HoloNeoDoppler: Augmented Reality Training Application for Monitoring Cerebral Blood Flow in Infants

Abstract

I denne masteroppgaven utviklet vi HoloNeoDoppler, en simulering av NeoDoppler-proben, en ultralydprobe som brukes til å overvåke blodstrømmen i hjernen til nyfødte barn. Kraftige svingninger i denne blodstrømmen har blitt knyttet til intraventrikulære blødninger (IVH) og andre problemer i hjernene til for tidlig fødte barn. Formålet med HoloNeoDoppler er å lære opp medisinstudenter og medisinsk personell i å plassere NeoDoppler-proben korrekt, samtidig som de lærer grunnleggende konsepter for pulset Doppler-ultralyd. Prosjektet bygger på HoloUmoja, en tidligere masteroppgave skrevet av Nylund for simulering av obstetrisk Doppler-ultralyd.

Før brukerne interagerer med simuleringen får de servert informasjon om pulset Doppler-ultralyd. I selve simuleringen kan brukerne flytte på en etterligning av NeoDoppler-proben med fingrene sine for å treffe blodårer gjennom pannefontanellen. Blodårene er modellert med Bézier-kurver og innfallsvinkelen beregnes ved å finne skjæringspunkt mellom blodårene og en stråle sendt fra proben, samtidig som det tas hensyn til det justerbare dybdevinduet. I motsetning til HoloUmoja bruker denne simuleringen håndsporing og en fullstendig virtuell modell av subjektet, som kan legges oppå en fysisk modell. Ultralydstrålen endrer farge basert på innfallsvinkelen, og simulerte signaler vises på et realistisk spektrogram som endrer oppløsning basert på den justerbare pulsrepetisjonsfrekvensen (PRF). Spektrogrammet blir generert ved å legge til støy på en hastighetskurve for en reell blodstrøm, med bakgrunnsstøy for å få spektrogrammet til å se ekte ut.

Det ble avholdt brukertester med medisinstudenter (n=14) for å evaluere prosjektet. Testene verifiserte brukbarheten til simuleringen og åpenbarte noen områder som kunne forbedres i fremtiden. Alle deltakerne klarte å få Doppler-spektrogrammer som ble ansett som klinisk relevante av en sonografiekspert, og 12 av 14 fikk begge forsøkene sine godkjent. Testene bekreftet også at den pedagogiske ultralydinformasjonen hadde god læringsverdi.

In this master thesis, we developed HoloNeoDoppler, a simulation of the NeoDoppler probe that is used to monitor cerebral blood flow (CBF) in infants. Fluctuations in CBF are related to intraventricular hemorrhage (IVH) and other severe problems in the brains of babies that are born too early.

HoloNeoDoppler aims to train medical students and personnel in the proper placement of the NeoDoppler probe while educating them on fundamental concepts of pulsed wave (PW) Doppler ultrasound. It builds upon HoloUmoja, a simulation for obstetric Doppler ultrasound by Nylund.

Before interacting with the simulation, users are provided with information on various aspects of Doppler ultrasound. Within the simulation, users control a virtual probe using their hands, targeting the cerebral artery through the anterior fontanelle. The cerebral arteries are modeled using Bézier curves and tested for intersection with a ray projected from the probe to determine the insonation angle, while accounting for the adjustable depth window. Unlike HoloUmoja, this simulation uses hand tracking and a purely virtual model of the subject, which can be superimposed onto a physical model. The ultrasound beam responds to changes in signal and angle by changing color, while simulated ultrasound signals are displayed on a realistic spectrogram that changes resolution based on the chosen pulse repetition frequency (PRF). The spectrogram is generated from a snippet of an actual blood velocity curve and has background and signal noise to appear like a real spectrogram.

To evaluate the effectiveness of the project, user tests with medical students (n=14) were conducted. These tests verified the simulation's usefulness and revealed some points of improvement. All participants were able to capture Doppler spectrograms that were considered clinically relevant by an expert sonographer, with 12 out of 14 succeeding on both attempts. The tests also confirmed that the ultrasound information provided in the application was useful.