Methodenartikel

Die Entwicklung einer Virtual-Reality-Simulation zur Reduzierung von Ängsten bei pädiatrischen Patienten, die sich einer Magnetresonanztomographie unterziehen

DOI:

10.3791/68609

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8. August 2025

 ,  ,  ,  , 
1Biomedical Engineering, Faculty of Engineering, Western University, 2Michael G.DeGroote School of Medicine, McMaster University, 3Department of Clinical Neurological Sciences, Schulich School of Medicine and Dentistry, Western University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Hier stellen wir ein Protokoll zur Entwicklung einer gamifizierten Virtual-Reality-Simulation (VR) vor, um Angstzustände bei pädiatrischen Patienten zu reduzieren, die sich MRT-Scans unterziehen. Durch die Nachbildung der Bilder und Geräusche der MRT-Umgebung hilft das VR-Erlebnis den Kindern, sich mit dem Verfahren vertraut zu machen, um den Komfort und die Zusammenarbeit zu verbessern.

Zusammenfassung

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Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein wertvolles diagnostisches Instrument in der pädiatrischen Versorgung, da sie hochauflösende Bilder ohne ionisierende Strahlung liefert. Die ungewohnte Umgebung, der beengte Raum und die lauten Geräusche können jedoch Stress, Klaustrophobie und Angstzustände verursachen. Dies kann zu einem erhöhten Bedarf an Sedierung und längeren Bildgebungszeiten führen. Am Victoria Children's Hospital in London, Ontario, verwendet das Child Life-Programm derzeit ein Puppen- und MRT-Modell, um durch einen lernbasierten Ansatz dazu beizutragen, Angstzustände bei pädiatrischen Patienten zu reduzieren. Diese Methoden sind zwar effektiv, aber in ihrer Fähigkeit, eine realistische Darstellung des MRT-Erlebnisses zu liefern, begrenzt. Um dieses Problem zu lösen, haben wir ein gamifiziertes MRT-Erlebnis entwickelt, das speziell für pädiatrische Patienten am Victoria Children's Hospital entwickelt wurde, mit Virtual Reality (VR), einer computergenerierten 3D-Umgebung, die über ein Headset dargestellt wird. Die Simulation repliziert die Bilder, Geräusche und räumlichen Aspekte der MRT-Umgebung und hilft den Kindern, sich im Voraus mit der Erfahrung vertraut zu machen. Unser VR-Raum ist zwar eine Nachbildung des echten MRT-Raums im Victoria Children's Hospital, könnte aber durch Änderung der Umgebungsdetails für den Einsatz in anderen Einrichtungen angepasst werden. Zukünftige Arbeiten werden die Wirksamkeit der Simulation bei der Verringerung von Ängsten durch quantitative und qualitative Bewertungen bewerten.

Einleitung

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Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine nicht-invasive Technik, mit der dreidimensionale Bilder von Weichteilen erstellt werden, um die Diagnose von Krankheiten und die Überwachung der Behandlung zu unterstützen1. Die MRT gilt als eine der sichersten bildgebenden Verfahren für Kinder, da sie keine ionisierende Strahlung beinhaltet1; Für junge Patienten kann das Verfahren jedoch besonders herausfordernd sein. Kinder müssen bis zu einer Stunde lang still in einem engen Tunnel liegen, während sie lauten Geräuschen ausgesetzt sind2, eine Erfahrung, die Angst, Unruhe, Klaustrophobie oder eine erhöhte Angst vor der Diagnose selbst verursachen kann 1,2,3,4,5. Eine solche Angst kann zu körperlicher Unruhe (Kinder im Alter von 5-10 Jahren sind besonders anfällig für Bewegungen6), schlechter Compliance oder Verhaltensschwierigkeitenführen 7. Das MRT-Verfahren ist stark von der Mitarbeit des Patienten abhängig, da leichte Bewegungen im Millimeterbereich das Bild verfälschen können, was Wiederholungsuntersuchungen erforderlich macht. Dies kann für Familien belastend und für Krankenhäuser finanziell belastend sein8. Die Angst der Eltern oder Betreuer kann zum Stress eines Kindes während einer MRT beitragen, da Kinder oft die Emotionen von Erwachsenen widerspiegeln9; Daher hat sich gezeigt, dass die Beteiligung und Compliance der Eltern während des Eingriffs zum Erfolg der MRT-Untersuchung eines Kindes beiträgt10.

Es werden verschiedene Techniken verwendet, um pädiatrische Angstzustände vor einer MRT zu behandeln, aber ihre Wirksamkeit ist begrenzt. Beruhigungsmittel oder Anästhetika helfen, Kinder während des Scans ruhig zu halten, wurden jedoch mit einer höheren Inzidenz von unerwünschten Ereignissen in Verbindung gebracht, einschließlich Koordinationsstörungen, Schwindel und erhöhter Unruhe 8,11. Als Alternative hat sich gezeigt, dass eine psychologische Vorbereitung den Stress bei Kindern im medizinischen Umfeld reduziert 12,13,14 und den Bedarf an Sedierung und Anästhesie vor einer MRT senkt10,15. Die psychologische Vorbereitung umfasst die Verwendung von interaktiven Videos auf einem Tablet16,17, Lern- und Ablenkungstechniken 6,7, Spieltherapie7, kognitives Verhaltenstherapietraining18 und physische Schein-MRTs19,20. Dieser Ansatz hat jedoch Grenzen, wie das Victoria Children's Hospital in London, Ontario, Kanada, zeigt. Child Life-Spezialisten im Child Life-Programm verwenden verschiedene psychologische Vorbereitungsinstrumente, um Ängste oder Ängste bei pädiatrischen Patienten vor einer MRT zu behandeln. Abhängig vom Alter, dem Angstniveau und der Persönlichkeit des Kindes können die Interventionen ein Bilderbuch, ein iPad-Video, ein Spielzeugmodell, eine großformatige MRT-Replik oder eine Pre-Scan-Tour umfassen (Abbildung 1). Während der Untersuchung können die Kinder auch ein Komfortspielzeug oder eine Decke mit in das MRT bringen oder Videos auf einem Bildschirm ansehen. Diese Ansätze zielen darauf ab, das Kind über den MRT-Prozess aufzuklären und gleichzeitig Ablenkung, Komfort und Gewöhnung zu bieten. Diese Eingriffe haben jedoch Nachteile: Führungen sind oft nicht verfügbar, weil der Raum genutzt wird; Bilderbücher, Nachbildungen von Modellen und iPad-Videos dürfen ältere Kinder nicht ansprechen oder ein vollständiges Bild des MRT-Erlebnisses vermitteln. Keine dieser Methoden repliziert die lauten Geräusche des MRT; Und, was vielleicht am wichtigsten ist, sie erlauben es Kindern nicht, in einem geschlossenen Raum still zu bleiben. Daher sind neuartige Interventionen erforderlich, die ansprechend und immersiv sind, um diese Einschränkungen zu überwinden.

Virtual Reality (VR) ist eine dreidimensionale (3D) computergenerierte Umgebung, die durch ein Head-Mounted-Display betrachtet wird und zunehmend in der Bildung, Ausbildung und im Gesundheitswesen eingesetzt wird. VR schafft eine interaktive und realistische Simulation der realen Welt21, auf die Kinder besonders empfänglich sind, da diese Technologie das Gefühl einer physischen Präsenz in der virtuellen Welterzeugt 22,23. Studien haben gezeigt, dass VR die Angst vor dem Krankenhaus bei Kindern wirksam reduziert: Eine Metaanalyse von Eijlers et al. ergab, dass VR-Interventionen Schmerzen und Ängste bei Kindern, die sich medizinischen Eingriffen unterziehen, signifikant reduzieren, insbesondere wenn sie als Ablenkungsinstrument eingesetzt werden24; In ähnlicher Weise zeigten Chiu et al., dass immersive VR die präoperative Angst bei Kindern durch Gewöhnung wirksam reduzieren kann, indem sie eine virtuelle Krankenhaustour anbieten25. Diese Vorteile erstrecken sich auch auf die pädiatrische MRT-Vorbereitung, bei der VR das Potenzial hat, den Bedarf an Sedierung zu reduzieren. Mehrere Studien haben VR als prä-MRT-Interventionsinstrument mit positiven Ergebnissen untersucht. Ashmore et al. entwickelten beispielsweise eine kostenlose VR-App, die Kinder mit einem 360°-Video durch das MRT führt, eine Technik, die sowohl vom Personal als auch von den Patienten als Benutzerfreundlichkeit und Nützlichkeit hoch bewertet wurde, während sie bei vier von fünf Patienten die Anwendung einer Vollnarkose verhinderte26. Eine randomisierte kontrollierte Studie von Saliba et al. ergab, dass die Exposition gegenüber nur 5 Minuten einer VR-MRT-Erfahrung die Angst bei pädiatrischen Patienten signifikant reduzierte27. Darüber hinaus ergab eine benutzerdefinierte VR-MRT-App mit einem Standardhandbuch und einem von Stunden et al. erstellten Krankenhaus-Kinderlebensprogramm, dass die VR-Gruppe über eine höhere Zufriedenheit der Pflegekräfte und eine signifikant geringere Angst der Pflegekräfte berichtete. Dies war eine wichtige Erkenntnis, da davon ausgegangen wird, dass die Belastung der elterlichen Betreuungspersonen die Reaktionen der Kinder während medizinischer Eingriffe beeinflusst28. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen haben neuere Studien die Auswirkungen von Interaktivität und Gamification in VR-MRT-Vorbereitungstools untersucht. Eine Studie von Yang et al. stellte einen eigenständigen Head-Mounted Display (HMD)-basierten VR-MRT-Simulator mit mehreren Modulen vor, darunter ein Hold-Still-Spiel, ein 360°-Video und einen Achtsamkeitsbereich. Ihre Pilotstudie zeigte ein signifikant höheres Engagement, eine höhere Zufriedenheit und wahrgenommene Wirksamkeit im Vergleich zu Standard-Bildungsmaterialien29. Eine weitere Studie, die von Yang et al. durchgeführt wurde, verglich vier Modalitäten: 2D-Video, 360°-Video, passive VR und gamifizierte interaktive VR, wobei die gamifizierte VR-Bedingung die Kopfbewegung signifikant reduzierte und die selbstberichtete Bereitschaft und das Engagement der Jugendlichen verbesserte. Die Ergebnisse dieser Studie unterstützten die Hypothese, dass Verhaltensproben und unmittelbares Feedback die Verfahrensbereitschaft verbessern und Scanfehler aufgrund von Bewegung30 reduzieren können. Liszio und Masuch zeigten in ähnlicher Weise, dass eine spielerische, kindzentrierte VR-Anwendung, die Desensibilisierung und interaktives Storytelling beinhaltet, MRT-bedingte Ängste reduzieren kann. Das Design betonte die Rolle der Gamification und der allmählichen Exposition gegenüber stressauslösenden Reizen, was mit modernen pädiatrischen Rahmenbedingungen übereinstimmt31. Trotz dieser erfolgreichen Ergebnisse wurde die Technologie jedoch noch nicht vollständig implementiert.

Eine VR-Simulation des MRT-Erlebnisses am Victoria Children's Hospital wurde entwickelt, um die Einschränkungen bestehender pädiatrischer MRT-Vorbereitungswerkzeuge zu überwinden. Das Design jeder Komponente wurde durch Konsultationen mit Kinderspezialisten, MRT-Technikern und direkten Beobachtungen des MRT-Scan-Verfahrens des Krankenhauses beeinflusst. Die Krankenhausumgebung wurde zunächst mithilfe von 3D-Modellierung nachgebildet, um eine detaillierte virtuelle Umgebung zu bilden. Das 3D-Modell wurde dann in eine Game-Engine integriert, um ein immersives VR-Erlebnis zu schaffen. Im Entwicklungsprozess wurden mehrere Werkzeuge verwendet, darunter: die "Ebene", die den physischen MRT-Raum darstellt, der anhand der 3D-Modellierung der Krankenhausumgebung gebaut wurde; der "Level Sequencer", ein zeitleistenbasiertes Animationswerkzeug, das zum Animieren von Objekten und zum Synchronisieren von Bewegungen verwendet wird; der animierte "Cine-Camera-Schauspieler", der die Perspektive des Benutzers simuliert, um das Gefühl zu erzeugen, in die virtuelle Langeweile zu schlüpfen; eine Audiospur, die das Geräusch des MRT-Geräts repliziert und mit der Gleitanimation synchronisiert wird, um das Hörerlebnis eines MRT nachzuahmen; eine Bildschirmsimulation zur Nachbildung des MRT-sicheren Distraktionsschirms, der am Bett befestigt ist, den MRT-Techniker als Video hochladen können, damit Kinder sie während des Scans ansehen können, um Kindern zu helfen, ruhig zu bleiben; die VR-Spielfigur, die als Entität des Benutzers in der virtuellen Umgebung fungiert, da sie Kopf- und Handverfolgung umfasst; und das "griffbare Objekt", ein tragbarer, interaktiver Würfel, der zum Starten der MRT-Simulationssequenz verwendet wird und beim Aufnehmen den Start der Animationszeitleiste auslöst. Um die Beteiligung von Betreuern und Child Life Specialists zu unterstützen, wurde ein Multiplayer-System integriert, das es mehreren Benutzern (z. B. dem Techniker, den Eltern, der Betreuer oder dem Child Life Specialist) ermöglicht, in derselben virtuellen Umgebung über ein Client-Server-Modell mit Voice-Chat über Mikrofone zu interagieren, um die Echtzeitkommunikation zwischen den Spielern zu unterstützen und das Gefühl der Isolation bei Kindern zu mildern.

Der Zweck dieser Studie war es, eine spielerische virtuelle Simulation der MRT-Erfahrung am Victoria Children's Hospital in London, Ontario, zu entwickeln, die vom Child Life Program als Angstintervention für pädiatrische Patienten vor der MRT verwendet werden kann. Die Simulation, die über ein Virtual-Reality-Head-Mounted-Display (VR) betrachtet wird, zielt darauf ab, Kinder mit dem MRT-Scanner und der Umgebung vertraut zu machen und Ängste zu reduzieren, indem sie eine genaue und immersive Darstellung der realen Erfahrung bietet. Der Multiplayer-Modus ermöglicht es jüngeren Patienten, sich mit der Simulation zu beschäftigen, was die Benutzerfreundlichkeit für eine Vielzahl von Altersgruppen fördert. Obwohl die in dieser Studie entwickelte VR-Simulation speziell dem Victoria Hospital nachempfunden ist, sind die Methoden anpassungsfähig und können angewendet werden, um jede Gesundheitsumgebung nachzubilden, in der die Einweisung in die Umgebung dazu beitragen kann, die Angst der Patienten zu lindern. Dies ist die erste bekannte Studie, die über ein virtuelles MRT-Erlebnis berichtet, das die zusätzlichen interaktiven Funktionen der Multiplayer-Funktionalität, ein Handheld-Tool zum Verlassen des Erlebnisses, einen Videobildschirm innerhalb des MRT und einen Voice-Chat-Modus umfasst. Mit dieser Forschung hoffen wir, ein Tool zu entwickeln, das in Zukunft von Child Life Specialists am Victoria Children's Hospital eingesetzt wird, um das Leben von pädiatrischen Patienten zu verbessern.

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Protokoll

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Die ethische Genehmigung für diese Studie wurde vom Western University Health Sciences Research Ethics Board (HSREB) eingeholt (Projekt-ID: 116749). Von den menschlichen Teilnehmern wurde eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt. Die Reagenzien und die benötigte Ausrüstung sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. 3D Modellierung von Assets

HINWEIS: Erstellen Sie mit einer 3D-Modellierungssoftware ein realistisches, maßstabsgetreues 3D-Modell des MRT-Geräts und seiner Umgebung.

  1. Fotografische Dokumentation
    1. Nehmen Sie fotografische Dokumentationen des realen MRT-Raums aus mehreren Blickwinkeln auf. Stellen Sie sicher, dass alle Wände, Geräte, Möbel und architektonischen Merkmale sichtbar sind, um genaues Referenzmaterial bereitzustellen.
  2. 3D-Formmodellierung
    1. Starten Sie die 3D-Modellierungssoftware.
    2. Importieren Sie die Referenzbilder in den Arbeitsbereich.
    3. Erstellen Sie die Formen, die das Fundament des MRT-Raums bilden, mithilfe geometrischer Grundkörper wie Würfel, Zylinder und Ebenen.
    4. Passen Sie die Abmessungen von Boden, Decke, Wänden und Schränken an die realen Proportionen basierend auf den Referenzbildern an.
    5. Erstellen Sie das MRT-Gerät und den Videobildschirm, indem Sie Zylinder, Kugeln und gekrümmte Oberflächen schichten und modifizieren, um die Bohrung des Scanners und die äußere Architektur nachzubilden.
    6. Wenden Sie die Modifikatoren "Unterteilung" und "Abschrägung" an, um Kanten zu glätten, und erstellen Sie realistische Konturen.
    7. Verwenden Sie den Vertex-Modus, um gekrümmte Elemente zu verfeinern und dem Modell strukturelle Details hinzuzufügen.
  3. Räumliche Kalibrierung
    1. Verwenden Sie ein Kameraabgleichswerkzeug, um eine dreidimensionale Achse über die Referenzbilder zu legen.
    2. Richten Sie die Perspektive der virtuellen Kamera an den Originalfotos aus, um räumliche Genauigkeit und Proportionalität zu gewährleisten.
    3. Positionieren und skalieren Sie alle 3D-Objekte basierend auf kalibrierten Kameraansichten, indem Sie ihre Ausrichtung mit Referenzbildern bestätigen, um die richtige Tiefe, Drehung und Platzierung zu gewährleisten.
  4. Strukturierend
    1. Wenden Sie Materialien und Texturen auf jede Oberfläche des Modells an. Wählen Sie Farben, die der realen MRT-Raumumgebung entsprechen.
    2. Wickeln Sie Texturbilder bei Bedarf mit UV-Bearbeitungswerkzeugen über Objekte.
    3. Passen Sie Oberflächeneigenschaften an, einschließlich Rauheit, Reflexionsvermögen und metallische Eigenschaften, um realistische Beleuchtungsinteraktionen zu simulieren.
  5. Kollaborative Entwicklung
    1. Konfigurieren Sie ein privates Netzwerk, um die Bearbeitung durch mehrere Benutzer in Echtzeit innerhalb der Modellierungssoftware zu unterstützen.
    2. Ermöglichen Sie die gleichzeitige Zusammenarbeit, indem Sie mehreren Mitwirkenden erlauben, Assets gemeinsam in derselben Datei zu erstellen und zu platzieren.
      HINWEIS: Das fertige 3D-Modell sollte dem realen Raum sowohl räumlich als auch visuell sehr ähnlich sein und seine Abmessungen, sein Layout und seine Schlüsselkomponenten genau erfassen (Abbildung 2 und Abbildung 3). Sobald das Modell fertig ist, kann es in eine Spiel-Engine importiert werden, um die für die Verwendung mit VR erforderlichen Funktionselemente hinzuzufügen.

2. Entwicklung der funktionalen Simulation

  1. Erstellung von Levels
    1. Erstellen Sie ein Basislevel in der Spiel-Engine oder importieren Sie ein vorgefertigtes 3D-Modell32.
    2. Importieren Sie die zuvor modellierten virtuellen 3D-Assets in die neue Ebene, um sie an die reale Szene anzupassen (Abbildung 4).
    3. Platzieren Sie Beleuchtungselemente wie gerichtetes Licht und Punktlicht.
    4. Nachdem die Szene erstellt wurde, konfigurieren Sie die Welteinstellungen.
      1. Legen Sie den Spielmodus auf den Standard-VR-Spielmodus fest, um sicherzustellen, dass der VR-Modus automatisch aktiviert wird, wenn der Spieler das Spiel betritt.
      2. Legen Sie die Standard-Bauernklasse auf VR-Bauer fest, um sicherzustellen, dass die VR-Bauern an der PlayerStart-Position generiert wird.
  2. Level-Sequenzer
    1. Erstellen Sie einen Level-Sequenzer, indem Sie zu "Cinematics" navigieren und dann im Hauptansichtsfenster des Levels in der Unreal Engine die Option " Levelsequenz hinzufügen " auswählen. Benennen Sie die Sequenz{Engine, #4} um und speichern Sie sie.
    2. Sobald sich das Sequenzer-Fenster automatisch geöffnet hat, importieren Sie die gewünschten Akteure aus dem Ausreißer (z. B. Lichter, statische Meshes) und ziehen Sie die Akteure entweder auf die Sequenzer-Timeline oder laden Sie sie, indem Sie auf Spur und dann auf Akteur33 klicken.
    3. Bearbeiten Sie die Transformationen in der Sequenz, z. B. Position, Drehung und Skalierung.
  3. Audio-Integration
    1. Nehmen Sie den MRT-Ton eines 3T-Scanners mit einem Patienten auf dem Tisch über das Mikrofon der MRT-Aufnahmekonsole auf. Zeichnen Sie den MP-Bereich, die Diffusion und die EPI-Sequenzen auf.
      HINWEIS: Auf dem aufgezeichneten MRT-Scanner wurde kein Ruheparameter aktiviert. Voraufgezeichnete MRT-Töne erreichten eine maximale Helligkeit von 75 dB, wenn sie über das VR-Headset abgespielt wurden.
    2. Fügen Sie eine .wav Audiospur des MRT-Klangs hinzu. Klicken Sie im Sequenzer-Fenster auf die Spur und dann auf die Audiospur , um das MRT-Audio zu finden.
    3. Wählen Sie die MRT-Audiodatei aus und positionieren Sie sie auf der Zeitleiste.
    4. Synchronisieren Sie das Audio mit der Animationswiedergabe, sodass es startet, wenn sich der Benutzer hinlegt und in das MRT-Gerät gleitet.
  4. Kamera-Animation
    1. Fügen Sie einen Cine-Kamera-Darsteller hinzu, indem Sie im Sequenzer-Fenster zu Spur, Akteur zu Sequenzer und Cine-Kamera-Darsteller navigieren.
    2. Wählen Sie den Cine-Kamera-Akteur aus, verfolgen und transformieren Sie ihn im Sequenzer.
    3. Fügen Sie einen Keyframe am Anfang der Zeitachse hinzu. Bewegen Sie sich zum Ende, passen Sie die Transformation der Kamera an und fügen Sie einen zweiten Keyframe hinzu, um die Kamerabewegung zu animieren.
    4. Fügen Sie den Cine-Kamera-Darsteller, die virtuellen Beine, den MRT-Ton, die Videoanzeige und den Bildschirm zur Hebelsequenzer-Spur hinzu und platzieren Sie den Keyframe. Synchronisieren Sie alle Meshes in der Animation, so dass sich der gesamte Körper mit der Cine-Kamera bewegt (Ergänzende Abbildung 1).
    5. Zeigen Sie eine Vorschau der Animation mit der Wiedergabeschaltfläche im Sequenzer an (Abbildung 5).
  5. Bildschirm-Simulation
    1. Beginnen Sie mit dem Importieren einer MP4-Videodatei eines beliebigen Videos, das im MRT verwendet werden könnte.
    2. Verwenden Sie den Mediaplayer, um das Video zu laden und ein Material zu generieren.
    3. Wenden Sie das Material auf ein statisches Standardnetz (z. B. einen abgeflachten Würfel) an, das als Raster fungiert.
    4. Wenden Sie das zuvor modellierte 3D-Äußere des statischen Standardnetzes an, das an der Stelle eingefügt wird, an der sich die Lobby befindet.
    5. Spielen Sie das Video mithilfe des Media Player-Triggerknotens ab, um Ablenkungsinhalte auf dem Bildschirm anzuzeigen (Abbildung 6 und Abbildung 7).
  6. Greifbares Objekt und Animationstrigger
    1. Fügen Sie die Grab-Komponente zu einem Standardwürfel hinzu, um die Mensch-Computer-Interaktionzu ermöglichen 34 (Abbildung 8).
    2. Implementieren Sie die Handinteraktion mit der Griffschaltfläche des Motion-Controllers, indem Sie eine Kugelspur um die Griffposition erstellen.
      1. Befestigen Sie den Actor an den Controller, wenn Sie den Griff eingeben.
      2. Lösen Sie den Akteur, wenn Sie die Grifftaste des Controllers loslassen.
    3. Konfigurieren Sie die Grab-Komponente so, dass Animationen ausgelöst werden, z. B. das Starten des MRT-Scans.
    4. Verwenden Sie die Blaupausenlogik, um die Gate-Einschränkung zu öffnen, nachdem das Objekt abgerufen wurde. Wenn das Objekt nicht gegriffen wird, schließen Sie den Eingangskanal, um versehentliche Berührungen zu verhindern (Ergänzende Abbildung 2).
    5. Lösen Sie die Animation aus, indem Sie die Auslösetaste des rechten Controllers drücken. Rufen Sie die Funktion "Animation abspielen" in der VR-Spielfigur auf.
    6. Stellen Sie sicher, dass die Blaupause den entsprechenden Sequenzplayer auf der aktuellen Ebene und den entsprechenden Sequenzakteur auf der entsprechenden Ebene finden kann (Ergänzende Abbildung 3).
  7. Erstellung einer Widget-basierten Schnittstelle
    1. Erstellen Sie einen neuen Benutzer-Widget-Blueprint.
    2. Fügen Sie virtuelle Schaltflächen als Teil einer Dropdown-Liste mit der Bezeichnung "Ausrichtung zurücksetzen", "Neustart", "Sitzung erstellen" und "An einer Sitzung teilnehmen " hinzu (Abbildung 9).
    3. Binden Sie die Option "Create a session" an die Logik, die den Server startet und die richtige Ebene lädt (Ergänzende Abbildung 4).
      HINWEIS: Verwenden Sie Widget-Schaltflächen anstelle der Controller-Eingabe, da die Anzahl der Eingabeoptionen auf VR-Controllern begrenzt ist. Die Schaltfläche zum Zurücksetzen der Ausrichtung zentriert die Ansicht des Benutzers neu, wenn die Nachverfolgung falsch ausgerichtet wird. Neustart transportiert die VR-Spielfigur zurück zu "PlayerStart"; "Sitzung erstellen" erstellt eine neue Multiplayer-Sitzung und einen neuen Server. Find Server sucht nach verfügbaren Sitzungen, an denen Sie teilnehmen können.
  8. Erstellen Sie eine Multiplayer-Simulation35
    1. Ändern Sie die Konfigurationsdatei, um die Online-Funktionalität zu aktivieren.
      1. Installieren und integrieren Sie das Advanced Session-Plug-in.
      2. Aktivieren Sie die folgenden Plugins für den Voice-Chat und den Multiplayer-Modus: Online Subsystem Utils, Advanced Steam Sessions und Advanced Sessions.
      3. Fügen Sie Tastentransformatoren hinzu, um den Meta Quest-Controller-Eingang mit Unreal Engine-Ereignissen zu verbinden, indem Sie die Projekteinstellungen öffnen und zum Abschnitt Eingang navigieren. Legen Sie die Aktionszuordnung für RightTrigger auf Oculus Touch (R) Trigger, LeftTrigger auf Oculus Touch (L) Trigger und LeftXForQuit auf Oculus Touch (L) X Press fest. Verwenden Sie diese Zuordnungen, um Voice-Chat auszulösen und Menüinteraktionen über die VR-Controller zu aktivieren.
    2. Verwenden Sie die Schaltfläche Sitzung erstellen in der Widget-basierten Schnittstelle, um eine Sitzung zu starten und den Server der richtigen Ebene beitreten zu lassen.
      1. Verwenden Sie eine Dropdown-Liste, um Servernamen anzuzeigen, die aus den Suchergebnissen der Sitzung abgerufen wurden.
      2. Rufen Sie verfügbare Servernamen aus den Sitzungssuchergebnissen mithilfe einer Sitzungssuchfunktion ab.
      3. Übergeben Sie jeden Servernamen an ein Widget-Element und fügen Sie es der Dropdown-Liste hinzu.
      4. Erlauben Sie Benutzern, eine Sitzung aus der Liste auszuwählen und dem entsprechenden Server beizutreten.
    3. Definieren Sie Standardrollen wie Server (Techniker oder übergeordneter Benutzer) und Patient oder Client (untergeordnete oder zusätzliche Benutzer).
      1. Platzieren Sie PlayerStart-Akteure im Level und beschriften Sie sie mit einem Anzeigenamen, der auf den zugewiesenen Rollen basiert, um Benutzer im Mehrspielermodus zu unterscheiden: Spieler1: Techniker oder Betreuer; Spieler2: Patient oder Klient (ergänzende Abbildung 5).
      2. Verwenden Sie die Blueprint-Logik, um PlayerStart-Tags mithilfe eines Spielerzählers zuzuweisen.
      3. Wenn mehr Spieler benötigt werden, erstelle einen weiteren PlayerStart im Level und ändere das Namensschild so, dass es die Kunden- oder Patientennummer darstellt.
    4. Implementieren Sie die Synchronisierung von Kopf und Hand für eine bessere Benutzerinteraktion.
      1. Fügen Sie der VR-Spielfigur Tracking-Komponenten für das Headset und die Handcontroller hinzu.
      2. Erfassen Sie im Event Tick lokale Transformationsdaten vom Headset und den Handcontrollern.
      3. Wenn der Controller zum lokalen Player gehört, senden Sie Transformationsdaten mithilfe eines Remoteprozeduraufrufs an den Server. Wenn der Controller zu einem Remoteplayer gehört, empfangen Sie die Transformationsdaten vom Server, und wenden Sie sie auf das Mesh oder den Kameraaktor an (Abbildung 10).
    5. Verwenden Sie ein Client-Server-Modell (CS-Modus), um Aktionen benutzerübergreifend zu synchronisieren und alle Informationen an den Server zu übergeben (Ergänzende Abbildung 6).
      HINWEIS: Informationen sollten an den Server übergeben werden, damit nachfolgende Vorgänge an jeden Port verteilt werden, sodass die Synchronisierung durchgeführt werden kann. Bei Verwendung des Multiplayer-Modus muss das Widget von "beim Anklicken" auf "beim Drücken" geändert werden (Ergänzende Abbildung 7).
  9. Integration von Voice-Chats36
    1. Öffne den Bauplan "VR Pawn".
    2. Fügen Sie der VR-Spielfigur eine Spracherfassungskomponente hinzu, um die Sprachaufzeichnungsfunktion zu aktivieren.
    3. Legen Sie fest, dass die Komponente beim Betreten einer Multiplayer-Sitzung aktiviert wird.
    4. Konfigurieren Sie das VoIP-System so, dass es mit dem Sitzungsstatus verknüpft und nur aktiviert wird, wenn eine Verbindung zu einem Server besteht.
    5. Konfigurieren Sie die VoiceThread-Komponente, um den Voicechat zu aktivieren. Testen Sie den Voice-Chat, indem Sie zwei PlayerStarts starten und die bidirektionale Audioübertragung während einer Multiplayer-Sitzung bestätigen.
  10. Funktionen zum Beenden und Zurücksetzen
    1. Erstellen Sie eine Ausgangsanimation und laden Sie sie in das Level.
    2. Verwenden Sie die Blaupausenlogik, um die aktuelle Animation zu stoppen, bevor die Beendigungsanimation ausgelöst wird (Ergänzende Abbildung 8).
    3. Fügen Sie eine Reset-Funktion hinzu, die den Benutzer zurück in die Ausgangsposition teleportiert, wenn er falsch ausgerichtet ist (Ergänzende Abbildung 9 und Ergänzende Abbildung 10).
  11. Vorab-Tests mit gesunden Freiwilligen
    1. Testen Sie die Simulation an 5 gesunden freiwilligen Doktoranden, die zuvor einen MRT-Scan als Vortest erlebt haben.
    2. Verwenden Sie eine 5-Punkte-Umfrage auf der Likert-Skala, um gesunden Freiwilligen zu ermöglichen, die Ähnlichkeit des VR-MRT mit ihren bisherigen Erfahrungen mit einem echten MRT zu bewerten. Verwenden Sie 8 Fragen, die das physische Erscheinungsbild des MRT-Geräts und des Raums, den Lärm, die Bilder während des Scanvorgangs, das Gefühl des Eingesperrtseins oder der Eingeschlossenheit, das Gefühl des Stillstehens und den Gesamteindruck der Umgebung widerspiegeln.

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Ergebnisse

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Eine funktionale, immersive und realistische VR-MRT-Simulation wurde erfolgreich entwickelt, um pädiatrischen Patienten im Victoria Children's Hospital bei der Vorbereitung auf MRT-Eingriffe zu helfen. Die ergänzenden Funktionen der Simulation arbeiten zuverlässig und zeigen ihre Bereitschaft für klinische Tests. Das erste erfolgreiche Ergebnis war die genaue Nachbildung des MRT-Scanners und der Umgebung mit Hilfe von 3D-Modellierungstechniken. Da Referenzfotos verwendet wurden, um virtuelle Assets so zu kalibrieren, das...

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Diskussion

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Die Entwicklung der virtuellen MRT-Simulation war geprägt von Designentscheidungen, die ihre Einsetzbarkeit im pädiatrischen Umfeld beeinflussten. Der Input von Child Life Specialists und MRT-Technikern spielte eine wichtige Rolle bei der virtuellen Replikation realer Eingriffe. So wurde beispielsweise die Einbeziehung eines Video-MRT-Displays über dem Bett, das bei realen Scans häufig als Ablenkungsinstrument verwendet wird, auf der Grundlage der Empfehlungen von Child Life Specialists ...

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Danksagungen

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Vielen Dank an die Child Life Specialists und MRT-Techniker am Victoria Children's Hospital in London, Ontario, für ihre Beiträge und Einblicke, die zur Entwicklung dieses Protokolls beigetragen haben. Diese Arbeit wurde mit Mitteln des National Sciences and Engineering Research Council of Canada, von Epic Games sowie des London Health Sciences Centre und des Children's Health Foundation Stiftungslehrstuhls für pädiatrische Neurochirurgie und Neurowissenschaften durchgeführt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Advanced Sessions PluginCommunity Pluginhttps://vreue4.com/generated-node-documentation?section=advanced-sessions-pluginErmöglicht Steam-Multiplayer-Funktionen in Unreal Engine
Blender SoftwareBlender Foundationhttps://www.blender.org/Wird verwendet, um virtuelle 3D-MRT-Umgebungen und -Assets zu modellieren
FspyFspy Project (GitHub)https://fspy.io/Wird für den Kameraabgleich und die perspektivische Kalibrierung
verwendet HamachiLogMeInhttps://vpn.net/Wird verwendet, um ein virtuelles LAN für Multiplayer-Sitzungen während der Entwicklung
erstellen Meta Quest 3 und 3S HeadsetsMetahttps://www.meta.com/ca/quest/?srsltid=AfmBOooSwFweWKye9LY
HHsSsuGhZgdZZxi-m7xAFtC
ecIK2ekZnTAhGr		VR-Headsets zum Testen und Bereitstellen der Simulation
Multi-User-PluginUnreal Engine Marketplacehttps://dev.epicgames.com/documentation/en-us/unreal-engine/multi-user-editing-in-unreal-engineErmöglicht die kollaborative Bearbeitung in Echtzeit innerhalb der Unreal Engine
SteamValve Corporationhttps://store.steampowered.com/Für die Multiplayer-Verbindung erforderliche Online-Service-Plattform (über das Steam Online-Subsystem)
Unreal EngineEpic Gameshttps://www.unrealengine.com/en-US Game-Enginedie für die Entwicklung der VR-Simulation verwendet wird
Voice-Chat-Plugin / VOIP-TalkerUnreal Enginehttps://dev.epicgames.com/documentation/en-us/unreal-engine/voice-chat-with-epic-online-servicesErmöglicht den Voice-Chat in einer VR-Multiplayer-Umgebung
Windows PCMicrosoftSelf AssembledEntwicklungs- und Testplattform für die Erstellung des VR-Projekts. AMD Ryzen 9 5900X CPU, Nvidia RTX 3080Ti GPU, 32 GB RAM und eine 2 TB SSD 4 TB Festplatte
zu ,

Referenzen

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