Tesis:
Understanding the role of nontechnical skills in minimally invasive surgery and their integration in technology enhanced learning environments
- Autor: GUZMÁN GARCÍA, Carmen
- Título: Understanding the role of nontechnical skills in minimally invasive surgery and their integration in technology enhanced learning environments
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: TECNOLOGIA FOTONICA Y BIOINGENIERIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69221/
- Director/a 1º: GÓMEZ AGUILERA, Enrique J.
- Director/a 2º: OROPESA GARCÍA, Ignacio
- Resumen: In the last decade, minimally invasive surgery (MIS) has gained popularity due to its many benefits for patients. However, this increase in popularity implied that surgeons must acquire a different set of skills. As a result, surgical education shifted to provide learners with the necessary MIS skills, which are known to depend on the combination of various skill sets. These sets can be divided into five inter-related domains: (1) psychomotor skills, (2) declarative knowledge (3) interpersonal skills (4) personal resourcefulness and (5) advanced cognitive skills. Advancing on the definition of the necessary MIS skills has allowed to improve surgical education by incorporating technology focused on their training and assessment. How to best incorporate technology in education is part of a broader research area known as technology-enhanced learning (TEL). The purpose of this PhD is to define and integrate TEL-based methods for the training and assessment of nontechnical skills in MIS. To do that, a framework of MIS skills is proposed based on (1) pedagogical background on how to apply technology to cover MIS learning objectives, (2) skills’s definitions and relations to achieve a cross-modal training and assessment, and (3) temporality (i.e., the optimal time to train and assess MIS skills). Based on this framework, two experiments are proposed to prove the feasibility of new cross-modal objective training and assessment methods for (1) personal resourcefulness and psychomotor skills, and (2) declarative knowledge and advanced cognitive skills. The first experiment consists in evaluating stress and attention management (as part of personal resourcefulness) through monitoring ECG, GSR and gaze, and seeks to prove the relation between them and psychomotor skills (as obtained by the motion analysis parameters calculated by the EVA tracking system). The results show that (1) GSR and the acceleration of the surgical instrument are closely related to stress, (2) experts tend to fixate less when stress than nonexperts, and (3) there may be a link between psychomotor skills and personal resourcefulness. The second experiment consists in evaluating procedural skills and decision making through surgical workflow analysis (SWA), as obtained by an integrated system using endoscopic video and speech. The latter is especially relevant since it indicates that the verbalization of the surgical procedure’s steps could be associated to the cognitive processes taking place while operating. The integrated system obtained 0.912 F1 score, and the analysis of the workflow resulting from its predictions proved the feasibility of the proposed assessment system. Finally, a digital portfolio based on the framework which integrates the information obtained from multiple MIS skills’ information sources, is designed. The design proves that it might be feasible pull the information obtained from different sources together within a unified portfolio in which they can be uploaded and visualized, while adding assessment functionalities to help students reflect on their progress. Overall, this PhD corroborates the investigated research hypotheses regarding the integration of nonintrusive monitoring technologies in the educational OR to improve training and assessment of MIS nontechnical skills. New research fields in the training and assessment of MIS surgeons can be proposed based on these foundations, in order to contribute to the definition of structured and objective learning curricula that guarantee patient safety in the OR. ----------RESUMEN---------- En la última década, la cirugía de mínima invasión (CMI) ha ganado popularidad debido a sus múltiples beneficios para los pacientes. Sin embargo, este incremento de popularidad implica que los cirujanos deben obtener un conjunto de habilidades distinto a las de la cirugía tradicional. Este conjunto de habilidades puede subdividirse en varios grupos: conocimiento declarativo, gestión de recursos personales, habilidades psicomotoras, habilidades interpersonales, y habilidades cognitivas avanzadas. Para proporcionar a los cirujanos aprendices las habilidades necesarias, la educación quirúrgica evolucionó incorporando tecnologías centradas no solo en el entrenamiento sino también en la evolución de dichas habilidades. La mejor forma de incorporar la tecnología en el entorno quirúrgico forma parte de un área de investigación conocida como “aprendizaje mejorado por tecnologías” (TEL, por sus siglas en inglés). El objetivo de esta tesis doctoral es definir métodos basados en TEL para el entrenamiento y evaluación de las habilidades no-técnicas en CMI, e integrarlos para asegurar un entrenamiento completo de las competencias quirúrgicas necesarias. Para ello, se propone un modelo de habilidades basado en (1) contexto pedagógico, o cómo aplicar la tecnología para cumplir objetivos de aprendizaje, (2) definición de habilidades y sus relaciones para asegurar un entrenamiento y evaluación en varias habilidades simultáneamente, y (3) temporalidad para seleccionar el momento óptimo en el que entrenar y evaluar las habilidades quirúrgicas. Basado en este modelo, se proponen dos experimentos para evaluar la validez de métodos de entrenamiento y evaluación objetiva de varias habilidades. En concreto, se propone uno para la gestión de recursos personales y habilidades psicomotoras, y otro para conocimiento declarativo y habilidades cognitivas avanzadas. El primer experimento consiste en evaluar la gestión de estrés y atención (como parte de recursos personales) a través de la monitorización del ECG, GSR y seguimiento ocular, y busca probar la relación entre estos parámetros y las habilidades psicomotoras (cuyas métricas de evaluación se obtienen calculando parámetros a partir del análisis del movimiento del instrumental quirúrgico, gracias al sistema de seguimiento EVA). Los resultados muestran que (1) la media del GSR y la aceleración media del instrumental quirúrgico están relacionadas con el estrés, (2) los expertos tienden a fijar su vista menos cuando están estresados que los menos experimentados, y (3) puede haber una relación entre las habilidades psicomotores y la gestión de recursos personales. El segundo experimento consiste en evaluar las habilidades procedurales y de toma de decisiones a través del análisis del proceso quirúrgico, obtenido gracias a la implementación de un sistema de reconocimiento de fases quirúrgicas a través del análisis del vídeo endoscópico y la voz. Esta última es especialmente relevante, ya que indica que la verbalización de los pasos del procedimiento quirúrgico podría estar relacionada con los procesos cognitivos que ocurren durante la cirugía. El sistema de reconocimiento de fases obtuvo una puntuación F1 de 0.912, y el análisis del proceso resultante de las predicciones de dicho sistema probó la viabilidad del sistema de evaluación propuesto. Por último, se propone el diseño de un portfolio digital basado en el modelo de habilidades en CMI propuesto, en el que se integra la información obtenida de la evaluación en habilidades provenientes de distintas fuentes (p.ej., el resultado del proceso quirúrgico seguido a través del sistema anteriormente propuesto, los parámetros derivados del análisis de movimiento del instrumental quirúrgico, etc.). El diseño prueba que esta información puede efectivamente integrarse dentro de un mismo portfolio unificado en el que se puede visualizar los resultados del progreso, mientras se añaden funcionalidades para ayudar a los estudiantes a reflexionar sobre su progreso. En general, esta tesis doctoral corrobora las hipótesis propuestas acerca de la integración de tecnologías de monitorización no-intrusivas en el quirófano educativo para mejorar el entrenamiento y la evaluación de habilidades en CMI. Además, se proponen nuevas líneas de investigación para el entrenamiento y evaluación de los cirujanos en CMI basadas en el modelo de habilidades propuesto y en los resultados obtenidos en los experimentos. De esta forma se contribuiría a la definición de programas educativos estructurados y objetivos que garanticen la seguridad del paciente en el quirófano.