Augmented reality in microinvasive cardiac surgery : first steps towards a training simulator for mitral valve repair intervention

Mitral regurgitation (MR) is a heart disease that is becoming more prevalent globally due to the aging population. The MitraClip system™ developed by Abbott™ is used to treat MR with the implantation of a clip on the mitral valve leaflets through a catheter. The procedure drawbacks are technical difficulties, the need for X-ray radiations, and reliance on the surgeon’s dexterity. Surgeons acquire confidence with the procedure on real patient intervention, so the need to develop a way to increase surgeon dexterity arises. Augmented Reality (AR) is a new technology which has promising advantages that could be involved in the surgical training field. The goal of this research is to asses the effectiveness of the AR advantages for the MR procedure with the MitraClip device™ through the comparison between the performances of users using an AR Simualor and a simulator emulating the visualization methodologies used at the moment during the real procedure (fluoroscopy and transesophageal echocardiography). The physical setup was composed by cardiovascular anatomical phantoms, the phantom support, the MitraClip system™ and the electromagnetic sensors, while the virtual environment was built in Unity3D™ with the 3D renders of the same components. Two simulators were built, the AR Simulator and the simulator emulating the state of art visualization methodologies, called 2D Simulator. The calibration between the physical setup and the simulated environment was computed through the use of electromagnetic sensors, while the catheter kinematic was modeled with the use of a constant curvature model. 15 random participants were gathered to try both simulators. The task was to manipulate the physical MitraClip™ system™, watch the simulation and reach the target without colliding with the heart chambers. Validation was performed through the collection and analyses of quantitative data such as time, position error (PE) and number of collisions with the heart chambers and qualitative data, collected through a questionnaire. The overall analyses suggests that the AR Simulator offers a more engaging and effective learning experience, with a lower PE, shorter time and low number of collisions.

Il rigurgito mitralico (MR) è una malattia cardiaca che sta diventando sempre più diffusa a livello globale a causa dell’invecchiamento della popolazione. Il sistema MitraClip™ sviluppato da Abbott™ viene utilizzato per trattare la MR con l’impianto di una clip sui foglietti della valvola mitrale attraverso un catetere. Gli svantaggi della procedura sono le difficoltà tecniche, la necessità di tecniche di imaging radiografico e la dipendenza dall’esperienza del chirurgo. I chirurghi acquisiscono confidenza con la procedura durante interventi su pazienti reali, quindi nasce l’esigenza di sviluppare un modo per aumentare la confidenza del chirurgo. La realtà aumentata (AR) è una nuova tecnologia che presenta vantaggi promettenti che potrebbero essere coinvolti nel campo della formazione chirurgica. L’obiettivo di questa ricerca è valutare l’efficacia dei vantaggi dell’AR per la procedura MR con il dispositivo MitraClip™ attraverso il confronto tra le prestazioni degli utenti che utilizzano un simulatore AR e un simulatore che emula le metodologie di visualizzazione utilizzate al momento durante la procedura reale (fluoroscopia ed ecocardiografia transesofagea). Il setup fisico è stato composto da fantocci anatomici cardiovascolari, il supporto per questi ultimi, il sistema MitraClip™ e i sensori elettromagnetici, mentre l’ambiente virtuale è stato costruito in Unity3D™ con i rendering 3D degli stessi componenti. Sono stati costruiti due simulatori, il simulatore AR e il simulatore che emula lo stato dell’arte delle metodologie di visualizzazione, chiamato simulatore 2D. La calibrazione tra il setup fisico e l’ambiente simulato è stata calcolata attraverso l’uso di sensori elettromagnetici, mentre la cinematica del catetere è stata modellata con l’uso di un modello a curvatura costante. 15 partecipanti random sono stati invitati a provare entrambi i simulatori. Il compito era quello di manipolare il sistema fisico MitraClip™ osservare la simulazione e raggiungere l’obiettivo senza collidere con le camere cardiache. La validazione è stata eseguita attraverso la raccolta e l’analisi di dati quantitativi, come il tempo, l’errore di posizione e il numero di collisioni con le camere cardiache, e di dati qualitativi raccolti attraverso un questionario. Le analisi complessive suggeriscono che il simulatore AR offre un’esperienza di apprendimento più coinvolgente ed efficace, con un errore di posizione inferiore, tempi più brevi e un basso numero di collisioni.