Designing a medical training simulation with a 6DOF force feedback haptic device in virtual reality environment

Abstract

Bu çalışmada kuvvet geri beslemeli haptik cihaz destekli sanal gerçeklik ortamlarında geliştirilecek bir anatomi ve ameliyat simülasyonu uygulamasının cerrahi eğitimi almakta olan sağlık öğrencilerinin eğitimine katkısı, öğrenme hızı ve becerilerine etkilerinin tespiti amaçlanmıştır.Çalışma kapsamında geliştirilecek uygulamada yapılması planlanan tüm işlemlere (kazıma, haptik etkileşim, kuvvet geribesleme vb.) cevap verdiği için 6-eksenli Phantom Geomagic® Touch ™ haptik robotik cihazı tercih edilmiştir. Harici 3D görüntüleme birimi olarak yüksek çözünürlüklü bir sanal gerçeklik gözlüğü olan(HMD) VR 2000 Pro dual kullanılmıştır. Yazılım geliştirme ortamı olarak Visual Studio seçilmiş, C++ tabanlı OpenGL kütüphaneleri ile kodlama işlemi yapılmıştır. .Uygulama geliştirme işlemi için insan gerçek hasta ayak bilgisayarlı tomografi görüntüleri kullanılarak, iyi huylu kemik tümörüne sahip 3D ayak modellenmiş ve sanal ameliyat ortamı tasarlanmıştır. Bu ortamlar ameliyata, ameliyat öncesi hazırlıklar olanağı sağlayıp istenildiği kadar deneme fırsatı sunmaktadır.Çalışma kapsamında, rastgele seçilmiş 35 öğrenci ile uygulama gerçekleştirilmiştir. Uygulama sonrasında bu öğrencilere haptik destekli sanal gerçeklik uygulamaları hakkında 27 sorudan oluşan anket yapılmıştır. Ankette elde edilen veriler makine öğrenmesi yöntemi ile değerlendirilmek üzere WEKA uygulamasında analiz edilmiştir. Analiz sonucunda öğrenme yüzdesi değerleri incelenerek öğrenme sağlanıp sağlanmadığına bakılmıştır.Çıkarımlar sonucunda, haptik destekli sanal gerçeklik ortamları uygulamalarının ameliyat öncesi hazırlık ve eğitim materyali olarak kullanılabileceği, öğrenme başarısını arttıracağı, monotonluk, sıkıcılık gibi negatif etkileri azaltacağı görülmüştür. Son olarak bu uygulamalarla desteklenmiş bir eğitimin geleneksel eğitime göre daha etkili olacağı sonucuna varılmıştır.

n this study, it is aimed to determine the effects and contribution of anatomy and surgery simulation, which will be developed in virtual reality environments supported by force feedback haptic device on the learning skills and speed of health education students who are receiving surgery lessons.A 6-DOF Phantom Geomagic® Touch ™ haptic robotic device is preferred because it responds to all the planned actions (scraping, haptic interaction, force feedback, etc.) in the application to be developed. VR 2000 Pro dual (HMD) which is a high-resolution virtual reality goggle was used as the external 3D imaging unit. Visual Studio was selected as the software development environment, and coding was done with C ++ based OpenGL libraries.In application development process, real Computed Tomography (CT) images were used to create a 3D virtual leg including a tibia benign tumor and to design a surgical simulation. This simulation is aimed to allow surgeons to carry out the surgery for a limitless trial before the actual one.During this research, 35 randomly selected medical students as participants used the developed application. Afterwards a questionnaire, which has 27 questions about haptic supported virtual reality applications, was asked those participants to learn their ideas and feelings about HSVRE application. The data obtained from the questionnaire was analyzed with machine learning by using WEKA software. Learning percentage values were analyzed by examining the results of the analysis to see if learning has come true. Decision trees were created to show the impacts of application for medical education.It has been found from the results of analyses that HSVRE applications can be used as a lecturing material, enrich the success of learning and prevent ordinary negative consequences like boredom and monotony. Also, learning with HSVRE is more effective than Traditional learning methods.