Performance Factors in Neurosurgical Simulation and Augmented Reality Image Guidance

Virtual reality surgical simulators have seen widespread adoption in an effort to provide safe, cost-effective and realistic practice of surgical skills. However, the majority of these simulators focus on training low-level technical skills, providing only prototypical surgical cases. For many complex procedures, this approach is deficient in representing anatomical variations that present clinically, failing to challenge users’ higher-level cognitive skills important for navigation and targeting. Surgical simulators offer the means to not only simulate any case conceivable, but to test novel approaches and examine factors that influence performance. Unfortunately, there is a void in the literature surrounding these questions. This thesis was motivated by the need to expand the role of surgical simulators to provide users with clinically relevant scenarios and evaluate human performance in relation to image guidance technologies, patient-specific anatomy, and cognitive abilities. To this end, various tools and methodologies were developed to examine cognitive abilities and knowledge, simulate procedures, and guide complex interventions all within a neurosurgical context. The first chapter provides an introduction to the material. The second chapter describes the development and evaluation of a virtual anatomical training and examination tool. The results suggest that learning occurs and that spatial reasoning ability is an important performance predictor, but subordinate to anatomical knowledge. The third chapter outlines development of automation tools to enable efficient simulation studies and data management. In the fourth chapter, subjects perform abstract targeting tasks on ellipsoid targets with and without augmented reality guidance. While the guidance tool improved accuracy, performance with the tool was strongly tied to target depth estimation – an important consideration for implementation and training with similar guidance tools. In the fifth chapter, neurosurgically experienced subjects were recruited to perform simulated ventriculostomies. Results showed anatomical variations influence performance and could impact outcome. Augmented reality guidance showed no marked improvement in performance, but exhibited a mild learning curve, indicating that additional training may be warranted. The final chapter summarizes the work presented. Our results and novel evaluative methodologies lay the groundwork for further investigation into simulators as versatile research tools to explore performance factors in simulated surgical procedures

Advanced Information Systems and Technologies

This book comprises the proceedings of the VI International Scientific Conference “Advanced Information Systems and Technologies, AIST-2018”. The proceeding papers cover issues related to system analysis and modeling, project management, information system engineering, intelligent data processing, computer networking and telecomunications, modern methods and information technologies of sustainable development. They will be useful for students, graduate students, researchers who interested in computer science

Holistic Approach for Authoring Immersive and Smart Environments for the Integration in Engineering Education

Die vierte industrielle Revolution und der rasante technologische Fortschritt stellen die etablierten Bildungsstrukturen und traditionellen Bildungspraktiken in Frage. Besonders in der Ingenieurausbildung erfordert das lebenslange Lernen, dass man sein Wissen und seine Fähigkeiten ständig verbessern muss, um auf dem Arbeitsmarkt wettbewerbsfähig zu sein. Es besteht die Notwendigkeit eines Paradigmenwechsels in der Bildung und Ausbildung hin zu neuen Technologien wie virtueller Realität und künstlicher Intelligenz. Die Einbeziehung dieser Technologien in ein Bildungsprogramm ist jedoch nicht so einfach wie die Investition in neue Geräte oder Software. Es müssen neue Bildungsprogramme geschaffen oder alte von Grund auf umgestaltet werden. Dabei handelt es sich um komplexe und umfangreiche Prozesse, die Entscheidungsfindung, Design und Entwicklung umfassen. Diese sind mit erheblichen Herausforderungen verbunden, die die Überwindung vieler Hindernisse erfordert. Diese Arbeit stellt eine Methodologie vor, die sich mit den Herausforderungen der Nutzung von Virtueller Realität und Künstlicher Intelligenz als Schlüsseltechnologien in der Ingenieurausbildung befasst. Die Methodologie hat zum Ziel, die Hauptakteure anzuleiten, um den Lernprozess zu verbessern, sowie neuartige und effiziente Lernerfahrungen zu ermöglichen. Da jedes Bildungsprogramm einzigartig ist, folgt die Methodik einem ganzheitlichen Ansatz, um die Erstellung maßgeschneiderter Kurse oder Ausbildungen zu unterstützen. Zu diesem Zweck werden die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Aspekten berücksichtigt. Diese werden in den drei Ebenen - Bildung, Technologie und Management zusammengefasst. Die Methodik betont den Einfluss der Technologien auf die Unterrichtsgestaltung und die Managementprozesse. Sie liefert Methoden zur Entscheidungsfindung auf der Grundlage einer umfassenden pädagogischen, technologischen und wirtschaftlichen Analyse. Darüber hinaus unterstützt sie den Prozess der didaktischen Gestaltung durch eine umfassende Kategorisierung der Vor- und Nachteile immersiver Lernumgebungen und zeigt auf, welche ihrer Eigenschaften den Lernprozess verbessern können. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der systematischen Gestaltung immersiver Systeme und der effizienten Erstellung immersiver Anwendungen unter Verwendung von Methoden aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz. Es werden vier Anwendungsfälle mit verschiedenen Ausbildungsprogrammen vorgestellt, um die Methodik zu validieren. Jedes Bildungsprogramm hat seine eigenen Ziele und in Kombination decken sie die Validierung aller Ebenen der Methodik ab. Die Methodik wurde iterativ mit jedem Validierungsprojekt weiterentwickelt und verbessert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methodik zuverlässig und auf viele Szenarien sowie auf die meisten Bildungsstufen und Bereiche übertragbar ist. Durch die Anwendung der in dieser Arbeit vorgestellten Methoden können Interessengruppen immersiven Technologien effektiv und effizient in ihre Unterrichtspraxis integrieren. Darüber hinaus können sie auf der Grundlage der vorgeschlagenen Ansätze Aufwand, Zeit und Kosten für die Planung, Entwicklung und Wartung der immersiven Systeme sparen. Die Technologie verlagert die Rolle des Lehrenden in eine Moderatorrolle. Außerdem bekommen die Lehrkräfte die Möglichkeit die Lernenden individuell zu unterstützen und sich auf deren kognitive Fähigkeiten höherer Ordnung zu konzentrieren. Als Hauptergebnis erhalten die Lernenden eine angemessene, qualitativ hochwertige und zeitgemäße Ausbildung, die sie qualifizierter, erfolgreicher und zufriedener macht

INTEROPERABILITY FOR MODELING AND SIMULATION IN MARITIME EXTENDED FRAMEWORK

This thesis reports on the most relevant researches performed during the years of the Ph.D. at the Genova University and within the Simulation Team. The researches have been performed according to M&S well known recognized standards. The studies performed on interoperable simulation cover all the environments of the Extended Maritime Framework, namely Sea Surface, Underwater, Air, Coast & Land, Space and Cyber Space. The applications cover both the civil and defence domain. The aim is to demonstrate the potential of M&S applications for the Extended Maritime Framework, applied to innovative unmanned vehicles as well as to traditional assets, human personnel included. A variety of techniques and methodology have been fruitfully applied in the researches, ranging from interoperable simulation, discrete event simulation, stochastic simulation, artificial intelligence, decision support system and even human behaviour modelling

Virtual Reality and Its Application in Education

Virtual reality is a set of technologies that enables two-way communication, from computer to user and vice versa. In one direction, technologies are used to synthesize visual, auditory, tactile, and sometimes other sensory experiences in order to provide the illusion that practically non-existent things can be seen, heard, touched, or otherwise felt. In the other direction, technologies are used to adequately record human movements, sounds, or other potential input data that computers can process and use. This book contains six chapters that cover topics including definitions and principles of VR, devices, educational design principles for effective use of VR, technology education, and use of VR in technical and natural sciences