Laparoscopische chirurgie op de Wii

Een toelichting op visie, onderzoek en praktijk

Laparoscopie, ook wel minimaal-invasieve of kijk(buis) chirurgie, is een veelgebruikte techniek die sinds de tweede helft van de vorige eeuw een grote vlucht heeft genomen (Nano, 2012). Bij een laparoscopische ingreep creeërt de chirurg een werkruimte door de buikholte van een patiënt met koolstofdioxidegas op te blazen. Vervolgens worden via kleine sneetjes in de buikwand een camera en lange instrumenten in de buikholte gebracht om daar vervolgens mee te kunnen opereren. Bekende voorbeelden van laparoscopische ingrepen zijn de blindedarm- en galblaasverwijdering, waarbij het desbetreffende orgaan uiteindelijk via een sneetje in de navel wordt verwijderd. Vanwege de voortschrijdende techniek is het aantal verschillende chirurgische, gynaecologische en urologische operaties dat laparoscopisch kan worden uitgevoerd de laatste decennia exponentieel toegenomen. Hoewel de gepromote voordelen, zoals kleinere littekens en een kortere opnameduur, van laparoscopie ten opzichte van conventionele (open) chirurgie niet altijd even duidelijk aanwezig zijn (Keus, 2006), is minimaal-invasieve chirurgie inmiddels bij tal van operaties toch de standaard geworden.

Ondanks het feit dat laparoscopie op het eerste gezicht vrij simpel lijkt - bij de patiënt resteren uiteindelijk slechts een aantal, nauwelijks zichtbare littekentjes - worden veel ingrepen door experts bestempeld als "lastig" en kent de techniek in het algemeen een vrij stijle leercurve (Kumar & Gill, 2006). Dit heeft te maken met een aantal zaken. Allereerst dient de chirurg zich tijdens een laparoscopische ingreep te focussen op een beeldscherm dat voor hem hangt; de actie die zich in de buik afspeelt wordt dus op een andere plek, met een bepaalde vergroting en dikwijls vanuit een andere hoek weergegeven. Een tweede obstakel is de zogenaamde inverse bewegingen. Wanneer je bijvoorbeeld een instrument buiten de buik naar links beweegt, dan zal deze door de scharnierende werking van de buikwand in de buik (en dus ook op het scherm) naar rechts bewegen. Dit wordt nog eens extra bemoeilijkt door het zogenaamde "fulcrum effect"; hoe verder je een instrument door de buik steekt, des te groter de uitslagen van je bewegingen worden en vice versa. Een andere, bekende hindernis is het "tweedimensionale" scherm, waardoor het correct inschatten van diepte voor met name de beginnend chirurg lastig is.

Om deze vaardigheden, de anatomie en de procedure zelf te trainen wordt al meer dan tien jaar gebruik gemaakt van Virtual Reality simulatoren (Cooper & Taqueti, 2004). Bekende voorbeelden zijn de LapMentor II (Simbionix, Cleveland, Verenigde Staten) en de SIMENDO (DelltaTech, Delft, Nederland). Via speciaal ontwikkelde controllers in de vorm van laparoscopische instrumenten kan de gebruiker oefeningen doen en zelfs operaties nabootsen in een virtuele patiënt. Het wordt bewezen geacht dat oefening met dergelijke simulatoren een significante verbetering in de prestaties van beginnend laparoscopisch chirurgen teweeg kan brengen (Grantcharov, 2004). Toch is de ervaring in het Universitair Medisch Centrum Groningen (UMGC) dat dergelijke apparaten nauwelijks worden gebruikt. Een duidelijke reden hiervoor is niet met zekerheid vast te stellen, maar navraag bij arts-assistenten in op opleiding tot chirurg (AIOS) leert ons dat de simulatoren ondanks hun redelijk goede besturing en realistische graphics vrij plastisch en vooral "saai" zijn. Het is de herhaalde, niet verrassende handeling die de simulator oninteressant maakt, in tegenstelling tot video games, die juist aantrekkelijk blijven vanwege een zekere onvoorspelbaarheid. Terwijl de AOIS keer op keer dezelfde galblaasoperatie herhalen, beginnen ze zich tevens te ergeren aan de kleine bugs in de programmatuur en de onrealistische, niet effectief bewezen force feedback (Thompson, 2011). De simulatoren staan daarnaast achter slot en grendel in een totaal ander gebouw op het ziekenhuisterrein, waardoor de drempel om "even te gaan oefenen" hoog is. Resultaat is een mooi arsenaal aan peperdure apparaten dat helaas weinig anders doet dan stof vergaren.

Om het oefenen van eerder genoemde, puur technische, basisvaardigheden leuker te maken is Cutting Edge Games, een samenwerkingsverband tussen het UMCG, het Wenckebach Instituut, game developer Grendel Games, het Medisch Centrum Leeuwarden (MCL) en het Leeuwarden Institute of Micro-Invasive Surgery (LIMIS), begonnen met de ontwikkeling van een serious game voor de Nintendo Wii. Het is nadrukkelijk niet het doel om de simulator te vervangen - anatomische en procedurele kennis komen niet aan bod - maar juist om deze aan te vullen. De gedachte is dat AIOS vaker en langer zullen oefenen wanneer het spel wordt geplaatst in veelbezochte ruimtes, zoals de assistentenkamer, en uitdagender en competitiever wordt dan een normale simulator. We hopen hierdoor dat AIOS de basisvaardigheden nog beter beheersen op het moment dat zij daadwerkelijk hun eerste patiënten opereren.

Games en laparoscopie

Het gebruik van video games voor het trainen van laparoscopische basisvaardigheden is geen nieuw concept. Acht jaar geleden lieten Rosenberg et al. vijf geneeskundestudenten twee weken lang spelen met games naar eigen keus (gemiddeld 6,2 uur in totaal). Vervolgens werden hun laparoscopische vaardigheden getest in een diermodel. Ten opzicht van een controlegroep, zes studenten die twee weken geen games hadden gespeeld, vond men geen verschil (Rosenberg, 2005). Uit een tweetal grotere, uitgebreidere studies van Schlickum et al. bleek echter dat chirurgische leken, die vijf weken lang, vijf dagen minstens een half uur een first person shooter hadden gespeeld - een van de gebruikte titels was Half-Life voor de PC - significant beter scoorden op een laparoscopie simulator dan een controlegroep (Schlickum, 2008; Schlickum, 2009.) Sadandanan et al. lieten zien dat 10 minuten spelen met een consoleversie van Super Monkey Ball al resulteert in een tijdelijke verbetering in prestaties op een analoge simulator (Sadandanan, 2008). Eenzelfde korte termijneffect zag men ook bij chirurgische leken die tien minuten met een mobiele, bewegingsgevoelige telefoonversie van Super Monkey Ball hadden gespeeld (Plerhoples, 2011). Daarnaast zijn er aanwijzingen dat mensen met veel game-ervaring van nature beter en sneller presteren op laparoscopie simulatoren en dus mogelijk ook beter opereren (Grantcharov, 2003. Rosser, 2007. Schlickum, 2009.). Deze studies laten zien dat het spelen van driedimensionale games, waarin de speler onbewust leert omgaan met ruimtelijke oriëntatie in een virtuele wereld, op zowel de korte als de lange termijn bij kunnen dragen aan het verbeteren van laparoscopische basisvaardigheden.

In 2010 publiceerden Bokhari et al. een artikel waarin zij beschreven hoe laparoscopische vaardigheden kunnen worden verbeterd door middel van een speciaal ontworpen Wii Remote houder en het balansspel Marble Mania, in Europa bekend als Kororinpa (Bokhari, 2010). De zelfontworpen add-on bestond uit een plastic Wii Remote omhulsel met aan een voorzijde een staaf die door in een gat in een staande houder wordt gestoken. Op deze manier wordt een laparoscopisch instrument nagebootst; de lange staaf staat gelijk aan de lange laparoscopisch instrumenten en het gat dient als insteekopening in de buikwand. In een dergelijke opstelling is het mogelijk om de "natuurlijke" bewegingen van een laparoscopische ingreep na te bootsen terwijl de speler slechts een spelletje speelt. Nadelen zijn het ontbreken van daadwerkelijke instrumenten - de speler roteert slechts een spelwereld waar een knikker doorheen moet rollen - en het feit dat je maar een arm tegelijkertijd kan oefenen.

Speciaal ontwikkelde hard- én software

De Wii Laparoscopy is de eerste serious game op het gebied van laparoscopie waarvoor de hard- én software speciaal wordt ontwikkeld. In het spel zelf bestuurt de speler twee grote robotarmen, net zoals een chirurg twee instrumenten bestuurt tijdens een laparoscopische ingreep. Het doel is om in de vele, gevarieerde levels een aantal robotjes door een mijn te leiden. Door middel van de robotarmen kan de speler de spelwereld vervolgens manipuleren. Hierbij wordt gebruik gemaakt van verschillende gereedschappen, vergelijkbaar met de instrumenten van een chirurg. Zo is het onder andere mogelijk om voorwerpen te verplaatsen, leidingen dicht te knijpen, ijs weg te smelten, kranen open te draaien en vijanden een schok te geven. De gameplay bestaat dus niet alleen uit behendigheid, zoals bij oefeningen op simulatoren, maar ook uit actie en puzzels.

doorsnede Wii larascopy gun Figuur 1: een doorsnede van een laat stadium prototype van de controllerhuls

Bij de ontwikkeling van de hardware zijn verschillende concepten uitgebreid getest. Het eerste prototype van de Wii Laparoscopy bestond uit een logge opstelling met twee, op laparoscopisch instrumenten lijkende handgrepen waar de Wii Remotes parallel aan verbonden waren. Voor de positiebepaling van de robotarmen op het scherm werd gebruik gemaakt van de Wii Remote Plus techniek, een door Nintendo ontwikkelde add-on voor de normale Wii Remote die door middel van een drietal gyroscopen de positie van de controller nog beter zou moeten bepalen. Dit ontwerp is aan de kant geschoven omdat de Wii Remote Plus tijdens het spelen steeds meer uit het lood liep en hierdoor té vaak opnieuw gecalibreerd moest worden.

Wii Laparoscopy hardware Figuur 2: één van de laatste versies van de Wii Laparoscopy hardware

Uiteindelijk is gekozen voor een opstelling die gebruik maakt van de infrarood camera die aan de voorzijde van de Wii Remote zit. De speler bestuurt het spel door middel van twee Wii Remotes en Nunchuks, die in een speciaal ontwikkelde huls worden geplaatst (figuur 1). Net zoals bij het ontwerp van Bokhari et al. steekt er een lange staaf uit de huls, die in dit geval door een kleine roeidol op de basisplaat wordt gestoken (figuur 2). Via een mechanische overbrenging wordt de beweging van het tangetje doorgegeven aan de joystick op de Nunchuk; zo kunnen de klauwen van de robotarmen traploos worden geopend en gesloten. De basisplaat dient op een tafel te worden geplaatst, zodat de speler, net als een chirurg, moet staan tijdens het spelen. Op de basisplaat bevinden zich vier infrarood LEDs die van stroom worden voorzien door twee AA batterijen. De Wii Remotes pikken dit infrarode signaal op en bepalen vervolgens hun positie ten opzichte van de LEDs. Hierdoor is het mogelijk om de positie van de Wii Remote vrij nauwkeurig te linken met die van de robotarmen op het scherm. Deze optische techniek blijkt uit intern onderzoek op veel fronten veel nauwkeuriger dan bestaande, mechanische simulatoren en vereisen géén calibratie.

Valideren is belangrijk

Om de Wii Laparoscopy daadwerkelijk in te kunnen zetten voor het trainen van laparoscopische basisvaardigheden dient het spel gevalideerd te worden. Dit houdt in dat er uitgebreid wetenschappelijk onderzoek nodig om is te kunnen zeggen of de Wii Laparoscopy in eerste instantie wel de juiste dingen meet, en ten tweede, of oefenen daadwerkelijk het beoogde effect heeft. Op het gebied van laparoscopie is dit valideren van simulatoren inmiddels gemeengoed geworden (Carter FJ, 2005). Voor de volledigheid is het belangrijk dat een simulator eerst als meetinstrument wordt gevalideerd, samengevat test validity genoemd. Hiermee wordt gekeken of de game meet wat het zou moeten meten (Kato PM, 2013). Oftewel; zeggen de scores die spelers halen daadwerkelijk iets over hun kwaliteit als laparopisch chirurg? De test validity wordt in het algemeen onderverdeeld in een viertal subvaliditeiten; face, content, construct en concurrent validity.

Bij de eerste twee validiteiten worden respectievelijk het uiterlijk/de besturing en de medische inhoud geëvalueerd door grote groepen experts te vragen naar hun mening over deze onderwerpen. Als bijvoorbeeld honderd chirurgen zeggen dat het spel qua hardware en softwarematige besturing niet aanvoelt als een daadwerkelijke laparoscopische ingreep, dan mag je er als onderzoeker ook vanuit gaan dat dit niet zo is. Omdat het spel bewust geen medische inhoud heeft, valt te betwisten of de content validity in ons specifieke geval überhaupt getest dient te worden. Bij de construct validity kijkt men naar het verschil tussen scores van leken en experts. Als een controlegroep zonder ervaring met laparoscopie gelijke of zelfs hogere scores haalt dan een groep ervaren chirurgen, dan klopt er iets niet. Bij een spel dat bedoeld is om chirurgische vaardigheden te trainen mag je immers verwachten dat chirurgen direct een topscore halen. Zo niet, dan meet je geen chirurgische vaardigheid, maar kennelijk iets anders, zoals bijvoorbeeld behendigheid in video games in het algemeen. De laatste test, de concurrent validity, sluit aan bij dit gedachtegoed. In dit geval neem je echter niet zomaar aan dat chirurgen goed zijn in laparoscopie, maar is het de bedoeling dat je de beoogde vaardigheid eerst meet met een reeds gevalideerde standaard test. In het geval van laparoscopie zou je de FLS test, een veel gebruikt meetmethode die in de VS word gebruikt om te bepalen of een chirurg überhaupt laparoscopisch mag opereren, kunnen gebruiken (Fried GM, 2008). Tussen de score op deze test en de score van de game zou een hoge correlatie moeten bestaan; mensen die goed zijn op de bestaande chirurgentest zouden in theorie ook goed moeten zijn met het spel en vice versa. Een lage correlatie zou in dat geval betekenen dat het spel in werkelijkheid weinig te maken heeft met laparoscopische basisvaardigheden. Het is dus belangrijk dat de onderzoeker goed nadenkt de te testen vaardigheid en de daarbijhorende gouden standaard.

Wanneer een spel of een simulator een bewezen test validity heeft, dan hoeft dit nog niet direct te betekenen dat het daadwerkelijk in staat is om laparoscopisch vaardigheden te verbeteren. Om dit te bewijzen is verder, experimenteel onderzoek nodig, waarin middelse hard begin- en eindpunten moet aangetoond dat de beoogde doelgroep daadwerkelijk baat heeft bij het spelen van de game. Dit wordt dan ook wel de experimental validity genoemd. Een mogelijke manier om dit aan te tonen is om beginnende AIOS in te delen in twee verschillende groepen; een blanco groep, die het normale trainingsproces doorloopt, en een interventiegroep, die naast de normale training een Wii mét Wii Laparoscopy mee naar huis krijgt. Aan het begin van de studie wil je van ieder individu weten hoe goed hij of zij in laparoscopie is. Dit kan je theoretisch doen door ze onvoorbereid op een patiënt te laten opereren en ze hierop te beoordelen, maar ethisch én scoretechnisch gezien is het handiger om een nulmeting te doen met een reeds gevalideerde simulator of de voorheen genoemde FLS test. Deze test kan je vervolgens op verschillende momenten tijdens de opleiding van de AIOS herhalen om zo het effect van de "interventie", de Wii Laropscopy, te evalueren. Uiteraard zit er een aantal haken en ogen aan bovenstaande voorbeelden, maar het geeft simpele schets van hoe onderzoek naar de validiteit van de Wii Laparoscopy, maar ook van serious games in het algemeen er onzes inziens uit zou moeten zien.

De toekomst

In eerdere stadia trok het project ondere de aandacht van de NOS, die een kort item in hun achtuurjournaal aan de Wii Laparoscopy wijdden (Hogervorst M, 2012). Een kleine delegatie van het ontwikkelteam bezocht later dat jaar het hoofdkantoor van Google om met dezelfde tech demo een befaamde TechTalk te geven (Goris J, 2012). Op moment van schrijven bevindt de huidige versie van de Wii Laproscopy zich in het beta stadium. De hard- en software beginnen hun definitieve vorm te krijgen, maar zijn nog niet representatief genoeg om te tonen, onder andere vanwege de conversie naar de grafisch sterkere Wii U. Zodra de puntjes op de i zijn gezet zullen de eerst beelden worden vrijgegeven. Het streven is om de Wii Laparoscopy in 2013 op de markt te brengen. Het spel zelf, dat ook zonder de speciale hardware te spelen zal zijn, zal voor de "prijs van een normale game" in de winkels komen te liggen. Over de aanschafprijs van de hardware kunnen we op dit moment geen uitspraken doen. Alhoewel eerdere versies van de game in (nog ongepubliceerd) onderzoek de test validity proeven hebben doorstaan, zullen we het eindproduct nogmaals testen, zodat we zeker weten dat we ons doel - een makkelijk beschikbare game waarmee laparoscopische basisvaardigheden op een leuke manier kunnen worden getraind en onderhouden - hebben verwezenlijkt.

Referenties

Bokhari R, Bollman-McGregor J, Kahoi K, Smith M, Feinstein A & Ferrara J. (2010) Design, development, and validation of a take-home simulator for fundamental laparoscopic skills: using Nintendo Wii for surgical training. Am Surg. 2010 Jun;76(6):583-6.
Cooper JB & Taqueti VR. (2004) A brief history of the development of mannequin simulators for clinical education and training. Qual Saf Health Care. 2004 Oct;13 Suppl 1:i11-8.
Fried GM. (2008) FLS assessment of competency using simulated laparoscopic tasks. J Gastrointest Surg. 2008 Feb;12(2):210-2.
Grantcharov TP, Bardram L, Funch-Jensen P & Rosenberg J. (2003) Impact of hand dominance, gender, and experience with computer games on performance in virtual reality laparoscopy. Surg Endosc. 2003 Jul;17(7):1082-5.
Grantcharov TP, Kristiansen VB, Bendix J, Bardram L, Rosenberg J & Funch-Jensen P. (2004) Randomized clinical trial of virtual reality simulation for laparoscopic skills training. Br J Surg. 2004 Feb;91(2):146-50.
Goris J, Ten Cate Hoedemaker HO & Laning T. (2012) SeriousGames@Google: Playing Surgery - A Laparoscopy Game for Surgeons on the Nintendo Wii. Online beschikbaar: http://www.youtube.com/watch?v=rpSvDvYvJGk
Hogervorst M. (2012) Wii-game voor chirurgen. NOS Journaal. 12 May 2012. Online beschikbaar: http://nos.nl/artikel/372438-wiigame-voor-chirurgen.html
Kato PM. (2013) What do you mean when you say your serious game has been validated? Experimental vs. Test Validity. Online beschikbaar: http://pamkato.com/2013/04/25/what-do-you-mean-when-you-say-your-serious-game-has-been-validated-experimental-vs-test-validty/
Keus F, de Jong JA, Gooszen HG & van Laarhoven CJ. (2006) Laparoscopic versus open cholecystectomy for patients with symptomatic cholecystolithiasis. Cochrane Database Syst Rev. 2006; CD006231.
Kumar U, Gill IS. (2006) Learning curve in human laparoscopic surgery. Curr Urol Rep. 2006 Mar;7(2):120-4.
Nano M. (2012) A brief history of laparoscopy. G Chir. 2012 Mar;33(3):53-7.
Plerhoples TA, Zak Y, Hernandez-Boussard T & Lau J. (2011) Another use of the mobile device: warm-up for laparoscopic surgery. J Surg Res. 2011 Oct;170(2):185-8.
Rosenberg BH, Landsittel D & Averch TD. (2005) Can video games be used to predict or improve laparoscopic skills? J Endourol. 2005 Apr;19(3):372-6.
Rosser JC Jr, Lynch PJ, Cuddihy L, Gentile DA, Klonsky J & Merrell R. (2007) The impact of video games on training surgeons in the 21st century. Arch Surg. 2007 Feb;142(2):181-6.
Sadandanan S, Dryfhout VL & Sosnowski JP. (2008) Video Games and Laparoscopic Surgery. J Gynecol Surg. 2008 24(2):67-73.
Schlickum MK, Hedman L, Enochsson L, Kjellin A & Felländer-Tsai L. (2008) Transfer of systematic computer game training in surgical novices on performance in virtual reality image guided surgical simulators. Stud Health Technol Inform. 2008;132:210-5.
Schlickum MK, Hedman L, Enochsson L, Kjellin A & Felländer-Tsai L. (2009) Systematic video game training in surgical novices improves performance in virtual reality endoscopic surgical simulators: a prospective randomized study. World J Surg. 2009 Nov;33(11):2360-7.
Thompson JR, Leonard AC, Doarn CR, Roesch MJ & Broderick TJ. (2011) Limited value of haptics in virtual reality laparoscopic cholecystectomy training. Surg Endosc. 2011 Apr;25(4):1107-14.