients. METHODS: Nineteen second-year otolaryngology residents performed ten dissections each, five for each nasal cavity, always practicing the same three surgeries on the lamb. The training of each student lasted two months, and the entire training intervention lasted four years, reaching four generations of residents All dissections were recorded and all of them were randomly selected to be examined by two independent otolaryngology surgeons other than the researchers. The assessment of the 190 dissections were based on an instrument validated for surgical training of medical residents. RESULTS: For a level of significance of 5%, statistical analysis revealed an increase in performance, and satisfactory results were observed after the sixth dissection. Additionally, after the eighth dissection, skill acquisition was relevant and sustained, with few variations in performance during the last two dissections. CONCLUSION: Training in nasal endoscopic surgery on a lamb’s head model improves surgical skills and handling of surgical instruments. In the patient study, there was a significant and sustained improvements after the eighth dissection. Our results showed that the relevance of the lamb model for otolaryngology surgical training, since the quality of this training will have an impact on patient safety.

Os simuladores que empregam técnicas de Realidade Virtual são alternativas vantajosas às formas tradicionais de ensino e treinamento médico. Esses simuladores apresentam requisitos específicos, tais como: interação em tempo real e modelos realistas para representar órgãos e tecidos. Além disso, devem possuir comportamentos físicos suficientemente parecidos com os reais e gerar feedbacks dos procedimentos que estejam sendo simulados. Essas características exigem esforços de programação para o desenvolvimento de técnicas de interação e visualização 3D, além de estudos dos tecidos humanos, incluindo o comportamento físico dos órgãos e tecidos e o estudo das leis da Física envolvidas neste processo. O tema central desta pesquisa é a simulação de procedimentos de punção, sendo que nesse tipo de aplicações são necessários tanto o realismo visual como também o háptico, a fim de proporcionar ao usuário sensações parecidas com as encontradas nos procedimentos reais. Os métodos que utilizam parâmetros físicos são os mais utilizados alcançar o realismo exigido na interação háptica. No entanto, esses métodos deixam a desejar no que diz respeito à interação em tempo real. Dessa forma, o objetivo desta pesquisa foi desenvolver um novo método para simular a deformação de objetos tridimensionais que representam órgãos humanos. De forma que sejam alcançados o realismo visual, o realismo háptico e a interação em tempo real, com um custo computacional aceitável. O método desenvolvido consiste na divisão dos objetos tridimensionais em camadas, a fim de simular o volume e também a heterogeneidade dos órgãos humanos. O número de camadas e a atribuição de parâmetros físicos podem ser definidos de acordo com os diferentes tecidos que compõem o órgão humano e respectivos comportamentos que se pretenda simular. O método foi desenvolvido depois de conduzida uma Revisão Sistemática para levantamento dos métodos utilizados em aplicações para treinamento médico e respectivos níveis de realismo visual e háptico oferecidos. Para demonstrar e testar o funcionamento do método foi criado um simulador genérico de procedimentos de punção, no qual podem ser configurados o número de camadas, os parâmetros visco-elásticos, e assim permitir a avaliação do desempenho e o realismo das simulações. Como exemplo de aplicação o método foi aplicado em um simulador de punção de mama, cuja qualidade foi avaliada por médicos especialistas. Os protótipos foram criados no Laboratório de Tecnologias Interativas da Escola Politécnica da USP (Interlab), a partir de um Framework desenvolvido pelo Laboratório de Aplicações de Informática em Saúde da Escola de Artes Ciências e Humanidades da USP (LApIS). / Simulators that employ Virtual Reality techniques can prove to be an advantageous alternative to the traditional forms of medical learning and training. These simulators have specific requirements, such as real-time interaction and realistic models representing organs and tissues. Moreover, they should possess physical behavior similar enough to real life and generate feedback from procedures being simulated. These characteristics require programming efforts for the development of 3D visualization and interaction techniques, as well as studies of human tissue, including the physical behavior of organs and tissues and the study of the laws of Physics involved in this process. The main theme of this research is the simulation of puncture procedures. This type of application requires a realistic rendering of both visual and haptic traits in order to provide the user with sensations similar to those found in real procedures. Methods which employ physical parameters are more widely used to achieve the realism required in haptic interaction. However, these methods present shortcomings regarding real-time interaction. Thus, the aim of this research was to develop a new method to simulate the deformity of tridimensional objects that represent human organs and to achieve visual realism, haptic realism, and real-time interaction, with acceptable computational costs. The method developed in this study consists in dividing tridimensional objects into layers in order to simulate volume as well as heterogeneity of human organs. The number of layers and the attribution of physical parameters can be defined according to different tissues that compose the human organ and respective behaviors that one wishes to simulate. The method was developed after a systematic review to assess the methods employed in applications for medical training and their respective levels of visual and haptic realism. In order to demonstrate and to test how the method operates, we created a generic simulator of puncture procedures, which can be configured with any combination of layers of tissue and its viscoelastic parameters, allowing for the assessment of simulation performance and realism. As an example, the method was applied to a breast biopsy simulator whose quality was evaluated by specialist doctors. The prototypes were created in the Interactive Technology Laboratory (Interlab) of the Engineering School of the University of São Paulo, from a framework developed by the Laboratory of Computer Applications for Health Care (LApIS) of the School of Arts, Science and Humanities of the University of São Paulo.

Com a frequente utilização de Tecnologias da Informação e da Comunicação (TICs) em contextos educacionais, uma nova configuração de atividades virtuais trouxe à tona novos desafios para profissionais da área de educação ou de treinamento. A partir das contribuições originadas no campo da Realidade Virtual, merecem atenção às soluções que se utilizam de Ambientes Virtuais Interativos 3D como uma alternativa às estratégias de treinamento conduzidas em ambientes reais de aprendizagem. Essas soluções ganham destaque à medida que se observa a utilização de diferentes métodos ou formas de se ensinar e aprender com esses ambientes. Nesse contexto o campo das Habilidades Sensório-Motoras (HSM) constitui-se um desafio no que tange à necessidade de desenvolvimento de métodos para quantificar ou qualificar a habilidade de um aprendiz ou profissional que esteja sob avaliação durante a realização de uma tarefa. Diante desse cenário, apresenta-se a pesquisa em pauta, com o objetivo de definir, implementar e validar um método para avaliação da aquisição de HSM em Ambientes Virtuais Interativos 3D no contexto de treinamento médico. O escopo da presente investigação foi definido mediante a realização de um processo de revisão de literatura sobre os principais fundamentos encontrados na área. Por meio da condução de dois processos de Revisão Sistemática, foi possível recuperar o estado da arte sobre métodos e parâmetros utilizados na avaliação da aquisição de HSM. Para atingir os objetivos da investigação, foram conduzidos experimentos com base em um modelo teórico de avaliação e em um método semiautomatizado. Os resultados dos experimentos indicaram que o método construído foi capaz de avaliar diferentes tarefas virtuais durante a aquisição de Habilidades Sensório-Motoras, assim como verificar o grau de convergência e divergência de processos de discriminação e classificação de HSM observados na avaliação de tarefas virtuais pelo método semiautomatizado e por especialistas. / Along with the frequent use of Information and Communication Technologies (ICTs) in educational contexts, a new configuration of virtual activities has brought up new challenges for professionals in the field of education or training. Based on contributions coming from the field of Virtual Reality, solutions used in 3-D Interactive Virtual Environments need to be highlighted as an alternative to training strategies conducted in real learning environments. These solutions gain ground as the use of different methods or ways of teaching and learning are observed in these environments. In this context, the field of Sensory Motor Skills (SMS) becomes a challenge as far as the need for development of methods is concerned in order to quantify or qualify the skills of a learner or a professional who is being evaluated during the performance of a task. This research is set in this scenario aiming to define, implement and validate a method to evaluate the acquisition of SMS in 3-D Interactive Virtual Environments in the context of medical training. The scope of this investigation was defined by means of a literature review on the current major founding principles in the area. Two processes of Systematic Review were conducted which produced the state of the art on methods and parameters used in the evaluation of SMS acquisition. In order to achieve the objectives of the investigation, two experimental studies were conducted based on a theoretical evaluation model and a semi-automated method. The results of the experimental studies showed that the method constructed was able to evaluate different virtual tasks during the acquisition of Sensory Motor Skills, and to verify the convergence or divergence degree of processes of discrimination and classification of SMS observed in the evaluation of virtual tasks by the semi-automated method and by human experts.

O exame de palpação é um procedimento no qual um profissional da saúde pressiona uma região específica do corpo de um paciente com os dedos a fim de detectar a presença ou ausência de características e anormalidades sob a pele. Um simulador que forneça subsídios para o treinamento deste procedimento pode contribuir para o aprendizado da técnica e o aprimoramento de sua execução em pacientes, além de, dentre outras vantagens, eliminar a necessidade de exposição de pacientes aos riscos das situações reais, minimizar o uso de objetos físicos e tornar possível a simulação de diferentes casos e ações. O objetivo principal deste trabalho consiste em desenvolver um simulador de palpação mamária com retorno háptico realista. No contexto do exame de palpação, existe uma lacuna no que concerne a definição de técnicas e parâmetros de retorno de força que ofereçam uma experiência mais realista de interação para o usuário. Após uma revisão sistemática da literatura foi feito o mapeamento dos principais parâmetros para representar diferentes nódulos durante o treinamento virtual visando ao diagnóstico de anomalias mamárias. Tais parâmetros foram equacionados com a finalidade de obter uma representação realista em um dispositivo háptico. Além disso, interfaces foram implementadas para permitir a geração de casos com a variação desses parâmetros referentes aos nódulos (tamanho, consistência, localização e contorno). Os resultados obtidos a partir de uma avaliação com uma profissional da medicina mostraram que o retorno de força aplicado a cada uma das características foi realista para todos os parâmetros, com limitação na representação de nódulos espiculados, que deve ser melhorada. Além de contribuir com a área de Computação no sentido de ter definido técnicas e parâmetros de retorno de força importantes para a simulação de exames de palpação, o trabalho disponibiliza uma ferramenta que pode contribuir para a aquisição efetiva da habilidade necessária para a execução do procedimento em questão / Palpation exam is a procedure in which a health care professional presses a specific region of a patient\'s body with the fingers in order to detect the presence of features and abnormalities under the skin. A simulator that aids the training this procedure may contribute to the learning of the technique and the improvement of its implementation in real patients. The main objective of the Master\'s degree work proposed in this paper is to develop a breast palpation simulator with haptic feedback. The results of a Systematic Review conducted in order to assess the state-of-art of the simulation of the palpation procedure showed that despite being a new area, there are already many innovative works that received positive reviews. However, in the context of palpation examination, a gap exists regarding the definition of techniques and force feedback parameters to provide a more realistic experience to the user. After a Systematic Review from the literature the mapping of the main parameters was done to represent different nodules during the virtual training for the diagnosis of breast abnormalities. These parameters were transformed into equations with the goal of obtaining a realistic representation on a haptic device. Besides, user interfaces were implemented to allow the creation of cases with the variation of the parameters relative to the nodules (size, consistency, localization and contour). The results obtained from an assessment done with a medical professional showed that the force feedback applied to each one of the characteristics was realistic to all the parameters, with limitations on the representation of spiculated nodules, which must be improved. Aside from the contribution to the Computing area in the sense that force feedback techniques and parameters important to the simulation of palpation exams were defined, this work offers a tool that can contribute to the effective acquisition of the necessary skills to the execution of the procedure in question

Os simuladores que empregam técnicas de Realidade Virtual são alternativas vantajosas às formas tradicionais de ensino e treinamento médico. Esses simuladores apresentam requisitos específicos, tais como: interação em tempo real e modelos realistas para representar órgãos e tecidos. Além disso, devem possuir comportamentos físicos suficientemente parecidos com os reais e gerar feedbacks dos procedimentos que estejam sendo simulados. Essas características exigem esforços de programação para o desenvolvimento de técnicas de interação e visualização 3D, além de estudos dos tecidos humanos, incluindo o comportamento físico dos órgãos e tecidos e o estudo das leis da Física envolvidas neste processo. O tema central desta pesquisa é a simulação de procedimentos de punção, sendo que nesse tipo de aplicações são necessários tanto o realismo visual como também o háptico, a fim de proporcionar ao usuário sensações parecidas com as encontradas nos procedimentos reais. Os métodos que utilizam parâmetros físicos são os mais utilizados alcançar o realismo exigido na interação háptica. No entanto, esses métodos deixam a desejar no que diz respeito à interação em tempo real. Dessa forma, o objetivo desta pesquisa foi desenvolver um novo método para simular a deformação de objetos tridimensionais que representam órgãos humanos. De forma que sejam alcançados o realismo visual, o realismo háptico e a interação em tempo real, com um custo computacional aceitável. O método desenvolvido consiste na divisão dos objetos tridimensionais em camadas, a fim de simular o volume e também a heterogeneidade dos órgãos humanos. O número de camadas e a atribuição de parâmetros físicos podem ser definidos de acordo com os diferentes tecidos que compõem o órgão humano e respectivos comportamentos que se pretenda simular. O método foi desenvolvido depois de conduzida uma Revisão Sistemática para levantamento dos métodos utilizados em aplicações para treinamento médico e respectivos níveis de realismo visual e háptico oferecidos. Para demonstrar e testar o funcionamento do método foi criado um simulador genérico de procedimentos de punção, no qual podem ser configurados o número de camadas, os parâmetros visco-elásticos, e assim permitir a avaliação do desempenho e o realismo das simulações. Como exemplo de aplicação o método foi aplicado em um simulador de punção de mama, cuja qualidade foi avaliada por médicos especialistas. Os protótipos foram criados no Laboratório de Tecnologias Interativas da Escola Politécnica da USP (Interlab), a partir de um Framework desenvolvido pelo Laboratório de Aplicações de Informática em Saúde da Escola de Artes Ciências e Humanidades da USP (LApIS). / Simulators that employ Virtual Reality techniques can prove to be an advantageous alternative to the traditional forms of medical learning and training. These simulators have specific requirements, such as real-time interaction and realistic models representing organs and tissues. Moreover, they should possess physical behavior similar enough to real life and generate feedback from procedures being simulated. These characteristics require programming efforts for the development of 3D visualization and interaction techniques, as well as studies of human tissue, including the physical behavior of organs and tissues and the study of the laws of Physics involved in this process. The main theme of this research is the simulation of puncture procedures. This type of application requires a realistic rendering of both visual and haptic traits in order to provide the user with sensations similar to those found in real procedures. Methods which employ physical parameters are more widely used to achieve the realism required in haptic interaction. However, these methods present shortcomings regarding real-time interaction. Thus, the aim of this research was to develop a new method to simulate the deformity of tridimensional objects that represent human organs and to achieve visual realism, haptic realism, and real-time interaction, with acceptable computational costs. The method developed in this study consists in dividing tridimensional objects into layers in order to simulate volume as well as heterogeneity of human organs. The number of layers and the attribution of physical parameters can be defined according to different tissues that compose the human organ and respective behaviors that one wishes to simulate. The method was developed after a systematic review to assess the methods employed in applications for medical training and their respective levels of visual and haptic realism. In order to demonstrate and to test how the method operates, we created a generic simulator of puncture procedures, which can be configured with any combination of layers of tissue and its viscoelastic parameters, allowing for the assessment of simulation performance and realism. As an example, the method was applied to a breast biopsy simulator whose quality was evaluated by specialist doctors. The prototypes were created in the Interactive Technology Laboratory (Interlab) of the Engineering School of the University of São Paulo, from a framework developed by the Laboratory of Computer Applications for Health Care (LApIS) of the School of Arts, Science and Humanities of the University of São Paulo.

O exame de palpação é um procedimento no qual um profissional da saúde pressiona uma região específica do corpo de um paciente com os dedos a fim de detectar a presença ou ausência de características e anormalidades sob a pele. Um simulador que forneça subsídios para o treinamento deste procedimento pode contribuir para o aprendizado da técnica e o aprimoramento de sua execução em pacientes, além de, dentre outras vantagens, eliminar a necessidade de exposição de pacientes aos riscos das situações reais, minimizar o uso de objetos físicos e tornar possível a simulação de diferentes casos e ações. O objetivo principal deste trabalho consiste em desenvolver um simulador de palpação mamária com retorno háptico realista. No contexto do exame de palpação, existe uma lacuna no que concerne a definição de técnicas e parâmetros de retorno de força que ofereçam uma experiência mais realista de interação para o usuário. Após uma revisão sistemática da literatura foi feito o mapeamento dos principais parâmetros para representar diferentes nódulos durante o treinamento virtual visando ao diagnóstico de anomalias mamárias. Tais parâmetros foram equacionados com a finalidade de obter uma representação realista em um dispositivo háptico. Além disso, interfaces foram implementadas para permitir a geração de casos com a variação desses parâmetros referentes aos nódulos (tamanho, consistência, localização e contorno). Os resultados obtidos a partir de uma avaliação com uma profissional da medicina mostraram que o retorno de força aplicado a cada uma das características foi realista para todos os parâmetros, com limitação na representação de nódulos espiculados, que deve ser melhorada. Além de contribuir com a área de Computação no sentido de ter definido técnicas e parâmetros de retorno de força importantes para a simulação de exames de palpação, o trabalho disponibiliza uma ferramenta que pode contribuir para a aquisição efetiva da habilidade necessária para a execução do procedimento em questão / Palpation exam is a procedure in which a health care professional presses a specific region of a patient\'s body with the fingers in order to detect the presence of features and abnormalities under the skin. A simulator that aids the training this procedure may contribute to the learning of the technique and the improvement of its implementation in real patients. The main objective of the Master\'s degree work proposed in this paper is to develop a breast palpation simulator with haptic feedback. The results of a Systematic Review conducted in order to assess the state-of-art of the simulation of the palpation procedure showed that despite being a new area, there are already many innovative works that received positive reviews. However, in the context of palpation examination, a gap exists regarding the definition of techniques and force feedback parameters to provide a more realistic experience to the user. After a Systematic Review from the literature the mapping of the main parameters was done to represent different nodules during the virtual training for the diagnosis of breast abnormalities. These parameters were transformed into equations with the goal of obtaining a realistic representation on a haptic device. Besides, user interfaces were implemented to allow the creation of cases with the variation of the parameters relative to the nodules (size, consistency, localization and contour). The results obtained from an assessment done with a medical professional showed that the force feedback applied to each one of the characteristics was realistic to all the parameters, with limitations on the representation of spiculated nodules, which must be improved. Aside from the contribution to the Computing area in the sense that force feedback techniques and parameters important to the simulation of palpation exams were defined, this work offers a tool that can contribute to the effective acquisition of the necessary skills to the execution of the procedure in question

Com a frequente utilização de Tecnologias da Informação e da Comunicação (TICs) em contextos educacionais, uma nova configuração de atividades virtuais trouxe à tona novos desafios para profissionais da área de educação ou de treinamento. A partir das contribuições originadas no campo da Realidade Virtual, merecem atenção às soluções que se utilizam de Ambientes Virtuais Interativos 3D como uma alternativa às estratégias de treinamento conduzidas em ambientes reais de aprendizagem. Essas soluções ganham destaque à medida que se observa a utilização de diferentes métodos ou formas de se ensinar e aprender com esses ambientes. Nesse contexto o campo das Habilidades Sensório-Motoras (HSM) constitui-se um desafio no que tange à necessidade de desenvolvimento de métodos para quantificar ou qualificar a habilidade de um aprendiz ou profissional que esteja sob avaliação durante a realização de uma tarefa. Diante desse cenário, apresenta-se a pesquisa em pauta, com o objetivo de definir, implementar e validar um método para avaliação da aquisição de HSM em Ambientes Virtuais Interativos 3D no contexto de treinamento médico. O escopo da presente investigação foi definido mediante a realização de um processo de revisão de literatura sobre os principais fundamentos encontrados na área. Por meio da condução de dois processos de Revisão Sistemática, foi possível recuperar o estado da arte sobre métodos e parâmetros utilizados na avaliação da aquisição de HSM. Para atingir os objetivos da investigação, foram conduzidos experimentos com base em um modelo teórico de avaliação e em um método semiautomatizado. Os resultados dos experimentos indicaram que o método construído foi capaz de avaliar diferentes tarefas virtuais durante a aquisição de Habilidades Sensório-Motoras, assim como verificar o grau de convergência e divergência de processos de discriminação e classificação de HSM observados na avaliação de tarefas virtuais pelo método semiautomatizado e por especialistas. / Along with the frequent use of Information and Communication Technologies (ICTs) in educational contexts, a new configuration of virtual activities has brought up new challenges for professionals in the field of education or training. Based on contributions coming from the field of Virtual Reality, solutions used in 3-D Interactive Virtual Environments need to be highlighted as an alternative to training strategies conducted in real learning environments. These solutions gain ground as the use of different methods or ways of teaching and learning are observed in these environments. In this context, the field of Sensory Motor Skills (SMS) becomes a challenge as far as the need for development of methods is concerned in order to quantify or qualify the skills of a learner or a professional who is being evaluated during the performance of a task. This research is set in this scenario aiming to define, implement and validate a method to evaluate the acquisition of SMS in 3-D Interactive Virtual Environments in the context of medical training. The scope of this investigation was defined by means of a literature review on the current major founding principles in the area. Two processes of Systematic Review were conducted which produced the state of the art on methods and parameters used in the evaluation of SMS acquisition. In order to achieve the objectives of the investigation, two experimental studies were conducted based on a theoretical evaluation model and a semi-automated method. The results of the experimental studies showed that the method constructed was able to evaluate different virtual tasks during the acquisition of Sensory Motor Skills, and to verify the convergence or divergence degree of processes of discrimination and classification of SMS observed in the evaluation of virtual tasks by the semi-automated method and by human experts.