Artigo_WTD_MateusDeL.. - Laboratório de Aplicações de

Definition, implementation and validation of haptic feedback
techniques for breast palpation examination
Mateus de Lara Ribeiro, Fátima de Lourdes dos Santos Nunes Marques
1
Laboratório de Aplicações de Informática em Saúde (LApIS)
Escola de Artes, Ciências e Humanidades
Universidade de São Paulo
São Paulo, Brasil
Abstract. Palpation exam is a procedure in which a health care professional
presses a specific region of a patient’s body with the fingers in order to detect
the presence of features and abnormalities under the skin. A simulator that
aids the training this procedure may contribute to the learning of the technique.
The main objective of the Master’s degree work proposed in this paper is to
develop a breast palpation simulator with haptic feedback. The results of a
Systematic Review showed that despite being a new area, there are already many
innovative works that received positive reviews. However, a gap exists regarding
the definition of techniques and force feedback parameters.
Resumo. O exame de palpação é um procedimento no qual um profissional da
saúde pressiona uma região especı́fica do corpo de um paciente com os dedos
a fim de detectar a presença ou ausência de caracterı́sticas e anormalidades
sob a pele. Um simulador que auxilie no treinamento deste procedimento pode
contribuir para o aprendizado da técnica. O objetivo principal do trabalho de
Mestrado proposto neste documento consiste em desenvolver um simulador de
palpação mamária com retorno háptico. Os resultados de Revisão Sistemática
mostraram que apesar de ser uma área recente, já existem muitos trabalhos
inovadores que receberam avaliações positivas. Contudo, existe uma lacuna no
que concerne à definição de técnicas e parâmetros de retorno de força.
1. Introdução
Aplicações que utilizam Realidade Virtual (RV) são oportunas para treinamento, pois
podem oferecer a interação em um Ambiente Virtual (AV), por meio de dispositivos convencionais e não convencionais [Nunes et al. 2011]. No âmbito de treinamento médico,
a RV oferece maior interatividade e informações mais concretas, cuja combinação resulta
em uma simulação mais real [Oliveira and Nunes 2010].
O exame de palpação de mama, que é a investigação sistemática do tecido
mamário por um clı́nico profissional, por meio do toque, em busca de nódulos
rı́gidos e irregulares, é uma das principais formas de exame para prevenir o câncer
[Petrie and Thomas 2007]. Estima-se que 70 a 90% dos nódulos de mama são encontrados pelo paciente, contudo os exames de palpação têm apresentado uma baixa taxa de
sensibilidade que varia de 39 a 59% [Shen and Zelen 2001], que pode estar relacionada à
ausência de treinamento ou a treinamentos ineficazes. Muitos profissionais mostram baixa
confiança em suas habilidades de exames de palpação de mama [Gerling et al. 2003]. A
partir destas premissas, o desenvolvimento de sistemas virtuais que ofereçam retorno de
força, possam ser modificados dinamicamente e não sofram desgastes por conta do uso, é
bastante encorajado.
2. Apresentação do problema
Uma revisão sistemática conduzida mostrou que, embora tenham sido desenvolvidos
muitos trabalhos, ainda não existe uma definição concreta a respeito dos parâmetros mais
realistas de retorno de força para simulação, pois a sensação de toque oferecida para os
dedos utilizados no exame - indicador, médio e anelar - não é considerada ideal. Esta lacuna é o principal objetivo deste trabalho, pois a delimitação correta dos parâmetros mais
realistas de retorno para o treinamento virtual certamente complementará as habilidades
dos usuários.
3. Trabalhos correlatos
Nos últimos anos, a simulação de palpação vem assumindo um papel de destaque nos
trabalhos da área de RV em Medicina, visto que o número de trabalhos do segmento é
crescente. Isto se deve ao fato de que o exame de palpação é um dos principais meios
de diagnóstico inicial de várias doenças, e, por isso, é empregado em simuladores de
diferentes competências médicas.
Apesar da importância deste assunto na área de RV para treinamento em saúde
e dos diversos trabalhos que existem na literatura, não foi encontrada na literatura uma
sistematização e categorização de técnicas e abordagens utilizadas. Somente o trabalho
de [Coles et al. 2011] foi encontrado, que contempla uma revisão sobre o estado da arte
dos simuladores com retorno háptico na área médica. Este trabalho fala das principais especialidades para as quais é adotada a simulação háptica, abordando de forma completa,
porém breve, os projetos desenvolvidos em cada uma das especialidades em questão,
como palpação, inserção de agulha, cirurgia, entre outras. Em relação a trabalhos que
realizam a palpação da mama, pode-se citar os trabalhos de Jeon e seus colaboradores
[Jeon et al. 2010] e [Jeon et al. 2012], os quais têm foco no exame de palpação da mama
utilizando realidade aumentada. Em [Alhalabi et al. 2005] é descrito o desenvolvimento
de um sistema para palpação da mama com vários dedos. Já McLaughlin e seus colaboradores [Mclaughlin et al. 2003] foram responsáveis pelo desenvolvimento de um sistema
de treinamento de exame de palpação da mama.
4. Proposta de solução com metodologia planejada
Para alcançar o objetivo proposto, esse projeto de pesquisa se dividirá nas atividades a
seguir:
1. Estudo das principais técnicas e parâmetros de retorno de força identificados na
revisão bibliográfica, analisando suas vantagens e desvantagens.
2. Estudo das caracterı́sticas da mama, para posterior implementação no simulador.
3. Implementação do mecanismo de retorno de força, aplicando as técnicas e
parâmetros definidos na fase anterior.
4. Desenvolvimento da interface e definição dos diferentes casos que serão disponibilizados no simulador para interação do usuário.
5. Realização de experimento de avaliação da ferramenta com profissionais da área
para avaliar as impressões do simulador.
6. Elaboração de artigos para conferências da área e composição da dissertação do
Mestrado.
5. Resultados Preliminares
Além de revisão bibliográfica sistemática, também foi feita a implementação de um
protótipo do simulador de palpação. O dispositivo háptico selecionado para utilização
no protótipo foi o Phantom Omni. O simulador aproveitou a estrutura fornecida
pelo ViMeT, um framework de RV orientado a objetos para treinamento médico, desenvolvido na linguagem Java, e que inclui objetos virtuais, junto das funcionalidades de deformação, detecção de colisão, estereoscopia e ambiente virtual dinâmico
[Oliveira and Nunes 2010].
Para calcular a força que deveria ser retornada pelo dispositivo háptico, foram
feitos os cálculos dos parâmetros para as porções da mama com e sem nódulo, derivados
do trabalho de Jeon e seus colaboradores [Jeon et al. 2010]. No protótipo foi adotado o
método massa-mola para o desenvolvimento da classe que gera a deformação.
Para fazer a validação do protótipo, foi conduzida uma avaliação do simulador
com quatro indivı́duos. O experimento consistiu na palpação da mama virtual com a
finalidade de encontrar o nódulo camuflado (Figura 1), o qual deveria ser identificado
por um retorno de força mais intenso, que deveria ser comunicado imediatamente, para
interrupção do experimento e aferição do tempo total do mesmo. A avaliação consistiu
na medição de tempo da ocorrência de uma colisão entre a mão virtual e o nódulo.
Figure 1. Simulação do exame de palpação da mama com a estrutura do nódulo
visı́vel (a) e invisı́vel (b).
Todos os indivı́duos conseguiram identificar a posição do nódulo corretamente
em todas as 12 sessões, o que fornece indı́cios de que o retorno de força para o nódulo
foi satisfatória, dado que usuários leigos foram capazes de diferenciá-lo somente através
da palpação. Os participantes destacaram a fácil interação com o dispositivo háptico e
sua representação no ambiente virtual, que ajudaram muito na imersão no AV. Contudo,
ressaltaram que o Phantom Omni talvez não fosse o dispositivo ideal para o treinamento
deste tipo de exame.
6. Conclusão
Este projeto de pesquisa tem por objetivo o desenvolvimento de um simulador de palpação
mamária com retorno háptico, cujo protótipo inicial apresentado neste trabalho foi capaz
de validar a importância e utilidade do mesmo na área. O uso de simuladores para treinamento de procedimentos médicos vem sendo cada vez mais encorajado, em razão dos
seus benefı́cios para os pacientes e vantagens para os profissionais da Medicina. O procedimento de palpação constitui um ato importante na detecção de muitas anomalias em
exames reais. Desta maneira, a proposta deste trabalho é realizar um estudo dos principais parâmetros e técnicas de retorno de força identificados a partir de uma revisão
sistemática, e a partir dos resultados de testes realizados com eles, definir quais serão
aplicados ao simulador, que será submetido a um experimento de avaliação com usuários,
para aprimoramento da ferramenta.
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