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Ultraschall Med 2014; 35(2): 95-97
DOI: 10.1055/s-0034-1366191
Editorial
© Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York

Virtual-reality Simulation-based Training in Ultrasound

Virtual-Reality-Simulations-basiertes Ultraschalltraining
L. Konge
1   Centre for Clinical Education, University of Copenhagen and the Capital Region of Denmark, Copenhagen, Denmark, lars.konge@regionh.dk
,
E. Albrecht-Beste
2   Department of Radiology and Nuclear Medicine, Gentofte Hospital, Copenhagen, Denmark, eab@dadlnet.dk
,
M. B. Nielsen
3   Department of Radiology, Rigshospitalet, Copenhagen, Denmark, mbn@dadlnet.dk
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Publication Date:
11 April 2014 (online)

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The traditional apprenticeship model is being challenged in medical education. The “see-one, do-one, teach-one” approach does not live up to the demands regarding efficient training and patient safety. Ultrasound imaging is traditionally considered safe but the quality of the exam is very operator-dependent due to its dynamic nature [1]. Highly skilled operators are essential as false negative findings could lead to inadequate investigation and treatment, and false positive findings might result in unnecessary interventions [2]. This is true in particular because sonographic competence is a basic requirement for US as a dialog-based examination [3]. Most trainees participate in defined ultrasound courses but specialized ultrasound examination expertise is mainly acquired in daily clinical practice [4] [5]. Fundamental problems are random occurrence of specific cases and also insufficient formalized supervision and feedback may occur due to scarce personnel resources [6]. Ultrasound diagnostics quality assurance is a main concern for the European Federation of Societies for Ultrasound in Medicine and Biology (EFSUMB) [7] [8]. However, the current training conditions are likely to impair the quality [9].

Virtual-reality (VR) simulation training has been mandatory in aviation for decades and is rapidly gaining importance in medical education. VR simulators have been developed for a multitude of different medical procedures, each consisting of a procedure-specific interface and a computer that generates images according to the movements of the user. A simulator has potential to deliver a safe, controlled and stress-free learning environment providing different performance scores as automatic feedback. Furthermore, standardized “patient”-cases allow for a systematic assessment of competence and simulation-based mastery learning [10]. A systematic review and meta-analysis of more than 600 papers found large effects of VR simulation for outcomes of knowledge, skills, and behaviors, but very few of these papers related to ultrasound simulators [11].

Several VR ultrasound simulators have become commercially available over the last years [12] [13] [14] [15] [16] [17]. A single system uses a haptic device to control the probe and the others use physical patient phantoms combined with electromagnetic tracking to track the position of the probe. The haptic device allows measuring the force that is applied but has a limited working range making probe movements less realistic. Electromagnetic tracking allow a greater range of motion on the patient phantom but the absence of haptics makes it possible to generate simulated images without actually touching the phantom. Furthermore, image deformation as a result of pressure applied to the “patient” is not simulated. The simulators use two different methods to generate images: interpolative or generative model-based. Interpolative simulation creates 2-dimensional ultrasound images from previously recorded 3-dimensional volumes acquired from real patients. It is relatively easy to acquire many different cases with very realistic images, but it is difficult to simulate view-dependent artifacts correctly. Generative model-based simulation uses manually generated computer models to create images, which makes detailed 4-dimensional simulation possible, e. g. echocardiography. However, the images are less realistic (“cartoon-like”) and building multiple cases is very time consuming [18]. No simulator will ever be 100 % realistic and which simulator(s) to acquire depends largely on personal preferences and should be guided by thorough testing before purchase.

Unfortunately, there is a paucity of high-quality scientific studies exploring the effects of the different VR ultrasound simulators. A recent systematic review only identified 14 articles and half of these were prospective non-controlled studies [19]. Only five of 14 studies contained evaluation of a study population – two of these used randomization. Another serious limitation concerning the available literature is that the vast majority of studies explored training-related skills acquisition in the same simulated environment, i. e. training on a simulator improves performance on that simulator. Caution has to be used before generalizing these results: Whether the improvement can be directly transferred into daily clinical practice is doubtful. There is a huge need for high-quality psychometric studies gathering validity evidence concerning the different simulators and for randomized controlled trials (RCTs) exploring the effect of ultrasound simulator training. Performing RCTs in medical education poses several challenges [20]. A comparison between intervention and no intervention is meaningless as any kind of training is likely to be better than no training at all. Due to the limited number of physicians it can be difficult to identify a sizable, homogenous group of equally experienced trainees waiting to learn ultrasound diagnostics. Furthermore, special attention must be paid to the outcome parameters used to examine the effect of different training regimens. Reliable and valid assessment instruments should be used [21] [22] and blinded, video-based assessment should be preferred over direct observation to reduce bias [23].

Overall, VR simulator training has a huge potential to improve training and education in ultrasound. Ultrasound simulators could be used in a highly standardized learning curriculum consisting of repetitive training on selected cases of increasing difficulty, including controlled exposure to rare cases. By providing automatic feedback the simulators can reduce the time that experts have to be present although they can never completely replace skilled supervisors. Finally, simulation-based tests including credible pass/fail standards may aid in the certification of future ultrasound operators [24]. However, it is important to realize that the existing literature does not justify the huge organizational and financial investments that are necessary to make simulator training and certification a mandatory part of the education of future ultrasound operators. Implementation should be preceded by research focusing on the quality of simulator feedback, the reliability and validity of simulation-based tests, and the transfer of acquired skills into clinical practice.

In der medizinischen Lehre wird das herkömmliche Ausbildungskonzept zunehmend hinterfragt. Der Grundsatz „See one, Do one, Teach one“ wird den Anforderungen einer effizienten Schulung und der Patientensicherheit nicht gerecht. Traditionsgemäß wird die Sonografie als unbedenklich angesehen, die Untersuchungsqualität ist jedoch aufgrund der Dynamik sehr stark vom Bediener abhängig [1]. Gut ausgebildete Anwender sind äußerst wichtig, da falsch negative Befunde zu unangemessenen Untersuchungen und Behandlungen führen und falsch positive Befunde unnötige Eingriffe nach sich ziehen können [2]. Dies gilt insbesondere auch weil das sonografische Können eine grundlegende Voraussetzung für den US als dialogische Untersuchung darstellt [3]. Die meisten Praktikanten nehmen an Ultraschallkursen teil, das für sonografische Untersuchungen notwendige Können wird jedoch überwiegend in der täglichen Routine erworben [4] [5]. Grundlegende Probleme dabei sind die fehlende Expertise in seltenen und schwierigen Fällen, aber auch die mangelnde Aufsicht und Rückmeldung, die durch knappe Personalressourcen entstehen können [6]. Die Sicherung der Qualität der Ultraschalldiagnostik ist das Hauptanliegen der „European Federation of Societies for Ultrasound in Medicine and Biology“ (EFSUMB) [7] [8]. Allerdings wird diese Qualität vermutlich durch den gegenwärtigen Situation in der Ausbildung beeinträchtigt [9].

Das Virtual Reality (VR) Simulationstraining, das in der Luftfahrt seit Jahrzehnten verpflichtend ist, hat in der medizinischen Ausbildung zunehmend Bedeutung erlangt. Für eine Vielzahl medizinischer Anwendungen wurden VR-Simulatoren entwickelt, die jeweils aus einer produktionsspezifischen Schnittstelle und einem Computer bestehen, der die Bilder nach den Bewegungen des Anwenders generiert. Der Simulator ermöglicht eine sichere, kontrollierte und stressfreie Lernumgebung und erstellt verschiedene Durchführungsscores als automatisches Feedback. Darüber hinaus ermöglichen standardisierte Patientenfälle eine systematische Bewertung der Fähigkeiten und eine simulationsbasierte Beherrschung des Erlernten [10]. Nach einer systematischen Übersichtsarbeit und Metaanalyse von über 600 Publikationen zeigte die VR-Simulation große Auswirkungen auf die Outcome-Parameter Wissensstand, Fähigkeit und Verhalten, allerdings beziehen sich nur wenige Arbeiten auf sonografische Simulatoren [11].

Während der letzten Jahre sind verschiedene VR-Ultraschallsimulatoren auf den Markt gekommen [12] [13] [14] [15] [16] [17]. Nur ein einziges System verwendet eine haptische Vorrichtung, um die Sonde zu kontrollieren, alle anderen benutzen physikalische Phantompatienten und elektromagnetisches Tracking, um die Position der Sonde zu ermitteln. Die haptische Vorrichtung ermöglicht die Bestimmung der angewandten Stärke, hat jedoch einen begrenzten Arbeitsbereich, durch den die Bewegungen der Sonde weniger realistisch werden.

Das elekromagnetische Tracking erlaubt eine größere Vielfalt an Bewegungen am Phantompatienten, aber das Fehlen der Haptik kann dazu führen, dass simulierte Bilder erzeugt werden, ohne das Phantom tatsächlich zu berühren.

Außerdem wird die durch Änderung des Auflagedrucks des Transducers verbesserte Bildqualität oder Detaildarstellung nicht simuliert. Die Simulatoren verwenden zwei verschiedene Verfahren der Bilderzeugung: Die interpolative und die generativ-modellbasierte Methode. Die interpolative Simulation erzeugt 2-dimensionale sonografische Bilder von bereits aufgenommenen 3-dimensionalen Volumina echter Patienten. Es ist relativ einfach, viele verschiedene Fälle mit sehr realistischen Bildern aufzunehmen, aber es ist schwierig, die blickabhängigen Artefakte korrekt zu simulieren. Die generativ-modellbasierte Simulation benutzt für die Bilderzeugung generierte Computermodelle, die eine detaillierte 4-dimensionale Simulation ermöglichen, wie z. B. die Echokardiografie. Allerdings sind diese Bilder weniger realistisch („comic-artig“) und es ist sehr zeitaufwändig eine Vielzahl von Fällen daraus zu erschaffen [18]. Kein Simulator wird zu 100 % realistisch sein und welche Simulatoren zum Einsatz kommen hängt sehr von den persönlichen Vorlieben ab und sollte vor dem Kauf eingehend überprüft werden.

Leider gibt es sehr wenige hochqualifizierte wissenschaftliche Studien, die den Wert verschiedener VR-Ultraschallsimulatoren untersuchen. Eine kürzliche systematische Übersichtsarbeit benennt nur 14 Publikationen, von denen die Hälfte prospektive nichtkontrollierte Studien waren [19]. Nur fünf der 14 Studien – davon zwei mit Randomisierung – schlossen die Auswertung einer Studienpopulation mit ein. Eine weitere große Einschränkung bei der zur Verfügung stehenden Literatur besteht darin, dass die überwiegende Mehrheit der Studien den Erwerb von trainingsrelevanten Fähigkeiten in derselben simulierten Umgebung untersuchte, z. B. ob das Simulatortraining zu einer Verbesserung der Untersuchung am gleichen Simulator führt. Man sollte Vorsicht walten lassen, bevor man diese Ergebnisse generalisiert: Ob die Fortschritte tatsächlich auf die tägliche Routine übertragen werden können ist zweifelhaft. Hochqualifizierte psychometrische Studien werden dringend benötigt, um stichhaltige Beweise in Bezug auf die verschiedenen Simulatoren zu sammeln. Ebenso braucht es dringend randomisierte und kontrollierte Studien (RCTs), die die Auswirkung des sonografischen Simulationstrainings untersuchen. Die Durchführung von RCTs in der medizinischen Ausbildung stellt verschiedene Anforderungen [20]. Vergleiche mit und ohne „Intervention“ sind wertlos, da jede Art der Schulung besser ist, als deren Fehlen. Aufgrund der begrenzten Zahl an Ärzten kann es schwierig sein, eine ausreichend große und homogene Gruppe von Ärzten mit vergleichbarem Wissensstand zu finden, die die Ultraschalldiagnostik erlernen möchten. Darüber hinaus sollte spezielles Augenmerk auf die Ergebnis-Parameter gelegt werden, um den Wert verschiedener Schulungskonzepte zu untersuchen. Verlässliche und gültige Bewertungsinstrumente sollten Eingang finden [21] [22] und die verblindete, videobasierte Auswertung sollte einer direkten Beobachtung vorgezogen werden, um ein Bias zu vermeiden [23].

Insgesamt hat das VR-Simulatortraining ein sehr großes Potenzial, die Aus- und Weiterbildung in der Sonografie zu verbessern. Ultraschallsimulatoren könnten Teil eines hochstandardisierten Lehrplans werden, der ein wiederholtes Training mit ausgewählten Fällen und steigendem Schwierigkeitsgrad sowie die kontrollierte Auseinandersetzung mit seltenen Fällen beinhaltet. Durch die Verwendung des automatischen Feedbacks können die Simulatoren die Zeit verkürzen, in denen Experten anwesend sein müssen, wenn gleich diese nie vollständig den qualifizierten Supervisor ersetzen können. Letztlich könnten simulationsbasierten Teste, die bewertbare „pass/fail“-Standards beinhalten, für die Zertifikation zukünftiger Ultraschallanwender von Nutzen sein [24]. Allerdings ist es wichtig sich zu verdeutlichen, dass der gegenwärtige Stand der Literatur nicht die großen organisatorischen und finanziellen Investitionen rechtfertigt, die für eine verpflichtende Umsetzung des Simulatortrainings und der Zertifikation in der Aus- und Weiterbildung zukünftiger Ultraschallanwender erforderlich sind. Die Einführung sollte vorangetrieben werden, indem sich die Forschung auf die Qualität des Simulator-Feedbacks, auf die Verlässlichkeit und den Wert der simulationsbasierten Teste und auf die Übertragung der gewonnenen Fertigkeiten auf die klinische Praxis konzentriert.