UX/UI y diseñador de productos
Navar
¿De qué se trata?
Este es un caso de estudio de una guía visual para RLCA usando realidad aumentada (AR). esta guía proporciona orientación al cirujano ortopédico empleando la información anatómica, estratégica y operativa necesaria para la correcta ubicación de los puntos de inserción y salida de los túneles tibial y femoral, utilizando realidad aumentada, que es una tecnología emergente que proporciona información gráfica superpuesta a un entorno real mediante un dispositivo montado en la cabeza (HMD).
Sistema de angulación de perforación
Lo que verá en este proyecto
Mi papel
Mi rol como estudiante de diseño industrial junto con el de mi compañera, consistió en:
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Análisis de literatura con respecto a los proceso de RLCA, herramientas de realidad aumentada entre otros
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Análisis de los usuarios, encuestas, card sorting
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Diseño de la interfaz de usuario para la gafas de realidad aumentada
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Diseño y ejecución de pruebas de usabilidad para: la selección de técnicas de interacción y las prueba de la guía visual con los cirujanos ortopedistas
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Comunicar las necesidades de diseño con ingenieros de sistemas
Participantes
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Andrea Paola Pinzón Barbosa
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Sara Maritza Gutiérrez Rondón
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Luis Eduardo Bautista Rojas
Director
Instituciones
Definición del problema
¿En qué medida una adecuada visualización ayuda a mejorar la precisión en la ubicación de los puntos de inserción para la perforación de los túneles tibial y femoral ?
Veamos un poco de contexto
A continuación un poco de contexto del LCA, si gustas puedes omitir y saltar al proceso de diseño.
Reconstrucción del LCA
La reconstrucción del ligamento cruzado anterior (RLCA) es una operación frecuente en cirugía ortopédica para restaurar la estabilidad de una rodilla lesionada en el ligamento cruzado anterior (LCA).
Una vez desgarrado parcial o completamente el ligamento cruzado anterior, este no se auto regenerar como una ruptura de huesos. Por ende, es necesario realizar un reemplazo del ligamento para recuperar la movilidad de la rodilla. Para su sustitución, se puede utilizar tendones propios del paciente (autoinjertos) o tendones provenientes de un banco (aloinjertos).
¿Cómo se produce?
La lesión de ligamento cruzado anterior, se presenta cuando el fémur y la tibia realizan un movimiento de torsión en direcciones opuestas.
Sabía que...
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La rodilla es la segunda estructura anatómica que sufre más lesiones
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EL 70 al 80% de los casos insatisfactorios en la RLCA, se deben a errores técnicos en la realización de los túneles tibial y femoral.
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En más del 10% de los casos de reconstrucción de LCA, se presentan resultados clínicos insatisfactorios.
Ahora: pongamos manos a la obra
Ideación
De acuerdo al diagrama de tarea, información e interacción, se inicio con la creación de diferentes bocetos que mostraran la información necesario durante cada proceso del flujo de trabajo.
En estos bocetos se corroboraron con los ingenieros de sistemas, para identificar la viabilidad del sistema de angulación de la broca.
Primer prototipo virtual en gafas Meta®
En el primer prototipo se realizó con la finalidad de tener conocimiento del espacio de trabajo que permite a las gafas Meta® (800x350 px), verificar el tamaño para la legibilidad de los elementos y la funcionalidad de los indicadores.
Información visualizada en el primer prototipo de las gafas Meta® de realidad aumentada:
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Huesos, tibia y fémur en trasparencia.
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Punto de entrada, salida y zona de seguridad en forma esférica.
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Sistema para angular la herramienta similar al que se menciona sistemas de visualización Intervención percutánea con aguja. (Peterhans, Kim, & Weber, 2012)
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Visualización de la herramienta.
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Túnel guía.
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Botones para el cambio de fémur a tibia de forma directa.
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Barra que indica que la herramienta está correctamente posicionada para la perforación.
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Indicativos en cambio de apariencia: tanto el color del túnel, el punto de entrada y salida, y la barra, cambian de color de acuerdo a la posición de la herramienta.
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Avance de la perforación.
De acuerdo a las pruebas realizadas con el primer prototipo, se observó que la información visualizada permite la identificación de los elementos propuestos. Sin embargo, para el caso de los modelos virtuales de la rodilla del paciente el uso de transparencia hace que no perciba correctamente la profundidad y las dimensiones del hueso. Para el caso de la funcionalidad de los indicadores, el cambio de apariencia permite conocer que se ha realizado correcta o incorrectamente la acción, de igual manera, el uso del target permite reconocer el movimiento necesario para angular la herramienta con respecto al punto de salida cuando el pin guía se encuentra en pivote con el punto de entrada.
Segundo prototipo virtual en gafas Meta®
En el primer prototipo se evaluó la legibilidad de los objetos a través mediante inspección, ya para el diseño del segundo prototipo se tuvo en cuenta el empleo del color, la distribución de los elementos en el espacio de trabajo y el uso de diagramación para el contenido de la interfaz, sin olvidar las consideraciones del primer prototipo.
se realizó una diagramación con la ley de los tercios y se distribuyeron los indicadores en la pantalla con la finalidad de optimizar el espacio de trabajo, sin embargo, al momento de ubicar puntos, el foco del usuario se reduce debido a la concentración, lo que genera que los demás indicadores no se visualicen a pesar de estar en el campo de visión. Por último, para la información de consulta que se encuentra en el menú lateral se identificó que puede llegar a ser molesta y ocasionar distracciones, por lo tanto, se plantea como un menú emergente.
Otras alternativas
Prototipo virtual final en gafas Meta®
De acuerdo a las consideraciones del segundo prototipo, se realizaron las siguientes modificaciones: Se transformaron los indicadores para crear un sistema, y no un conjunto de ellos. Este sistema estará sujeto a la broca y no fijo a las gafas, la única información sujeta a las gafas será la del túnel y el menú emergente manipulado por el brazalete Myo®.
Se muestran tres posibles situaciones del target, los cuales representa la ubicación de la punta de la broca con respecto al punto de entrada, la línea vertical representa el movimiento de pivote de izquierda a derecha, y la línea de horizontal, representa el movimiento de arriba abajo. Cuando el punto de intersección de las líneas coincide con el centro de la circunferencia, quiere decir que el ángulo de la broca coincide con los dos puntos, el de entrada y salida del túnel, por lo tanto, se puede perforar. Esto también está reflejado en el cambio de color de los triángulos que están alrededor de la circunferencia, cuando están en rojo, indica que la broca no está correctamente posicionada, y cuando está en verde, indica que la broca está en posición para comenzar la perforación.
Para conocer la profundidad y el recorrido de la broca, se observan 3 indicadores, uno numérico, que me dice la profundidad de perforación, y el pentágono junto al cambio de color del perímetro de la circunferencia, ambos al estar en un estado “lleno”, indica que la perforación ha sido completada.
¿Cómo llegamos a este resultado?
Análisis de literatura
Para el desarrollo de este proyecto, fue necesario realizar una búsqueda en la literatura con la finalidad de encontrar información que proporcione datos fundamentales de la anatomía de la rodilla, realidad aumentada e interacción humano – computadora en el marco de la medicina. Para ello se diseñó una ecuación de búsqueda en 4 pasos:
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Exploración no estructurada
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Agrupación de términos semejantes
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Combinación de términos
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Ecuación de búsqueda
De acuerdo al análisis literario se recopilo y sintetizó la siguiente información.
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Existen tres componentes fundamentales de las cirugías guiadas por imagen: los datos, las visualizaciones y las vistas,
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Factores fundamentales del posicionamiento y angulaciones de las guías para una correcta perforación
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La realización de un análisis de los sistemas existentes de cirugía asistida por computadores (estado del arte)
El análisis de literatura permitió reconocer y seleccionar información considerada relevante para el flujo de trabajo en el procedimiento quirúrgico de la RLCA, esta clasificación se llevó a cabo con los usuarios por medio de entrevistas y el uso de cardsorting.
¡Organicemos los datos!
Arquitectura de la información
Información anatómica estratégica y operativa requerida para el diseño de una guía visual en el RLCA según el estado del arte y el marco teórico.
De acuerdo a la información recopilada y analizada en la revisión de literatura y la inspección del estado del arte mencionado, se seleccionó una serie de información, la cual se considera relevante para el flujo de trabajo en el procedimiento quirúrgico de la RLCA, luego se clasificó en datos: anatómicos, estratégicos, operativos, generales, del paciente y brutos en imágenes (los datos brutos en imágenes son las imágenes obtenidas del paciente que no se procesan de ninguna forma, como tomografías y radiografías)
¿Cuál de esta información es la más importante?
Jerarquización de la información
Se llevó a cabo una encuesta cirujanos ortopedistas, en la que se dio a conocer un listado ítems los cuales fueron identificados en la sección anterior, que hacen referencia a tipos de información que puede llegar a requerir el cirujano en el procedimiento operatorio, se solicitó que el usuario jerarquizara los ítems de acuerdo a los siguientes niveles:
• Información primaria o esencial,
• Secundaria o útil
• Terciaria o de apoyo
¿Y los usuarios?
Requerimientos del usuario
Los requerimientos fueron establecidos mediante la realización de una entrevista con los usuarios directos, donde se indagó acerca de los aspectos generales de la intervención quirúrgica y necesidades del usuario en el procedimiento.
tales como:
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Elementos quirúrgicos
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Proceso de intervención quirúrgica
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Información mínima requerida durante el procedimiento quirúrgico
Ahora: ¿Por qué un dispositivo HMD montado en la cabeza?
Selección del sistema de visualización
Para esta etapa, se identificó que para la visualización en tiempo real de los datos existen diferentes tecnologías y aparatos electrónicos que permiten al cirujano desarrollar la cirugía (Sielhorst et al., 2008).
HMD
Proyección de superposición de imágenes
Cirugías asistidas
En la siguiente tabla, se muestra siete medios por los cuales se proyectan la información ya estructurada, en ellos se evalúa la coordinación mano ojo, la fusión de imágenes, la interacción 3D implícita, visualización estereoscópica y la capacidad multiusuario. La gran mayoría de sistemas de navegación para el quirófano, hacen uso de monitores o tabletas ya que son menos costosas y no presentan tantas limitaciones como los son las proyecciones en la piel o la implementación de guías virtuales directamente sobre la imagen artroscópica. Sin embargo, estos sistemas de visualización no son eficientes (Preim & Botha, 2014).
Se ha propuesto el sistema de visualización HMD, diferente a la óptica aumentada, ya que la información se visualiza en los dos lentes como si hubiese una pantalla al frente de los ojos del usuario (Abe et al., 2013). Este sistema permite una mejora en la coordinación mano ojo al tener en el mismo lugar la información que guía al cirujano para realizar las tareas requeridas en el flujo de la operación, así mismo permite la fusión de imágenes, contiene la manipulación 3D implícita; proporciona una visualización estereoscópica y da la opción de grabar desde la perspectiva del usuario. Al estar el dispositivo ubicado en la cabeza, las imágenes se proyectan en el ángulo de visión del usuario y estas no se ven afectadas por el movimiento de la cabeza; el tamaño del dispositivo y su ubicación libera el área de trabajo, da accesibilidad y movilidad tanto al cirujano como a su equipo. Por lo tanto, estas propiedades hacen del HMD una de las configuraciones más completas y adaptables al entorno quirúrgico.
¿Y, Cómo lo van a manipular los usuarios?
Selección de la técnica de interacción
Un factor importante es la autonomía del cirujano durante el procedimiento quirúrgico. Por lo tanto, al emplear una visualización en un dispositivo HMD es necesario seleccionar una técnica de interacción que permita proyectar la manipulación de la interfaz gráfica de usuario (Wiberg, 2016).
Así, se requiere identificar la técnica de interacción que se ajuste a sus necesidades; que permite cumplir con las normas de seguridad e higiene en el quirófano ya que el cirujano debe realizar el lavado de manos antes de ingresar al quirófano, para disminuir la flora bacteriana.
Microbios y bacterias malignas o patógenas, por contagio (directo o indirecto) pueden instalarse en el organismo del paciente en cantidad suficiente para producir una infección (Carlos, 2012), esto le impide tener contacto con objetos ajenos al procedimiento quirúrgico, como manejo de pantallas, teclados, mouse, etc.
Evaluación del dispositivo
Se realizó una evaluación del dispositivo Myo® y la interacción gestual tableros en el espacio de las gafas Meta® para determinar la manipulación de la interfaz gráfica en la RLCA de acuerdo a los siguientes criterios de usabilidad:
• Eficacia
• Eficiencia
• Satisfacción
El experimento consistía en realizar 3 actividades manipulando las diferentes técnicas de interacción. para ambos casos se dio a conocer la relación que tenía los gestos con las acciones.
Prueba con la pulsera MYO
Tableros de prueba en el espacio
Para la manipulación de la interfaz gráfica visualizada en el sistema de realidad aumentada HMD se seleccionó el dispositivo Myo® ya que es la herramienta que presenta el menor grado de dificultad en la memorización de los gestos, el menor tiempo en el desarrollo de las tareas y el menor cantidad de errores por parte del usuario.
¿Qué ruta tomar?
Flujo de trabajo del proceso quirúrgico
Se realizó un cardsorting cerrado a médicos ortopedistas, con el objetivo de conocer el flujo de trabajo y así organizar la información (Yusef et al., 2006).
Durante el desarrollo de esta actividad se entregó al cirujano diecinueve tarjetas con nombres de las acciones requeridas para la perforación de túneles tibial y femoral. El trabajo del usuario consistió en ordenar tales tarjetas de forma consecutiva de acuerdo a la secuencia que él las realiza habitualmente.
¿Y, funciona?
Pruebas de usabilidad
Se realizó la evaluación de la interfaz gráfica para los lentes de realidad aumentada Meta®, junto con la implementación del sistema de orientación de pantalla LED, con el fin de determinar si los atributos de las dos interfaces gráficas afectan la calidad de la experiencia del usuario durante la perforación del túnel. para la reconstrucción del ligamento cruzado anterior RLCA, de acuerdo con los siguientes criterios de usabilidad: eficacia, eficiencia y satisfacción, mediante el diseño y ejecución de una prueba.
Rendimiento de la prueba
Descripción de las actividades
La actividad consiste en la localización y perforación del túnel tibial y femoral simulando la reconstrucción del ligamento cruzado anterior.
para este proceso se utilizaron huesos artificiales.
Desarrollo de la actividad
El proceso de evaluación comenzó con la capacitación de los cirujanos ortopédicos sobre los indicadores que se encuentran en la interfaz, mediante la proyección de un video que demuestra la relación indicador-información.
Luego se procedió a explicar al participante la tarea a realizar, la creación de túneles para la reconstrucción del ligamento cruzado anterior, esta actividad se dividió en:
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identificación del instrumento a perforar,
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Identificar y ubicar el punto de entrada del túnel, y
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la orientación de la broca según el sistema mostrado
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finalmente, la identificación del avance de la perforación.
Métricas de usabilidad
Para la recolección de información se realizaron tres formularios, uno para la eficiencia, eficacia y satisfacción. El primero consta de la toma de tiempos de cada tarea, si el participante logra realizarla al primer intento y en el caso que no, se mira el número de intentos que realiza. El segundo consta del número de errores, intervenciones y solicitudes de ayuda y por ultimo para la satisfacción se realizó una encuesta en la que el participante calificaba los elementos de la interfaz gráfica de 1 a 5 siendo 1 en nivel más bajo junto con la calificación EVA del sistema en conjunto.
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Conclusiones
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Este trabajo se realizó en constante retroalimentación con usuarios y desarrolladores, lo que permitió obtener excelentes resultados en cuanto a la información a proporcionar.
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Se evidenció una optimización en la visibilidad de la interfaz, lo que también trajo consigo un aumento en la satisfacción de los usuarios, destacando los elementos de retroalimentación.
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Se evidenció una disminución en la curva de aprendizaje ya que la interfaz utilizaba un lenguaje intuitivo.
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Hubo un caso específicos en el ingreso de novedades de nomina en donde se observó que la velocidad media con la que ejecutaban la acción disminuyó en un 20%, esto se debe a que se propuso un flujo de la tarea diferente al ya establecido por el sistema actual, lo que generó que se detuvieran a analizar el orden de las entradas de información, sin embargo, la satisfacción aumento con respecto a esta actividad.
Reconocimientos
