Mixed Reality Tele-Ultrasound over 750 km: A Feasibility Study

Technische Samenvatting: Tele-echografie in Gemengde Realiteit over 750 km

Probleemstelling
Echografie (US) is een cruciale, niet-invasieve en draagbare diagnostische tool, maar afgelegen en inheemse gemeenschappen hebben vaak geen toegang tot getrainde sonografen. Bestaande oplossingen brengen aanzienlijke afwegingen met zich mee: robotische tele-echografie biedt precisie maar lijdt aan hoge kosten, een groot oppervlak en complexe onderhoud; tele-gemotiveerde US is goedkoper maar is afhankelijk van lokale expertise en mist precieze transducercontrole; en autonome robotische US staat voor uitdagingen op het gebied van redeneren en veiligheid. Om te voldoen aan de behoefte aan een goedkope, flexibele en precieze oplossing, evalueert deze studie "Menselijke Teleoperatie", een mixed reality (MR)-systeem waarbij een externe expert een novice "volger" begeleidt bij het uitvoeren van scans. Hoewel eerdere iteraties van dit concept bestonden, bleef de haalbaarheid over grote afstanden (wat latentie introduceert) en voor de precieze bewegingen die nodig zijn bij abdominale beeldvorming ononderzocht.

Methodologie
De studie voerde een haalbaarheidstest uit met 11 afgelegen abdominale echografie-scans tussen Skidegate, Haida Gwaii, en Vancouver, Canada, gescheiden door 754 km.

• Systeemarchitectuur:

  • Volgerkant (Afgelegen): Een novice draagt een Microsoft HoloLens 2-headset, die een dynamische virtuele US-transducer weergeeft. De volger richt fysiek een echte US-transducer op dit hologram. Het systeem volgt de pose van de fysieke transducer met behulp van infrarood (IR) reflecterende markers en meet de uitgeoefende krachten via een shell met een differentieel magnetische krachtsensor.
  • Expertkant (Lokaal): Een externe expert-sonograaf bedient de virtuele transducer met een 6-DOF haptisch apparaat (Touch X) met een 3D-geprinte transducerhandgreep. De expert bekijkt het videobeeld van het gezichtspunt van de volger en de real-time US-beeldfeed (via Windows Phone Link naar een Philips Lumify-app) en geeft mondelinge instructies.
  • Communicatie: Het systeem maakt gebruik van WebRTC voor peer-to-peer communicatie, waarbij pose-, kracht- en videogegevens worden verzonden.

• Haptische Feedbackmodel:
  Om stabiele haptische feedback te bieden ondanks communicatielatentie en vertraging bij de volger, modelleert het systeem het abdominale oppervlak van de patiënt als een ellipsoïde. Dit model wordt gekalibreerd met vier specifieke punten: het xiphoid-proces, de uiterste linker- en rechterzijden van de patiënt, en het niveau van het bed. Het systeem neemt aan dat de assen van de ellipsoïde uitgelijnd zijn met de anatomische assen van de patiënt en dat de ellipsoïde raakt aan het bed. Krachten worden aan de expert weergegeven op basis van de penetratiediepte van de virtuele transducer in deze ellipsoïde, berekend met een veer-dempersmodel.

• Studieprotocol:
  Twee expert-sonografen leidden 10 novice-volgers (ranging van 20 tot 60+ jaar) om vijf specifieke doelbeelden te verkrijgen: proximale aorta (AP-diameter), longitudinale IVC, linker leverkwab (lengteas en dwarsdoorsnede) en rechter poortader (dwarsdoorsnede).

  • Dataverzameling: De beeldkwaliteit werd beoordeeld door twee radiologen op een schaal van 6 punten. De fout in de uitlijning van de volger (Root Mean Squared Error of RMSE) werd berekend door fysieke en virtuele transducerposities te vergelijken. Deelnemers vulden NASA TLX-taakbelastingenquêtes en aangepaste System Usability Scale (SUS)-vragenlijsten in.

Belangrijkste Bijdragen

1. Haalbaarheid op Lange Afstand: De studie toont aan dat menselijke teleoperatie met succes afgelegen abdominale echografie-onderzoeken over een afstand van 754 km kan faciliteren, waarbij uitdagingen met betrekking tot netwerklatentie worden overwonnen.
2. Gebruik door Novices: Het valideert dat personen zonder eerdere US-ervaring kunnen fungeren als effectieve "cognitieve robots", die remote expertinstructies volgen om diagnostisch kwalitatieve beelden te verkrijgen.
3. Nieuwe Haptische Weergave: Het artikel introduceert en test een op een ellipsoïde gebaseerd patiëntmodel voor haptische feedback. Deze aanpak biedt de externe expert een stabiele, intuïtieve weergave van het oppervlak van de patiënt, waardoor de instabiliteit die wordt veroorzaakt door vertragingen in directe krachtrückkoppeling wordt verminderd.
4. Uitgebreide Evaluatie: De studie biedt een veelzijdige beoordeling, waaronder door radiologen beoordeelde beeldkwaliteit, kwantitatieve analyse van uitlijningsfouten en subjectieve metrics voor gebruiksvriendelijkheid en taakbelasting van zowel novices als experts.

Resultaten

• Beeldkwaliteit: Van de 55 geprobeerde doelbeelden werden er 48 succesvol vastgelegd. Van de vastgelegde beelden kregen 91,7% een score van ≥3 (suboptimaal tot goed) van beide radiologen, waarbij 31,3% werd beoordeeld als "goed" (score 5). De gemiddelde kwaliteitscore voor vastgelegde beelden was 4,28 ± 0,95.
• Taakbelasting en Gebruiksvriendelijkheid: Novice-volgers rapporteerden een lage mentale vraag (23,3/100), inspanning (18,9/100) en frustratie (16,5/100) op de NASA TLX-schaal, allemaal onder de referentiewaarden voor gezondheidszorg- en virtual reality-taken. De scores voor gebruiksvriendelijkheid waren uniform positief, waarbij alle 10 volgers het ermee eens waren dat het systeem makkelijk te gebruiken was en dat de meeste mensen het snel konden leren.
• Uitlijningsfout: De gemiddelde positie-RMSE was 31,94 ± 10,17 mm en de gemiddelde oriëntatie-RMSE was 11,39 ± 3,55°. Echter, wanneer gecentreerd (het verwijderen van constante offsets), daalde de RMSE aanzienlijk tot respectievelijk 10,06 mm en 5,81°.
• Correlatie: Er werd geen statistisch significante correlatie gevonden tussen de uitlijningsfouten van de volgers (positie of oriëntatie) en de resulterende beeldkwaliteitsscores. Opvallend is dat de scan met de hoogste positiefout (Scan 8) de hoogste beeldkwaliteitsscores ontving, wat suggereert dat het lichaamsbouw van de patiënt en het vermogen van de expert om de ware transducerpositie af te leiden uit het beeld belangrijker zijn dan de absolute precisie van de uitlijning van de volger.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat menselijke teleoperatie een haalbare en effectieve methode is voor het mogelijk maken van remote abdominale echografie-beeldvorming, zelfs over grote afstanden en met novice-operatoren. De studie benadrukt dat het systeem het expert-sonografen toestaat om remote scans uit te voeren met hoge prestaties, waarbij in 92% van de succesvolle acquisities diagnostisch kwalitatieve beelden worden bereikt. De auteurs benadrukken dat het gebrek aan correlatie tussen uitlijningsfout en beeldkwaliteit suggereert dat het systeem robuust is tegen kleine trackingonnauwkeurigheden, mits de expert het visuele feedback kan interpreteren.

De auteurs concluderen dat deze aanpak een veelbelovend alternatief biedt voor robotische en tele-gemotiveerde systemen, met name voor afgelegen gemeenschappen waar kosten, draagbaarheid en het ontbreken van lokale expertise barrières vormen. Ze merken bescheiden op dat hoewel het systeem haalbaar is, toekomstig werk vereist is om het direct te vergelijken met robotische en tele-gemotiveerde benaderingen, testen uit te breiden naar andere anatomische gebieden (bijv. nier, volledige aorta-onderzoeken) en de integratie van AI voor autonome begeleiding met behulp van de verzamelde rijke data te onderzoeken.