Background:​ High-fidelity medical simulators are widely implanted in surgical education programs because they are risk-free to patients and affordable. Moreover, they have similar learning transference capabilities from theory to reality compared to traditional training on a cadaver sample. However, it is impossible to maintain high fidelity without adding additional computing load. Therefore, the compromise between fidelity and user experience in medical simulators is still important.

Objectives:​ This project seeks to identify the virtual graphics requirements, in terms of computational complexity, to maintain the real-time virtual interactions between the user (trainee) and the simulator (trainer). There are three tasks to achieve this objective. First, to build a realistic visual feedback system for a high-fidelity medical simulator. Second, to examine the relationships between computational complexity and user experience. Third, to evaluate the user experience of the medical simulator.

Methods:​ Using images obtained from cadavers and actual patients as references, the author produced realistic textures to enhance the immersion of the trainees. Industry-standard software like Autodesk Maya and Substance Painter are involved in creating muscle surface colors and accurate geometric shape of bones. After completing a minimally invasive spine surgery on a cadaver, nine senior surgeons repeated the identical operation on a newly developed high-fidelity simulation training platform containing visual, audible and haptic feedback to simulate a laparoscopy surgery. The surgeons then immediately filled out a questionnaire that assessed the visual feedback of the internal and external textures based on their previous experience. In addition to the texture, the surgeons judged the mesh quality based on the number of nodes, which were built from five additional muscle models that displayed the cross-section area penetrated by the same tool as in the simulator.

Results:​ Overall, visual feedback was considered good and achieved high satisfaction. Concerning the number of nodes, 45% of participants indicated that there was no difference between the five models. The remaining 55% participants considered that the first two highest quality models best matched their experience. The number of nodes and the frame rate revealed a positive linear correlation (r² = 0.925) and the number of nodes had an impact on perception (p=0.02).

Conclusions:​ The model quality improves the reality of the simulated surgery, however it slows the refresh rate because of the extra computational complexity. This unique methodology suggests how much visual feedback compromise is needed to maintain real-time interactions. Future studies will serve to objectify this threshold.

Contexte:​ Les simulateurs médicaux haute-fidélité sont largement implantés dans les programmes de formation chirurgicale car ils sont sans risque pour les patients et abordables. En outre, il peut maximiser le transfert de l'apprentissage de la théorie à la réalité par rapport à la formation traditionnelle sur un échantillon de cadavre. Cependant, il est impossible de maintenir une haute-fidélité sans ajouter de charge de calcul supplémentaire. Par conséquent, le compromis entre fidélité et expérience d’utilisateur dans un simulateur médical est toujours important.

Objectifs:​ Construire un feedback visuel réaliste pour un simulateur médical hautefidélité. Deuxièmement, pour examiner les relations entre la complexité informatique et l'expérience utilisateur. Troisièmement, pour évaluer l'expérience utilisateur du simulateur médical.

Méthodes:​ À l'aide d'images de cadavres et de patients réels comme références, l'auteur a produit des textures réalistes pour améliorer l'immersion des stagiaires. Des logiciels standard comme Autodesk Maya et Substance Painter participent à la création de couleurs de surface musculaire et à la forme géométrique précise des os. Après avoir effectué une chirurgie de la colonne vertébrale minimalement-invasive sur un cadavre, neuf chirurgiens seniors ont répété l'opération identique sur une plateforme de formation par simulation haute-fidélité nouvellement développée contenant des commentaires visuels, sonores et haptiques pour simuler une chirurgie laparoscopique. Les chirurgiens ont ensuite immédiatement rempli un questionnaire qui évaluait la rétroaction visuelle de la texture interne et externe en fonction de leur expérience antérieure. En plus de la texture, les chirurgiens ont evalué la qualité du maillage en fonction du nombre de nœuds, qui ont été construits à partir de cinq modèles musculaires supplémentaires qui affichaient la zone de section transversale pénétrée par le même outil que dans le simulateur.

Résultats:​ Dans l'ensemble, les deux rétroactions visuelles ont été jugées bonnes et ont reçu un haut niveau de satisfaction. Pour le résultat de la qualité du maillage, 45% des participants ont indiqué qu'il n'y avait pas de différence entre cinq modèles. Les 55% de participants restants considéraient que les deux premiers modèles de la plus haute qualité correspondaient le mieux à leur expérience. Le nombre de nœuds et la fréquence d'images ont révélé une corrélation linéaire positive (r² = 0.925) et le nombre de nœuds a eu un impact sur la perception (p = 0.02).

Conclusions :​ La complexité du modèle améliore la réalité du modèle simulé, mais elle ralentit le taux de rafraîchissement en raison de la complexité de calcul supplémentaire. Cette méthodologie unique suggère combien de compromis de rétroaction visuelle est nécessaire pour maintenir les interactions en temps réel. De futures études serviront à objectiver ce seuil.