HoloUmoja: Augmented Reality training application for obstetric Doppler ultrasound

Abstract

Pulset (PW) Doppler ultralyd er en veletablert og bredt brukt teknikk for å undersøke graviditeter og termindato. Bruken av den blir mer utbredt ettersom ultralydmaskiner blir håndholdte og flere land går inn i utviklingsstadiet hvor flere utdannings- og helsemuligheter oppstår. I tillegg til ultralydmaskiner tar det flere år å bli dyktig i å gjennomføre ultralydundersøkelser, og det krever ressurser som en utdannet ultralydekspert, utstyr og en frivillig pasient. I denne studien foreslo vi bruk av en utvidet virkelighet (AR) applikasjon for å bidra med forståelsen av parametre som brukes i PW-Doppler ultralyd for å få et spektrogram av navlestrengen og for å utvikle ferdigheter som kreves for denne prosedyren. Doppler spektrogrammer simuleres ved å sende en syntetisk sinuskurve gjennom en Fourier-transformasjon, mens brukeren har muligheten til å justere ulike parametre (pulsrepetisjonsfrekvens (PRF), prøvetakingsdybde og stråle-til-strømningsvinkel). AR applikasjonen ble implementert i C# ved hjelp av Unity Engine for HoloLens 2 headset kombinert med en 3D printet mage og ultralydsonde, sporet ved bruk av Vuforia Engine Library. Rotasjonssporingen ble forbedret ved å kombinere bilde-basert sporing med rotasjonsendringer fra gyroskopet på en Arduino Nano 33 BLE. Den tekniske gjennomførbarheten av en slik applikasjon, samt sammenslåing av AR elementer og fysiske 3D printede objekter, var testet i to faser. Resultatene av HoloUmoja-applikasjonen ble samlet inn gjennom observasjoner under brukertesting, SPINE spørreskjema og tilbakemelding fra eksperter. Applikasjonen, som er visualisert i figuren over, har vist simulerings- og visualiseringsmetoder for prosedyren og mulige interaksjoner. Basert på ekspert-tilbakemeldinger har applikasjonen potensialet til å være et nyttig undervisningsverktøy for obstetrisk Doppler ultralyd.

Pulsed-Wave (PW) Doppler ultrasound is a well-established and widely used technique to monitor pregnancies and time-delivery. Its use is becoming more widespread, as the ultrasound machines are becoming hand-held and more countries are entering the developing stage where education and health opportunities emerge. In addition to the ultrasound hardware, it takes several years to become ultrasound proficient and requires resources such as the presence of a professional, ultrasound equipment, and a volunteering patient. In this study, we proposed the use of an augmented reality (AR) application to facilitate the understanding of parameters used in PW-Doppler ultrasound when acquiring a spectrogram of the umbilical cord and to develop the skills required for this task. Doppler spectrograms are simulated by parsing a synthetic sinus curve through a Fourier transform, while the user has the possibility of adjusting various parameters (pulse repetition frequency (PRF), sampling depth, and beam-to-flow angle). The AR application was implemented in C# using Unity Engine for HoloLens 2 headset combined with a 3D printed abdomen and ultrasound probe, tracked using Vuforia Engine Library. The rotational tracking was improved by combining the image tracking data with rotational changes from the gyroscope on an Arduino Nano 33 BLE. The technical feasibility of such an application, as well as the merging of AR elements and physical 3D printed objects, were tested in two phases. The results of the HoloUmoja application were collected through observations during user-testing, SPINE questionnaire, and feedback from experts. The application as seen in the figure above has shown simulation and visualisation methods of the procedure and provided possible interactions. Based on the expert feedback, the application has the potential to be a useful teaching tool for obstetric Doppler ultrasound.