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Mémoire DIU de pédagogie :

Evaluation de l’apprentissage chirurgicale par

réalité virtuelle en chirurgie minimale invasive :

Exemple de la sleeve gastrectomie par monotrocart Dr Guillaume Pourcher

Responsable du centre de prise en charge de la maladie obésité - IMM

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Résumé La chirurgie souffre d’un manque de formation technique au cours de l’internat par ailleurs les spécialités chirurgicales font l’objet de transformations technologiques ces 20 dernières années et pour les années à venir avec la nécessité même pour les chirurgiens seniors d’acquérir de l’expertise. Les modalités d’apprentissages n’ont pas changé depuis une trentaine d’année alors que les méthodes opératoires ne cessent d’évoluer. En effet durant leur cursus les internes sont rarement responsabilisés en tant qu’opérateur principal. Par ailleurs ils ne peuvent pas toujours voir non plus les gestes effectués lorsqu’ils sont assistants puisque les mains du chirurgien couvre le champ opératoire. Deux éléments de la préhistoire de l’enseignement chirurgical supportent encore aujourd’hui l’enseignement de l’Art de guérir :

• L’apprentissage technique se fait totalement sur les patients, on met en danger celui qui doit faire l’objet de toutes les précautions

• L’apprentissage se fait dans le stress et la violence ce qui est contraire à un enseignement de qualité

Ces éléments sont au moins responsables d’un retard d’apprentissage entrainant une diminution de la qualité des soins. De plus avec le développement des chirurgies minimales-invasives, la courbe d’apprentissage est plus longue à cause de l’utilisation d’une large gamme d’instruments chirurgicaux possibles. C’est pour répondre à ce besoin de formation que nous développons en partenariat avec la société VirtualiSurg des modules de simulation en réalité virtuelle dans le but de former les chirurgiens aux différentes techniques et gestion de situations qu’ils peuvent être amenés à réaliser, le tout dans un environnement sécuritaire avec une capacité de répétition infinie. Actuellement la littérature tend à montrer l’intérêt des simulateurs chirurgicaux mais aucun n’est véritablement immersif c’est-à-dire avec l’utilisation d’un casque. Pour ma part je suis chirurgien digestif spécialisé en chirurgie de l’obésité depuis 10 ans. Cette nouvelle spécialité est parfaitement adapté aux enjeux présentés précédemment. Aujourd’hui en France 59000 procédures chirurgicale sont réalisées par ans et ne cesse d’augmenter. La technique la plus réalisée est la sleeve gastrectomie ou gastrectomie en manchon. Comme toute technique chirurgicale des risques sont inhérent notamment sur la séquence de l’agrafage gastrique. J’ai eu la chance de pouvoir standardiser cette technique réalisée habituellement par coelioscopie « classique » (petites cicatrices, 4-5 en moyenne), en utilisant une technique par monotrocart c’est-à-dire par une seul petite cicatrice. Cette nouvelle technique implique l’utilisation de nouveau instruments et l’acquisition de nouveaux geste. Son intérêt pour les patients est évident mais pour les équipes soignantes un PHRC national multicentrique (MINIOB), que je coordonne est en cours d’inclusion. C’est pour cela que nous avons choisi d’expérimenter l’apprentissage de la technique de sleeve gastrectomie par monotrocart depuis janvier 2018. Le projet de recherche a été développé afin de déterminer l’intérêt et l’impact de la simulation VR sur l’apprenant et sa pratique par une étude comparative de groupe avec ou sans sessions VR sur simulateur. Les résultats intermédiaires seront présentés dans ce mémoire avec une publication dans SOARD en relecture (annexe 14). Dans cette étude de tendances nous avons mis en évidence une diminution de la charge mentale, de l’effort physique et du stress chez les apprenants ayant eu la formation en réalité virtuelle. Mots clefs : Réalité virtuelle, Chirurgie, obésité, sleeve monotrocart, Simulation, Pédagogie, Recherche

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Remerciements :

A mes maitres, Pr Dominique Franco, Pr JeanYves Bobin, Pr Brice Gayet

A l’équipe de Virtualisurg : Nicolas, Thomas, Jessy, Sabrina, Erwan

A l’équipe de Toy film

A ma famille

A François Quesnay (1694-1774), médecin du Roi et secrétaire perpétuel de l’académie royale de chirurgie

« La chirurgie est une des sciences que l’on a cultivé avec le plus de soin: la nécessité, le savoir, l’industrie et les travaux réunis de plusieurs siècles, y ont porté des lumières qui en ont hâté les progrès ; il n’y a cependant que des esprits superficiels qui puissent s’imaginer que les bornes de nos connaissances soient les bornes de l’art; la variété et la multiplicité de nos maux, leurs causes qui sont si cachées, les ressources qui nous manquent, ne nous offrent qu’un champ trop vaste et trop inconnu, où nous sommes obligés sans cesse de nous frayer de nouvelles routes.

Mais quelle est la voie que doivent suivre les chirurgiens pour perfectionner leur art ? Doivent-ils attendre les progrès de cette expérience qui s’acquière par la seule pratique, qui inspire si souvent tant de vanité, et qui séduit le vulgaire ? Si les connaissances que donne une telle expérience, avaient pu conduire la chirurgie à sa perfection, cet art ne serait-il pas parfait depuis plusieurs siècles ?

Il y a d’autres connaissances aussi essentielles et plus difficiles à saisir, qui doivent concourir, pour perfectionner la chirurgie. Ces connaissances qui ne se présentent pas aux simples praticiens, sont le fruit des expériences physiques.

Il y a donc deux sources d’où découlent les vérités qui peuvent enrichir notre art :

Le savoir de l’observation et la physique expérimentale. »*

*Préface du tome 1 des mémoires de l’académie royale de chirurgie 1743 par le Dr F. Quesnay

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I) Introduction ………………………………………………………………. 5

1) Contexte historique de la simulation ……………………………………. .5

2) Contexte actuel de la simulation ……………………………………..…....5

3) Analyse du contexte ………………………………………….……………7

4) Challenge éducatif de la chirurgie moderne………………………………..9

5) La réalité virtuelle …………………………………………………………11

6) La chirurgie de l’obésité et sleeve gastrectomie ………….……………… 12

7) La chirurgie minimale invasive…………………………………………….13

II) Etude comparative VR pour la sleeve monotrocart.……………………….15

1) Observation et analyses …………………………………………………… 15

2) Diminution de la charge de travail physique et mentale des chirurgiens débutants grâce à la

formation à la gastrectomie à manchon unique à port virtuel. Une étude exploratoire 18

III) Conclusion et discussion ………………………………………………….24

1) Conclusion ………………………………………………………………….24

2) Discussion et perspectives ……………………………………………….…25

Références ……………………………………………………………………. 27

Annexes ………………………………………………………………………. 32

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I) Introduction

1) Contexte historique de la simulation Les traces de la simulation dans l’histoire peuvent remonter à des périodes très anciennes.

Platon et Aristote évoquent déjà l’apprentissage par l’amusement et l’imitation. Dès cette époque et ce

jusqu’à la Renaissance le théâtre s’appuie sur ces bases et est utilisé comme art pédagogique [1].

Au Moyen-Âge les chevaliers s'entraînent avec des mannequins faits de bois et de paille pour les

tournois de joutes, le maniement de l’épée et le tir à l’arbalète. Ces simulateurs leurs permettaient de

développer par la répétition, une meilleure gestion du stress (la peur) et leurs aptitudes au combat.

Il faut attendre 1759 pour voir le premier simulateur médical. Madame Du Coudray, sagefemme,

reçoit de la part du Roi Louis XV un brevet et une pension afin qu’elle puisse enseigner aux matrones

des campagnes « l’art de l’accouchement ».

Elle parcourra la France durant vingt-cinq ans pour former plus de cinq milles femmes et environ cinq

cents médecins et chirurgiens. Grâce à son action éducative tout au long de sa vie elle permit de faire

nettement diminuer la mortalité infantile et maternelle en France [2]. En Angleterre, à partir de 1910 et

jusqu’au milieu des années 1970, un mannequin en bois nommé Mrs Chase (du nom de sa

conceptrice) sera utilisé par les élèves infirmiers pour la pratique des soins infirmiers. Ce modèle sera

également utilisé par l’armée américaine durant la Seconde Guerre Mondiale pour la formation et

l'entraînement de son service de santé. C’est avec la recherche sur la réanimation cardio-pulmonaire,

entre les années 1950 et 1960, que les mannequins et surtout la simulation vont connaître un

développement important. Par la suite les docteurs Stephen Abrahamson et Judson Denson mettent au

point le premier mannequin contrôlé par ordinateur : Sim One [3][4]. Il sera le précurseur de bon nombre

de simulateurs dont le logiciel GasMan simulant les échanges pharmacologiques des gaz

anesthésiques et le Comprehensive Anesthesia Simulation Environment permettant de travailler sur les

voies aériennes du patient par un médecin anesthésiste dans les situations de bloc opératoire. Ce

dernier donnera naissance après modification au SimMan proposé par Laerdal en 2000.

Le Pr David Gaba, acteur majeur dans l’évolution de la simulation en santé, va en 1985 réutiliser les

CRM [5] (Crew Resource Management) employés dans la formation des pilotes aéronautiques pour

créer les ACRM [6] (Anesthesia Crisis Resource Management). Ce sont quinze items que les médecins

doivent maîtriser pour gérer les situations. L’utilisation de patient standardisé [7], acteur jouant le rôle

d’un patient et simulant les symptômes d’une pathologie, est inventé en 1963 par le Dr Howard S.

Barrows et fait écho au théâtre précédemment évoqué ou des jeux de rôles actuellement très utilisés

dans l’enseignement moderne, ce qui donne encore des possibilités d’applications au monde de la VR.

2) Contexte actuel de la simulation L’origine du développement de cette technique d’apprentissage et d’entrainement correspond à une

prise de conscience de la nécessité d’améliorer la qualité des soins suite à la publication du rapport «

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To Err Is Human » [8] aux Etats-Unis et de l’enquête française ENEIS [9] (Enquête Nationale sur les

Évènements Indésirables liés aux Soins) qui ont permis de mettre en évidence l’importance et les

enjeux de ces problèmes pouvant engendrer un nombre important d'événements indésirables graves

voire de décès. Pour cause, en 1999 aux Etats-Unis, les experts ayant dirigés l’étude estiment que près

de 98 000 patients meurent à cause d’erreurs médicales qui se produisent dans les hôpitaux. Ces

chiffres sont statistiquement confirmés par l’enquête conduite en France cinq ans plus tard. Parmi les

admissions d’hospitalisation 10% sont en rapport avec un événement indésirable lié aux soins.

Et dans 80% des cas, une ou plusieurs erreurs sont en cause. Ces chiffres placent la mortalité due aux

erreurs médicales avant la mortalité due au cancer du sein, au SIDA ou aux accidents de la route.

Selon l’Organisation Mondiale de la Santé, la qualité des soins est « une démarche qui doit permettre

de garantir à chaque patient la combinaison d’actes diagnostiques et thérapeutiques qui lui assurera le

meilleur résultat en termes de santé, conformément à l’état actuel de la science médicale, au meilleur

coût pour un même résultat, au moindre risque iatrogène et pour sa plus grande satisfaction en termes

de procédures, de résultats et de contacts humains à l’intérieur du système de soins ». Pour ce faire les

acteurs de la santé se voient dans l’obligation de faire évoluer leurs méthodes d’enseigner.

Un rapport sur l’état de l’art en matière des pratiques en simulation dans le domaine de la santé [10] a été

effectué par le Pr Jean-Claude Granry et le Dr Marie-Christophe Moll et publié en 2012 par la HAS.

Ce dernier souligne qu’en France la simulation est encore émergente mais s’étend sur l’ensemble du

territoire. Il reconnaît le caractère pertinent et appliqué de la simulation en santé, mais également la

nécessité absolue d’encadrer les pratiques avec des règles bien définies. Mais cette activité est

marquée par des difficultés de financement, des équipements insuffisants et un manque

d’harmonisation des pratiques. Afin de diminuer les disparités entre les centres de simulation et de les

aider à proposer aux professionnels de santé un programme de qualité, un groupe de travail a élaboré,

un guide de bonnes pratiques en matière de simulation [11]. Il doit permettre de promouvoir le

développement de la simulation via le Développement Professionnel Continu [12] (DPC) et faciliter sa

structuration afin que les infrastructures. La récente réforme, arrêté du 8 avril 2013, relatif au régime

des études médicales en vue du premier et du deuxième cycle des études médicales intègre la

simulation dans les modalités de validation du certificat de compétence clinique. C’est dans cette

dynamique globale qu’est né le laboratoire iLumens.

Cependant le système traditionnel de formation chirurgicale décrit par Halstead il y a plus d'un siècle

doit intégrer des évolutions récentes de nos pratiques comprennent une diminution des heures de

travail des résidents, une diminution du temps disponible dans le bloc opératoire, un impératif éthique

pour protéger les patients et un ensemble de compétences spécifiques requises pour les techniques

endoscopiques et la chirurgie minimale-invasive [13] [14] [15]. Il est maintenant coutumier de réaliser un

certain degré de formation technique à l'extérieur de la salle d’opération, ce qui est impératif pour les

résidents en chirurgie [16].

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La réalité virtuelle (VR) offre un énorme potentiel pour améliorer la formation technique en dehors de

la salle d'opération. La formation sur un système de réalité virtuelle évite les préoccupations éthiques

associées à la pratique sur les animaux ou les cadavres. Par ailleurs la simulation de réalité virtuelle

permet un environnement plus flexible que celui créé par les modèles basse et haute-fidélité. Un grand

nombre des systèmes actuels de VR permettent une pratique à différents niveaux de difficulté et dans

un large éventail de scénarios cliniques, accueillant ainsi les apprenants à de nombreux niveaux

d’expertise. La VR permet également une pratique répétée sans risque pour les patients [17].

Bien que le potentiel des simulateurs de VR dans la formation chirurgicale soit largement reconnu, un

défi important pour les formateurs est de décider, parmi les nombreux simulateurs de VR disponibles,

ce qui est idéal pour la mise en œuvre dans leur programme particulier. Il est nécessaire non seulement

de choisir un simulateur qui a fait ses preuves dans la littérature, mais aussi de déterminer un

calendrier de formation sur le simulateur, de déterminer les paramètres d'évaluation appropriés et de

définir les compétences des experts.

3) Analyse du contexte Les activités de soins sont, au même titre que certaines activités industrielles (aéronautiques ou

nucléaires), des activités techniques complexes et à hauts risques. Elles résultent de processus

interdépendants réalisés par des individus et des équipes entraînées dont les niveaux de responsabilités

et d’intervention sont variables. Bien que l'entraînement à des tâches spécifiques garantisse

l’acquisition de compétences et de performances intra-individuelles, il ne permet pas de répondre à la

problématique des erreurs de communication ou de gestion des ressources matérielles et humaines au

sein d’une équipe. Afin de répondre à cette question l’industrie aéronautique a développé des outils

conceptuels d’enseignements regroupés sous le terme de Crew Ressources Management[5] dont

l’implémentation dans les programmes d'entraînement des pilotes a permis d’améliorer la sécurité des

vols commerciaux. Ces principes ont été adaptés au milieu médical dans le but de faire disparaître les

évènements indésirables graves liés aux erreurs humaines.

La confiance en soi est considérée comme l'une des motivations et des régulateurs les plus influents du

comportement et guide aux performances réussies dans la vie quotidienne des personnes [18] [19]. La

confiance en soi des chirurgiens influe également sur leurs performances, leur satisfaction

professionnelle et leur succès à l'avenir [20]. Dans une étude évaluant les erreurs commises par les

médecins débutants [21], la principale cause des erreurs mineures et majeures était « se sentir dépassée».

Malgré les progrès récents dans les méthodes de formation chirurgicale [22], 28 à 40 % de tous les

internes novices ont déclaré ne pas être confiants dans l'exécution d'une procédure majeure [23] [24]. Le

manque de confiance des novices peut entraîner des complications involontaires pendant la chirurgie.

Une revue systématique récente faite par Elfenbein [25] a mis en évidence la perte de confiance parmi

les internes en chirurgie et a expliqué la nécessité d'une meilleure évaluation objective de cet attribut.

Une échelle validée pour mesurer la confiance en soi des internes a montré que la confiance du

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stagiaire dans la gestion d'une situation chirurgicale critique augmente avec l'exposition à des

scénarios pertinents [26]. Cette expérience d'apprentissage pratique avec une réflexion sur la

performance est également vitale pour le développement professionnel continu [27].

Cependant, la réduction du temps de travail, l'accent mis sur l'achèvement de plus de procédures

chirurgicales et une supervision inadéquate ont compromis la formation [28]. De plus, le manque

d'expertise des internes en chirurgie au début de leur formation entraîne des erreurs dans la formation.

Une récente révision de la directive européenne sur le temps de travail a montré que la réduction des

heures de formation a eu un effet négatif sur certaines spécialités [30].

Un interne en chirurgie novice acquiert habituellement les connaissances fondamentales de la

chirurgie, de l'anatomie et des instruments avant d'opérer des patients. Après avoir acquis une maitrise

élémentaire des compétences de base, les internes doivent continuer leur apprentissage jusqu'à ce

qu'ils acquièrent des compétences complémentaires et fonctionnent sans crainte [31]. Cependant, dans

les salles d'opération surpeuplées, les internes ne peuvent pas avoir une vision ininterrompue du

champ opératoire, manquant parfois les éléments essentiels d'une intervention chirurgicale. Par

conséquent, il existe un besoin de réformer la formation chirurgicale actuelle en utilisant de nouveaux

outils d'apprentissage. Les technologies immersives disponibles dans le commerce, y compris la VR et

la réalité augmentée, pourraient apporter une réponse à ces défis [32], d’où ce travail.

En tant que nouvelle approche, l'introduction de la VR a rencontré un vif succès et offre des

perspectives intéressantes tant pour la formation chirurgicale que pour la planification chirurgicale

préopératoire de procédures complexes. Elle permet en effet de créer des environnements sûrs,

spécifiques au patient, dans lesquels les chirurgiens peuvent perfectionner leurs compétences sans

risquer la sécurité des patients [33] [34]. Bien que la VR soit déjà courante dans de nombreuses spécialités

chirurgicales [35], son adaptation à certaines spécialités chirurgicales a été cependant lente et les preuves

qui soulignent son utilité sont rares. La littérature actuelle sur le sujet est de portée limitée car les

études sont largement axées sur la validité de la réalité virtuelle et sont souvent de petite échelle et

manquent de contrôles importants et de pouvoir statistique adéquat, rendant l'utilisation de la VR

incertaine.

La sécurité des patients et la nécessité d'une formation chirurgicale sont deux nécessités pour

lesquelles la VR offre une solution novatrice et prometteuse, remettant en question les années de

tradition, dépassant les dilemmes légaux et éthiques [36].

Ainsi les points forts de la simulation en VR comprennent :

• Les possibilités quasi illimitées pour les chirurgiens et les internes de s'entraîner sans stress

dans des environnements réalistes [37].

• Le cout des simulateurs VR est inférieure à celui des modèles de formation traditionnels

alternatifs[38].

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• La VR est ajustable au niveau de compétence du stagiaire et peut fournir un profil

d'évaluation de performance unique pour l'individu.

• Les progrès d'un stagiaire peuvent être décrites enregistrées et analysées, fournissant une

rétroaction utile pour aider les apprenants à identifier les zones de faiblesse potentielle.

Lorsqu'elle est utilisée dans tous les programmes, la VR peut être utilisée pour comparer et

certifier les stagiaires [39].

Ces avantages font de la réalité virtuelle une composante probable des programmes de formation dans

le futur [40].

Les enseignants observent quant à eux que l’apprentissage par la simulation favorise la

communication avec le professeur et l’étudiant (devant un mannequin plutôt qu’un patient réel), le

travail en équipe, l’enregistrement vidéo des séances pour revoir les actions de manière détaillée ce qui

permet une évaluation précise des compétences. Pour Paskins [50] ces séances permettent une réflexion

dans l’action plutôt que l’utilisation de connaissances théoriques plus ou moins mobilisables ce qui

représente une avancée pédagogique importante.

Pour les étudiants, cet apprentissage réalisé dans un environnement réaliste et sans risque pour le

patient permet grâce au travail en groupe et la communication de prendre confiance en soi dans des

situations cliniques où le stress serait trop présent.

C’est dans cette continuité que le Développement Professionnel Continu (DPC) a été créé et le

mouvement a été initié par la loi Hôpital, Patients, Santé et Territoires (HPST) [51] en 2009. Cependant

cette obligation nouvelle n’a été réellement effective que depuis le 1er janvier 2013.

Dans tous les cas, les programmes de simulation sont organisés selon les règles de bonnes pratiques dé

nies dans le document HAS « Guide de bonnes pratiques en matière de simulation en santé ».

4) Challenge éducatif de la chirurgie moderne Les techniques laparoscopiques ont créé un nouveau paradigme en matière de formation avec

l'abandon du modèle d'apprentissage traditionnel vers des programmes structurés d'enseignement de

nouvelles compétences en dehors de la salle d'opération. La formation technique en chirurgie générale

progresse à travers des phases de participation progressive au rôle de deuxième puis premier assistant.

Malheureusement dans la laparoscopie, le premier assistant peut manipuler un ou plusieurs

instruments fixes et a peu de possibilités pendant l'opération de pratiquer les manœuvres réelles de la

chirurgie, ce qui diffèrent significativement de celles pratiquées en chirurgie ouverte [54]. De plus, la

chirurgie laparoscopique est techniquement exigeante et nécessite des capacités psychomotrices

spécifiques et des compétences différentes de celles nécessaires en chirurgie conventionnelle [55]. Ces

compétences comprennent : une rétroaction tactile altérée, une coordination oeil-main différente, la

transposition d'une image vidéo bidimensionnelle en une zone de travail tridimensionnelle et l'effet de

pivot [56]. Toutes ces compétences sont difficiles à obtenir en salle d'opération [57]. C’est pour cela qu’il

faut que les internes aient le maximum de pratique, ce qui fait parfaitement écho à la pyramide

10

d’apprentissage de l’université du Maine [58]. Cette dernière montre que l’apprentissage par le faire

permet une excellente rétention d’information, autour de 75% contre 20% pour le visuel (Annexe 1).

À l'heure actuelle, il existe plusieurs modèles de formation qui peuvent être catégorisés en tant que

modules en boîtes, simulateurs hybrides, simulateurs de réalité virtuelle, simulateurs de réalité

augmentée, laboratoires animaux et modèles de cadavériques. Les modules en boîtes sont souvent

utilisés pour la formation en simulateur laparoscopique et il a été démontré que la performance de ces

formateurs est bien corrélée avec les évaluations intra-opératoires des résidents effectuant une

procédure laparoscopique. Cependant, ces modules traditionnels manquent d'évaluation objective de la

performance [59]. Les simulateurs hybrides, en combinant de vrais instruments et des modèles

d'entraînement physique avec le mentorat informatique offrent un logiciel objectif générant une

évaluation de la performance des tâches grâce à l'analyse du mouvement de l'instrument tout en

conservant les caractéristiques d'une simple boite [60].

Les simulateurs chirurgicaux laparoscopiques en réalité virtuelle sont considérés comme des outils

éducatifs à fort potentiel. Ces derniers peuvent fournir une formation de base sans surveillance dans un

environnement contrôlé et sans la pression de l'opération sur les patients. Ils peuvent également offrir

une évaluation objective de la performance sans la nécessité d'une surveillance humaine et mesurer

directement plusieurs aspects de la performance psychomotrice d'un sujet sur des compétences

laparoscopiques spécifiques. Cependant, ils manquent de rétroaction haptique réaliste. D'un autre côté,

la réalité augmentée combine un environnement de réalité virtuelle avec de vrais matériaux physiques,

des instruments et des retours sensoriels. Un certain nombre d'études ont comparé différents modèles

de formation, la principale conclusion étant que la formation basée sur une combinaison de modèles

est plus efficace qu'une formation fondée sur un modèle [61].

La simulation de réalité virtuelle en chirurgie laparoscopique offre la possibilité de s'entraîner

sans pratiquer sur de vrais patients. La simulation offre un moyen d'apprentissage sans risque

dans des situations complexes, critiques ou rares, ainsi que la promotion d'approches

interdisciplinaires et basées sur l'équipe pour l'apprentissage. De plus, la simulation peut jouer un

rôle important dans l'évaluation des résultats et l'accréditation. La réalité virtuelle signifie la

simulation de différentes compétences rencontrées dans la vie réelle à travers l'ordinateur. L’apprenant

réagit dans un scénario avec des éléments qui ressemblent à du réel et qui peuvent être modifiés et

ajustés en fonction du niveau de performance ciblé. Ainsi, les simulateurs de réalité virtuelle

constituent un moyen d'entraînement prometteur en chirurgie laparoscopique.

Dans le contexte de la chirurgie mini-invasive qui est actuellement un domaine en constante évolution,

les internes, les chirurgiens novices et les chirurgiens de différents niveaux d'expertise doivent

acquérir des compétences de base, doivent être formés aux procédures laparoscopiques de base et

difficiles sans oublier les cas rares.

Sans aucun doute, les simulateurs VR présentent un nouveau paradigme en éducation chirurgicale.

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Il suffit de faire le parallèle avec l'aéronautique, où la formation en réalité virtuelle a été standardisée

et où les simulateurs VR ont prouvé leurs avantages. Les objectifs, les besoins et les moyens de

simulation VR en chirurgie laparoscopique restent un sujet de recherche car ce type de formation doit

atteindre les objectifs tout en minimisant le temps et les coûts ce qui n’est pas encore le cas.

5) La réalité virtuelle Selon Jean Segura, spécialiste de l’imagerie de synthèse et des usages du virtuel, la réalité virtuelle

peut se définir comme “l’ensemble des techniques et systèmes qui procurent à l’homme le sentiment

de pénétrer dans des univers synthétiques créés sur internet”. La réalité virtuelle donne la possibilité

d’effectuer en temps réel un certain nombre d’actions définies par un ou plusieurs programmes

informatiques et d’éprouver un certain nombre de sensations visuelles, auditives ou haptiques.

Les précurseurs de la réalité virtuelle sont notament Horton Hellig, Ivan Sutherland et Scott Fisher. En

1962, Morton Heilig invente le Sensorama. Ce premier appareil de réalité virtuelle sera uniquement

fait pour regarder la télévision. En 1965, Ivan Sutherland met au point les premiers casques de

visualisation interactive qui vont être utilisés notamment pour l’entraînement des pilotes appelés

“Incredible Helmet” ou encore l’”épée de Damoclès”. En 1968, ses recherches aboutissent à la mise au

point du “head-Mounted Three-Dimensional Display”. En 1978, le chercheur Frédéric Brooks,

fondateur du département de Computer Sciences de l’université de Caroline du Nord à Chapel Hill

(UNC), initiateur du concept d’Haptic Display, lance le programme de recherche GROPE destiné aux

applications en modélisation moléculaire.

Puis Thomas Furness développe le prototype de casque VCASS (Virtually Coupled

Airborne Systems Simulator”) appelé “Darth Vader” en 1982. Ce n’est qu’ensuite que la réalité

virtuelle commence à intégrer des programmes de recherches majeurs. En 1984, Michael Mc Greevy,

ingénieur à la NASA Ames research center initie le programme virtual Work station afin de

développer un simulateur personnel. Les premières applications de la Virtual Environmental

Telepresence Workstation arrivent en 1989 avec par exemple l’exploration simulée de la planète Mars.

Le programme de la NASA-Ames crée ainsi un prototype de casque de visualisation stéréoscopique

(HMD), le Virtual Visual Environment Display (VIVED). En1991, Virtual research fabrique et

commercialise le Eygen2. Mais il aura fallu plusieurs décennies pour que la réalité virtuelle fasse son

chemin au sein de la communauté scientifique et qu’enfin les marques commencent à s’y intéresser.

Ce n’est que dans les années 90 que les premiers industriels commencent à fabriquer des stations de

RV destinées à l’univers des jeux. L’une des premières plateformes, créés par Jonathan Waldern est W

industries et devient ensuite Virtuality. Un outil d’apprentissage en VR est une vidéo en 360° avec un

casque pour que l’interne puisque observer en vue subjective l’opération. Les trois éléments essentiels

de la chirurgie VR sont une expérience 360° de la salle d'opération, visualisation stéréoscopique en

gros plan de la procédure et interaction tridimensionnelle (3D). La vidéo 360° crée un sentiment de

présence [66] dans la salle d'opération lorsqu'on la regarde en utilisant un casque. Un modèle généré par

12

ordinateur de la salle d'opération permet aux internes de naviguer et d'interagir avec des modèles 3D

des données, des instruments et de l'anatomie du patient. Sur les côtés, l’utilisateur peut observer

différentes données.

La plupart des essais publiés étudient la validité des simulateurs en réalité virtuelle en tant qu'outils

d'évaluation. Différents simulateurs VR ont été étudiés, y compris MIST-VR, LaSim, Simsurgery,

Lap-Mentor, Sinergia. Plus en détail, MIST-VR permet l'exécution de tâches laparoscopiques de base,

LapSim et Simsurgery permettent l'enseignement de compétences laparoscopiques de base :

navigation par caméra, navigation instrumentale, coordination d'instruments, application de clips,

noeuds intra-corporels, dissection de vaisseaux, ainsi qu’en cholécystectomie et anastomose

intestinale. D'autre part, le LapMentor, outre les tâches et procédures laparoscopiques de base, rend

possible la simulation d’actes chirurgicaux plus complexes.

Des données limitées existent sur l'effet de la formation en simulation de réalité virtuelle sur

l'acquisition de compétences non techniques telles que la perception spatiale visuelle et les

compétences psychomoteurs, dont les capacités d'adaptation au stress [67].

Des données limitées existent sur l'effet de l'entraînement par simulateur de réalité virtuelle sur les

performances des procédures laparoscopiques avancées.

L'effet du simulateur de réalité virtuelle pour améliorer les compétences a été prouvé à un niveau

novice pour les compétences chirurgicales laparoscopiques de base, mini-invasive et pour les

compétences avancées de suture. De plus, des données limitées suggèrent qu'une approche

indépendante de la formation en simulation de réalité virtuelle n'est pas différente de l'approche

surveillée par un formateur [68].

6) La chirurgie de l’obésité et sleeve gastrectomie: La prévalence de l’obésité́ est passée de 8,2% en 1997 à 17% en 2016 en France. Selon ce rythme

d’évolution, la France pourrait compter 30% d’obèses en 2030. L’obésité́ morbide, définie par un

index de masse corporelle (IMC) de 40 kg/m2 ou plus, est directement associée à une surmortalité [69].

Cette population a été multipliée par plus de 5 en 19 ans (0,3% en 1997 à 1,6 % en 2016). La chirurgie

bariatrique, principal traitement actuel de ces patients, permet une réduction à long terme de la morbi-

mortalité et correspond à 3 techniques : l’anneau gastrique, dérivation gastro-jéjunale ou bypass et

gastrectomie longitudinale ou sleeve gastrectomie. En France, cette dernière technique, la sleeve

gastrectomie, a été validée par la HAS [29]., comme procédure à part entière, en 2008 et est devenue

depuis 2011 la première procédure pratiquée en France et dans le monde pour ces patients. Cette

intervention est basée sur la section longitudinale verticale de l’estomac avec résection de environ ¾

de l’organe. Ainsi elle présente à la fois une action restrictive et une action hormonale. Cette technique

de première intention a donc un fort potentiel de développement d’autant plus que ses résultats

semblent supérieurs à ceux de l’anneau gastrique et similaires à ceux du bypass tout en évitant la

malabsorption [69]. Environ 500 000 patients âgés de 20 à 65 ans sont en situation « d’obésité́ morbide »

13

(IMC >40 kg/m2) c’est à dire 4 fois plus qu’en 1997 selon les rapports Obepi. La chirurgie bariatrique

suit cette progression, ainsi en 2004 seul 10000 procédures bariatriques étaient réalisées pour 59000 en

2017.

Depuis sa validation en France (2008) et dans le monde, la sleeve gastrectomie par la technique de

référence (trocarts multiples), ne cesse de prendre de l’importance dans la prise en charge chirurgicale

de l’obésité. Plus de 5000 interventions ont été réalisées en 2009 en France sur près de 29000

procédures bariatriques selon les données PMSI. En 2010, 8000 sleeve ont été effectuées et en 2016

plus de 45000 sleeve sur les 59000 procédures. Ainsi elle est devenue la première procédure

bariatrique réalisée en France depuis 2011. La sleeve gastrectomie est certainement vouée à jouer un

rôle majeur dans la prise en charge de l’obésité maladie. Cette technique étant presque toujours

réalisée par cœlioscopie à trocart multiple jusqu'à ce jour.

7)La chirurgie minimale invasive

On entend par chirurgie Minimale invasive ou mini invasive, les voies d’abord chirurgicales avec un

plus faible degrés d’agression du corps. C’est la révolution technique de ces 30 dernières années. Ces

techniques de chirurgie par des petites incisions ou le chirurgien ne travaille plus avec ses mains

directement à l’intérieur du malade (Laparotomie) ont été standardisées dans les années 80 notamment

par un chirurgien français, le Dr Mouret. Grace à l’insufflation de CO2 en intra péritonéal et à l’aide

de camera associée à des pinces le chirurgien opère en regardant un écran par des petites cicatrice (la

cœlioscopie ou laparoscopie). La non infériorité́ de la laparoscopie par rapport à la laparotomie a pu

être mise en évidence par la méta-analyse de Maggard et al. [70] et les revues systématiques de la

Cochrane Library [69], n’ont pas mis en évidence de différence de perte de poids entre les voies d’abord

laparotomique et laparoscopique, quelle que soit la technique utilisée (anneau gastrique

laparoscopique vs laparotomique, bypass gastrojéjunal laparotomique vs laparoscopique, sleeve

gastrectomie laparotomique vs laparoscopique).

- Par ailleurs la réduction de la morbidité péri-opératoire est le principal avantage de l'approche

laparoscopique [76]. A la fin des années 90, bien que la morbidité péri-opératoire pour les interventions

bariatriques par laparotomie n'ait cessé de diminuer, les complications cardiopulmonaires et les plaies

restaient un problème majeur [77]. En minimisant l'incision d'accès, par une approche, laparoscopique

des procédures telle que la cholécystectomie chez des patients obèses ou avec un taux de comorbidité

élevé ont permis une réduction relative de la morbidité péri-opératoire significative [76].

Ainsi sans la laparoscopie, la chirurgie bariatrique n’aurait jamais connu le développement et l’intérêt

qu’elle suscite actuellement. Elle permet tous les actes chirurgicaux aujourd’hui disponibles:

gastroplastie par anneau modulable, bypass gastrojéjunal , dérivation biliopancréatique et sleeve

14

gastrectomie. Actuellement toute la chirurgie bariatrique est réalisée par laparoscopie hormis les

contre-indications d’ordre technique ou anesthésique [73]

La technique de trocart unique s’inscrit dans cette continuité de prise en charge minimale invasive.

Cette technique est basée sur la réalisation d’interventions chirurgicales utilisant un seul trocart avec

une incision inférieure à 2,5 cm qui permet d’introduire 3 à 4 pinces chirurgicales à double courbure

permettant de travailler dans la cavité péritonéale dans de bonnes conditions de sécurité. Les premiers

essais ont été réalisés dans les années 90 mais sa commercialisation date de fin 2007 aux USA [78, 79].

Encore moins invasive, cette technique permet de réaliser un grand nombre d’interventions digestives

telles que cholécystectomie, colectomie, résection digestive multiple, appendicectomie, splénectomie à

travers une incision unique grâce à une instrumentation modifiée [47]. Les données de la littérature sur

la sleeve gastrectomie par trocart unique reste minimes et nous ne retrouvons que quelques séries

retrospectives ou j’ai participé largement à cette validation de faisabilité [47-49].. Enfin je coordonne la

seule étude prospective randomisée de plus de 50 patients financé dans le cadre des PHRC nationaux

(MINIOB : 388 patients) actuellement en cours d’inclusion. Les objectifs de son utilisation et son

intérêt résident en premier lieu dans la diminution des douleurs post-opératoires, la rapidité de

récupération post-opératoire avec un raccourcissement de la durée d’hospitalisation et une reprise

d’activité́ précoce, une diminution des complications pariétales, sans oublier le gain esthétique d’une

cicatrice unique de très petite taille peu visible. Ces avantages par rapport à la technique de référence

sous cœlioscopie qui nécessite 5 à 7 trocarts restent à démontrer.

Nous utilisons un trocart unique avec quatre accès (Olympus, France, annexe 15) qui a été modélisé

dans le simulateur VR. Il faut noter le problème de la courbe d’apprentissage à la technique de sleeve

gastrectomie par trocart unique. Elle est nécessaire pour l’utilisation de cette nouvelle voie d’abord.

Cette courbe d’apprentissage de 20 malades peut être réduite à 10 pour un chirurgien à bonne

expérience coelioscopique de la sleeve gastrectomie et ayant déjà̀ pratiqué de la chirurgie par trocart

unique. En effet, les défis techniques sont similaires à la coelioscopie : accès par voie intrapéritonéale,

échange d'instruments et coordination entre l’aide opératoire et l’image. Mais on passe de plusieurs

petites cicatrices à une seule, ce qui correspond à l’évolution naturelle de la chirurgie laparoscopique

et minimale invasive.

Cette technique nouvelle exige des compétences et une formation de haut niveau avec l’utilisation de

nouveaux instruments (double courbure) et un optique flexible. Cette formation pratique est

actuellement limitée par la quasi absence de centre de formation. Seules quelques équipes réalisent en

routine des procédures monotrocarts dont mon équipe à l’Institut Montsouris.

15

Par ailleurs la technique nécessite d’intégrer deux nouvelles notions chirurgicales [47-49]:

L’Espace pariétal : espace ou tous les instruments sont introduits avec des problèmes de conflit

Le couloir chirurgical : espace dans lequel le chirurgien travail en intra péritonéal.

Ces deux nouvelles notions techniques nécessitent une connaissance théorique et pratique nouvelles

qui sont parfaitement adaptées à l’apprentissage par simulateur VR.

La validation de cette prise en charge par trocart unique, permettrait de rendre cette pratique minimale

invasive usuelle particulièrement chez ces patients à haut risque que sont les obèses. Ainsi l’intérêt de

développer de nouveaux moyens de formation est pour cette technique particulièrement essentiel. Il

faut également évoquer les possibilités d’évolution de cette voie d’abord à trocart unique vers une

robotisation du procédé́ correspondant très probablement à la chirurgie du futur.

II) Développement du projet de recherche pédagogique 1) Observation et analyse Genèse

L’idée de la start-up VirtualiSurg est née en novembre 2016 et créée en mai 2017. Elle fait suite aux

observations faites par Nicolas Mignan lorsqu’il était en fonction au sein de l’université Paris

Descartes en tant que Directeur Général des Services. Son constat fût que la formation des chirurgiens

était trop légère et plus adaptée aux pratiques actuelles. Ce qui a été confirmé lors d’échange avec le

laboratoire de simulation en santé iLumens et le département d’anatomie de l’Université de médecine.

La conclusion de ces observations de terrain est que la formation en chirurgie manque de mise en

pratique pour les internes qui se retrouvent catapultés en tant qu’opérateur à la fin de l’interne sans

avoir eu l’occasion réelle de réaliser les procédures sous le contrôle d’un chirurgien senior, avec un

leitmotiv : « jamais la première fois sur un patient »

J’ai eu la chance de mon côté de pouvoir standardiser une nouvelle voie d’abord pour la sleeve

gastrectomie dès 2010 au sein de l’équipe du Pr Dominique Franco (Hôpital Béclère-APHP) comme

nous l’avons vu, un PHRC national est en cours pour évaluer cette nouvelle technique mais sa

diffusion nécessitera une approche moderne et efficace aussi bien pour les jeunes chirurgiens que pour

des chirurgiens senior. Nous nous sommes donc rencontrés avec le PDG de Virtualisurg et avons

décidé de travailler ensemble autour de ce projet passionnant, qui permettra de diffuser une nouvelle

technique moins invasive dans un secteur chirurgicale d’avenir aux enjeux de santé public majeurs.

Pour cela que le premier module de formation développé au sein de la société Virtualisurg est une

chirurgie de l’obésité, la sleeve gastrectomie par monotrocart. Ce choix a été fait pour plusieurs

raisons. Tout d’abord cela représentait un défi de développement puisque le moteur graphique doit

16

gérer beaucoup d’interactions et uniquement des tissus mous avec des comportements particuliers.

Ensuite cette chirurgie nécessite la maitrise de plusieurs instruments dont l’ergonomie est spécifique.

Pour finir la méthode par monotrocart demande une réelle adaptation du chirurgien et un apprentissage

plus long par rapport à la technique par multi-trocart.

Du fait de la pluridisciplinarité du bloc opératoire, il est impératif de penser à intégrer les autres

personnels de la salle d’opération dans la simulation en réalité virtuelle. Cette intégration fait appel à

des compétences spécifiques à chaque métier. Ceci est possible de manière simultanée en multi-joueur

ou bien en solo en jouant seulement son rôle avec des avatars autour.

Cette diversification des programmes peut aller plus loin encore. En effet la formation par la réalité

virtuelle peut répondre à un besoin de formation très divers.

La volonté de VirtualiSurg est que les programmes proposés puissent être valorisés par les apprenants.

En effet actuellement les modules de formation sont commandés par un client et répond

spécifiquement à leur demande. Demain l’idée est que ces chirurgies développées sur VR soient un

socle d’apprentissage avec une diffusion mondiale possible et que cela devienne une modalité de

formation de référence.

Pour commencer, il serait intéressant de pouvoir collaborer avec les institutions publiques afin

d’intégrer la simulation en réalité virtuelle, proposée par la société, au système de formation initiale et

continue pour les facultés mais également au DPC pour réaliser un contrôle des connaissances. Cette

idée ne semble pas irréaliste puisque cela fait d’ores et déjà partie des conditions pour les pilotes

d’avion pour qu’ils puissent continuer de voler.

Question centrale

Cette étude s’intègre dans le projet de recherche et développement du produit mais également sur son

évaluation scientifique et pédagogique afin de déterminer sa pertinence en tant qu’outil de simulation

pour un système d’enseignement. Cette expérience est un projet pilote afin d’obtenir des données

préliminaires dans l’optique de prouver la validité scientifique du simulateur et de valider le protocole

d’évaluation afin de conduire une étude plus large évaluant plus en détail les impacts de la solution sur

l’apprenant.

Ayant pour sujet l’étude d’un outil mais également de l’utilisateur, ce projet est interdisciplinaire. Il

couvre les domaines connexes de l’éducation et des sciences cognitives qui sont regroupés dans cette

question principale : « Est-ce que la réalité virtuelle a un effet sur l’apprentissage et l’état de

l’opérateur ? ».

Cette question globale peut être subdivisée pour chaque expertise. Concernant les sciences cognitives

cette dernière peut être formulée de la manière suivante : « Dans quelle mesure et à quel niveau la

réalité virtuelle aide à diminuer la charge cognitive de l’opérateur ? ».

Pour la partie pédagogique la question est : « Quelles sont les compétences améliorées par la

simulation en réalité virtuelle et ensuite transposées aux situations réelles ? »

17

État de l’art Les domaines d'entraînement où les effets des simulateurs de réalité virtuelle ont été étudiés

comprennent l'apprentissage de base en chirurgie laparoscopique, l'entraînement de base en chirurgie

robotique, l'entraînement en laparoscopique, l'entraînement en techniques chirurgicales mini-invasives.

Il semble que les compétences obtenues grâce à la formation en simulation de réalité virtuelle peuvent

être transférées en salle d'opération.

Cependant, il y a un nombre limité d'études et un nombre limité de participants. De plus, dans un

certain nombre d'études, la capacité de transfert de compétences a été évaluée chez des cadavres, des

tissus ex vivo dans le cas de chirurgie robotique ou des modèles animaux, et non chez des patients

réels. Par ailleurs, il existe des études qui ne parviennent pas à démontrer la validité prédictive de la

formation en simulation de réalité virtuelle [71].

Bien qu'il existe des données limitées et contradictoires, l'effet de la formation à la simulation de la

réalité virtuelle sur l'acquisition des compétences chirurgicales de base n'a pas été prouvé de façon

fiable comme étant différent de l'effet des simulateurs physiques [72].

Les performances sur les simulateurs de réalité virtuelle distinguent les chirurgiens débutants et

expérimentés. Formation sur les modèles de réalité virtuelle avant la pratique permet aux apprenants

de surmonter la première phase de leur courbe d'apprentissage dans un environnement simulé,

contribuant ainsi à leur efficacité d'apprentissage dans la salle d’opération [75].

Des études ont montré que les novices atteignent la compétence d'experts après environ 10 essais sur

le simulateur [76] et que les courbes d'apprentissage présentent desvariations individuelles [77]. Cette

constatation est importante car elle indique que les stagiaires à des niveaux similaires peuvent prendre

différents temps pour atteindre la compétence d'expert.

Les avancées dans les techniques de simulation de jeu ont poussé les simulations basées sur l'écran à

aller plus loin avec la création de mondes de réalité virtuelle qui sont accessibles par le Web ou

localement. Dans ces mondes virtuels, l’apprenant peut interagir avec des patients virtuels pour

investiguer un problème clinique. Cette interaction virtuelle est différente de la simulation sur écran

dans la mesure où dans le monde virtuel, l’utilisateur se voit dans le même environnement que le

patient virtuel. Ces mondes virtuels en trois dimensions permettent à plusieurs apprenants, qui peuvent

être situés dans des lieux géographiques divers, de prendre un « avatar » dans l'environnement virtuel

en ligne. Les stagiaires peuvent déplacer leur avatar à l'aide d'une souris, parler en temps réel à

d'autres joueurs à l'aide d'un casque et d'un microphone et initier des actions, en utilisant un

stéthoscope ou une ponction veineuse. Second Life (Linden Research, San Francisco, CA, États-Unis)

est le monde virtuel le plus populaire accessible à la population mondiale. Il existe des scénarios de

formation pour les mondes virtuels, y compris la formation des équipes en salle d'urgence pour la

gestion des traumatismes. Bien que Second Life ait été développé principalement pour le réseautage

social, les possibilités d'enseignement et d'apprentissage en médecine ont été développées dans ce

monde virtuel. Les joueurs de Second Life peuvent participer à une clinique virtuelle pour se

18

renseigner sur les souffles cardiaques, apprendre dans un centre d'éducation neurologique virtuel ou

pratiquer des examens physiques et lire des films radiologiques [85]. Bien que des modules éducatifs

spécifiques à la chirurgie n'aient pas encore été développés pour Second Life, le potentiel de cette

technologie pour la formation chirurgicale est vaste. Cet environnement a le potentiel d'enseigner des

soins complets aux patients, y compris des compétences techniques et non techniques. Des recherches

supplémentaires sont toutefois nécessaires pour étudier les résultats éducatifs de l'engagement dans un

monde virtuel, pour évaluer si les compétences acquises dans un monde virtuel sont transférées à des

rencontres réelles avec des patients et pour définir leur rôle optimal dans un programme

d’enseignement de compétences chirurgicales.

Tous les patients précédemment décrits dans la simulation VR sur écran, ou dans un monde virtuel,

sont conçus pour représenter une certaine condition clinique pour enseigner des compétences

médicales générales. Bien que ces dispositifs de planification préopératoire ou pré thérapeutique ne

fassent pas encore partie de la pratique clinique courante, ils ont certainement des implications

énormes pour la formation chirurgicale.

2) Diminution de la charge de travail physique et mentale des chirurgiens débutants grâce à la formation à la gastrectomie à manchon unique à port virtuel. Une étude exploratoire.

Résumé :

Contexte: Les chirurgiens novices éprouvent une charge de travail physique et mentale élevée au début

de leur apprentissage et /ou de leur pratique. La sleeve gastrectomie par laparoscopie est la première

procédure bariatrique au monde, généralement réalisée en multiport. La faisabilité et la sécurité de la

gastrectomie à un seul trocart ont été prouvées [47-49]. Nous avons publié ce type de procédure

standardisée en décrivant les différentes étapes pour les chirurgiens bariatriques. Une solution basée

sur la réalité virtuelle a été développée pour fournir un exercice répétitif lors de l’apprentissage de la

technique de la sleeve gastrectomie en monotrocart. Cette étude comparative essaie d’évaluer l’impact

d’un module VR pour réduire la charge de travail mentale et physique chez les chirurgiens au cours de

la formation.

Matériels et méthodes : Dix résidents ont participé à un premier cas de gastrectomie dans un manchon

à un seul orifice en salle d'opération et un deuxième mois plus tard. Les participants ont été divisés en

deux groupes, le groupe témoin (sans session de VR) et le groupe VR (avec une session entre la

première et la deuxième chirurgie), figure 1. La charge de travail mentale et physique a été évaluée

avec les échelles NASA-TLX et Borg associées au test d'inconfort du mannequin, figure 2. Tout

d'abord, nous avons analysé l'évolution de la charge de travail entre les sessions de VR.

Deuxièmement, nous avons analysé la différence de charge de travail entre le groupe VR et le groupe

de contrôle, figure 3. Des questionnaires spécifiques sur la facilité d'utilisation du module VR ont

19

également été utilisés dans cette étude (présence, questionnaires sur la cybersécurité et questionnaires

d'utilisabilité) pour évaluer le dispositif VR, figure 4.

Résultats : Dans le groupe VR, une diminution marginale de la charge de travail mental a été observée

dans la dimension de la demande mentale de NASA-TLX entre la première et la deuxième chirurgie

(de 77,50 à 59,17 / 100). Dans les dimensions Performance et Effort, des scores moyens élevés ont été

obtenus lors de la première intervention chirurgicale par rapport à la seconde. La charge de travail

physique du groupe VR était modérément élevée. Le score d'inconfort postural de la première

intervention chirurgicale était de 3,92 points et diminuait pendant la séance de VR (1,08 point) et lors

de la seconde chirurgie (2 points / 10). Un effort physique médian a été observé sur le score de Borg

mais sans différence entre les séances. En ce qui concerne les résultats entre le groupe VR et le groupe

témoin, nous avons constaté des différences au niveau de la demande mentale et de la frustration chez

NASA-TLX : le groupe VR a obtenu un score inférieur (59,17 / 100) au groupe témoin (78,75 / 100).

Enfin, des différences non significatives ont été constatées entre les groupes concernant la charge de

travail physique.

Conclusion : Notre étude exploratoire a montré que l’auto-évaluation de la charge de travail mentale et

physique chez les chirurgiens débutants pourrait être réduite grâce à une formation en la réalité

virtuelle. Les inconforts posturaux étaient localisés sur les membres supérieurs, le cou et le bas du dos,

et l'entraînement en VR pouvait diminuer le sentiment d'inconfort. De plus, en ce qui concerne les

différences entre les groupes VR et contrôle, nous avons observé un effet positif sur la demande

mentale en faveur de l'entraînement en VR. La solution de gastrectomie à un seul trocart basée sur la

réalité virtuelle permettrait d'améliorer la pratique chirurgicale et de réduire la charge de travail

physique et mentale des apprenants. À l'avenir, d'autres analyses devront être effectuées pour renforcer

ces résultats avec davantage de participants.

L’ensemble des résultats sont contenu dans l’annexe 14, qui correspond à l’article en cours de

relecture dans le journal spécialisé internationale Surgical Obesity and Related Dieses (SOARD)

Figure 1: Procédure expérimentale: les participants des deux groupes effectuent une première

intervention chirurgicale au bloc opératoire (noté OT1 dans le texte). La moitié d'entre eux font une

formation sur le module VR (sessions de VR notées). Ensuite, tous les participants effectuent une

deuxième intervention chirurgicale au bloc opératoire (noté OT2).

20

Figure 2: Résultats du score NASA-TLX à chaque session du groupe VR (score moyen RTLX

et erreur standard).

Figure 3: Résultats du score NASA-TLX entre VR et groupe témoin (score moyen RTLX et erreur

standard).

Figure 4: Résultats du score d'inconfort postural à chaque séance du groupe VR (moyenne et

erreur standard).

77,50

38,33

28,33

71,6775,00

41,67

62,29

38,96

33,33

50,21 51,46

41,25

59,17

44,17 42,50

51,67 55,83

39,17

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

Mental Demand Physical Demand Temporal Demand Performance Effort Frustration

NASA-TLX score

OT1 VR sessions OT2

59,17

44,17 42,50

51,6755,83

39,17

78,75

45,00 46,25

53,7557,50

43,75

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

Mental Demand Physical Demand Temporal Demand Performance Effort Frustration

NASA-TLX score (VR group vs Control group)

VR group Control group

21

Outils de mesure Cette analyse a été faite avec deux situations d’expérimentations différentes (Figure 1). Le premier

étant celui du groupe des apprenants (n=5) ayant bénéficié de l’utilisation de la simulation

VR développé par l’équipe. Le second est celui des internes (n=4) n’ayant eu aucune formation par la

VR et seulement deux mises en situation dans des chirurgiens réelles. Ces deux conditions ont

nécessité la mise en place de matériels différents afin de collecter des données exploitables.

Par ailleurs deux points de vue ont été adoptés au cours de cette étude. Le premier est celui de l’étude

de la psychologie cognitive. Elle permet l’analyse des réactions de l’apprenant en fonction de l’impact

qu’a la formation par la simulation en VR qu’ils utilisent. Ceci est rendu possible par la mesure de

données physiologiques, l’analyse de questionnaires mesurant différents aspects de l’apprenant. Le

second point de vue est celui de la pédagogie. Il permet la mesure de l’apprentissage, sa rétention et

son emploi dans une situation réelle. Pour ce faire il a fallu du matériel vidéo mais surtout le

développement de grilles d’évaluation permettant de déterminer si les actions chirurgicales ont été

correctement faites.

Pour ce faire les deux conditions ont nécessité la mise en place d’installations différentes afin de

permettent l’enregistrement optimal de toutes les données souhaitées.

Tout d’abord pour les situations au bloc opératoire il nous fallait récupérer trois flux vidéos différents.

Premièrement l’enregistrement de la vue subjective de l’opérateur (ici l’interne), rendu possible par

l’utilisation d’une GoPro 6, afin de pouvoir voir le positionnement de ses mains et l’endroit où il

regarde. Ensuite un caméscope est utilisé pour enregistrer la posture générale du chirurgien ainsi que

le positionnement de ses mains. Pour finir, l’enregistrement de la caméra endoscopique (vue dans le

corps du patient) sert à mesurer les déplacements des instruments ainsi que leur positionnement sur les

différents éléments anatomiques présents. Chaque interne doit en début de chirurgie s’installer un

capteur de cardiofréquencemètre Polar pour mesurer leur fréquence cardiaque. De pus ils doivent en

début et en fin de chirurgie remplir un certain nombre de questionnaires.

Au sujet des situations de simulation en VR faites par le premier groupe d’internes, elles ont été

réalisées dans le couloir à côté du bureau des internes. Concernant les mesures, les flux vidéos étaient

3,92

1,08

2,00

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

OT1 VR sessions OT2

Postural discomfort scores of VR groupSc

ore,

from

0 (n

o co

mpl

aint

s)to

10

(ext

rem

e am

ount

of c

ompl

aint

s)

22

ceux du caméscope et de l’enregistrement de l’écran de l’ordinateur qui retransmettait la vision du

casque, le cardiofréquencemètre et les questionnaires étaient identiques. Mais la partie la plus

importante était le système de simulation VR composé d’un casque de réalité virtuelle HTC Vive, un

ordinateur MSI VR ready, de la simulation VirtualiSurg développée ainsi que les instruments

physiques connectés qui sont la pince double courbure et le monotrocart Olympus et l’agrafeuse

Medtronic.

Déroulement Concernant le groupe avec la simulation VR, le programme est volumineux. Ils doivent passer une

première fois au bloc opératoire en situation réelle de chirurgie afin d’établir leur niveau de départ en

sleeve gastrectomie monotrocart, ensuite faire cinq passations sur la simulation en VR pour terminer

par une dernière situation réelle au bloc opératoire pour évaluer leur niveau final en sortie de

formation. L’ensemble des sessions ont été réparties de la manière suivante : premier bloc opératoire,

cinq passations sur le simulateur à raison de deux simulations maximum par jour et second bloc

opératoire.

Pour le groupe sans simulation par la réalité virtuelle le premier bloc opératoire s’est déroulé sur deux

semaines pour faire passer l’intégralité du groupe. Cela a été répété pour le second bloc opératoire en

respectant le même ordre de passage afin de conserver le même temps entre les deux observations

permettant ainsi de respecter une phase d’apprentissage.

Il est important de souligner que chacune des parties de l’expérience, les deux séries de blocs et les

passations en simulation VR, se sont déroulées sur deux semaines à cause de contraintes

d’organisation du fonctionnement du bloc opératoire et de l’intérêt pédagogique du simulateur.

Au sujet du déroulement d’une passation, il est nécessaire de détailler le fonctionnement de chaque.

Tout d’abord lors des passations au bloc opératoire chaque apprenant rempli deux questionnaires pré-

opération. Ils réalisent la chirurgie et une fois terminer ils doivent remplir cinq questionnaires. Cette

procédure doit être faite à chaque fois que l’interne passe au bloc opératoire dans le cadre de l’étude.

Pour les passations en réalité virtuelle les apprenants doivent réaliser un test de vision stéréoscopique

uniquement lors de la première session VR afin de déterminer s’ils ont une bonne vision 3D. Ensuite

ils répondent aux deux questionnaires pré-opération et réalisent la simulation. Après cela ils doivent

remplir sept questionnaires dont certains en commun avec le bloc opératoire. Ce qui fait un test et neuf

questionnaires à réaliser pour les passations VR. En revanche les questionnaires ne sont à remplir que

lors de la première, troisième et cinquième simulation en VR.

Analyse des questionnaires

Pour réaliser cette expérience scientifique, il est nécessaire d’utiliser dix questionnaires de psychologie

cognitive et d’ergonomie pour analyser différents aspects importants lors de la pratique de la chirurgie.

23

Dans un premier temps les questionnaires communs seront présentés et ensuite ceux spécifiques à la

simulation en VR. Il est intéressant de souligner que tous ces questionnaires sont remplis par auto-

évaluation de l’interne. Les questionnaires présentés ci-dessous sont utilisés lors de l’évaluation de la

passation au bloc opératoire mais également pour la simulation.

Tout d’abord deux questionnaires doivent être remplis avant la pratique. Le questionnaire

STAI (Annexe 3) évalue le niveau de stress du pratiquant à un instant T. Le questionnaire PICHOT

(Annexe 4) quant à lui mesure la fatigue ressentie par l’interne au même moment. Ces derniers

donnent une idée de leur état avant de réaliser la chirurgie.

Après la passation l’apprenant se voit remettre cinq questionnaires. Le premier, le NASATLX

(Annexe 5), donne des informations sur la charge cognitive. Elle met en lumière l’exigence mentale,

physique et temporelle des actions réalisées. Elle traite également des notion de performance, d’effort

et de frustration de la personne. Le DASS (Annexe 6) est le second questionnaire rempli. Ce dernier

permet de mesurer l’état de stress de l’opérateur après la passation. Le troisième est composé du

FLOW et du SAM (Annexe 7). Ces derniers évaluent l’expérience optimale, l’auto-représentation du

vécu dont la mesure se fait avec des images à entourer. Le quatrième mesure la charge physique

(Annexe 8) lors de la passation. Les apprenants peuvent exprimer leur ressenti physique et essayer

d’expliquer les raisons de ces inconforts voir douleur. Le cinquième et dernier (Annexe 9) est

spécifique à la passation au bloc opératoire et sert à faire un résumé final de la chirurgie en détaillant

leurs expériences professionnels, leur expertise et détailler leur ressenti au cours de l’opération.

Lors des passations en simulation VR, les internes doivent remplir les mêmes questionnaires à

l’exception du questionnaire final de chirurgie remplacé par le questionnaire final

VR avec l’addition d’un test visuel et de deux questionnaires.

Avant toute chose chaque interne a été obligé de réaliser le test de la mouche qui est un test de vision

stéréoscopique afin de savoir si la personne voit en 3D ou non. Le cas échéant cette personne

rencontrerait quelques difficultés pour l’utilisation des écrans et casques VR. Ensuite l’apprenant

rempli les deux questionnaires STAI et PICHOT avant de faire la simulation en VR. En sortie de

simulation, ce dernier doit répondre aux questionnaires NASA TLX, DASS, FLOW-SAM et charge

physique. Mais cette fois ci l’apprenant doit également remplir un questionnaire sur le cyber-malaise

(Annexe 10) qui mesure si la personne a été confrontée à des difficultés induite par l’utilisation du

casque VR (motion sickness, nausées, perte de l’équilibre, …). L’interne doit également répondre au

questionnaire sur la présence et le SUS (Annexe 11). Ces derniers jauge l’immersion VR et le ressenti

de l’utilité du module de formation. Pour clôturer ces mesures, un questionnaire final spécifique à la

VR relève l’expérience professionnel et l’expertise de pratique de l’apprenant pour ensuite savoir si

l’interne a suivi des formations en réalité visuelle ou sur les notions de Crew Ressources Management

(CRM). Ce questionnaire comporte deux parties d’expression qui sont obligatoires sur les points forts

et faibles du simulation ainsi que son sentiment personnel sur l’intérêt de ce module de formation en

chirurgie.

24

Analyse du cardiofréquencemètre L’analyse de la fréquence cardiaque des internes se fait avec le logiciel mis à disposition par la marque

de la montre utilisée, Polar. Ce dernier permet l’extraction et l’analyse visuelle des données

enregistrées. L’objectif de cette analyse est de déterminer le niveau de stress des apprenants afin de le

corréler avec les questionnaires à ce sujet. Cela permet également d’observer les niveaux de

fréquences au fur et à mesure de la pratique (au bloc opératoire ou en simulation dépendant du

groupe). Ceci permettrait de montrer un effet positif de la simulation sur la condition de l’opérateur.

Autre élément d’analyse possible avec ces données, la détection d’éléments anxiogènes pour le

pratiquant. En effet cela pourrait mettre en avant des pics de stress pouvant être associés à des

moments de la chirurgie. Ce qui permettrait de l’interpréter et éventuellement d’axer l’apprentissage

sur ces types d’évènements.

Analyse des vidéos Cette analyse est l’outil majeur permettant de déterminer l’intérêt pédagogique de la simulation VR

pour l’apprentissage de la sleeve gastrectomie et de l’utilisation des différents instruments

chirurgicaux.

Pour ce faire l’analyse nécessite l’utilisation des grilles (Annexe 12 et 13) développées que j’ai

développé en tant que concepteur de la technique chirurgicale avec un consensus d’experts en

chirurgie bariatrique (Pr R. Caiazzo, Dr M. Skalli) en parallèle de l’expérience menée. Le visionnage

des vidéos du bloc opératoire et de la simulation est fait par le ce groupe d’expert et moi afin de coder

ces grilles. Ceci permettra d’obtenir des scores donnant une information sur la rétention d’information

mais également donner une indication sur les éléments mal réalisés afin d’en améliorer

l’enseignement. Étant donné que les deux situations, VR et bloc, seront codés sur les mêmes grilles il

sera possible de les comparer. Ceci donnera l’occasion de contrôler le transfert de connaissances entre

la dernière simulation et le dernier bloc opératoire ce qui confirmerait l’apprentissage par la simulation

en VR. Puisque ces informations seront disponibles par la suite elles permettront de créer un rapport

personnalisé pour chaque apprenant afin de connaitre la rétention d’information, déterminer la courbe

d’apprentissage et donc vérifier l’intérêt pédagogique de la simulation en réalité visuelle. Pour le

moment ces vidéos ne sont pas encore analysées notamment par le groupe d’experts donc non exploité

dans les résultats de l’étude pour le moment.

III) Conclusion et discussion 1) Conclusion La simulation permet aux apprenants à la fois d’acquérir des connaissances, de renforcer les acquis

sans risque pour le patient, de faciliter leur réflexion en groupe et d’améliorer la confiance en soi. Elle

favorise l’apprentissage dit « actif ». Elle permet de reproduire une grande variété de situations rares,

25

ainsi elle se place en tant que solution potentielle pour réduire l'écart existant entre le haut degré de

compétences cliniques requis et le faible niveau d’exposition.

La formation par la simulation est constamment associée à une amélioration significative des

connaissances, des pratiques et des comportements.

Concernant le projet scientifique entamée durant cette année 2017-2018, il a permis la création d’une

grille d’évaluation de la procédure d’agrafage lors de la sleeve gastrectomie. Cette dernière a été

élaborée suivant la méthode Hierarchical Task Analysis (HAT) [93] permettant de décortiquer la

procédure en étapes élémentaires. Par la suite ces critères sont organisés suivant la méthode Objective

Structured Assessment of Technical Skill (OSATS) [80] afin d’organiser ces taches élémentaires sous

forme de grille avec une échelle déterminant si l’action est faite correcte ou non. Une fois élaborée,

elle a été envoyée à un comité de trois chirurgiens experts en sleeve gastrectomie monotrocart afin

d’obtenir un consensus pour chaque item de la grille OSATS d’après la méthode Delphi [81]. Cette

démarche permet de valider scientifiquement une grille d’évaluation de l’algorithme de prise en

charge de cette opération. Cette partie du projet a donné lieu à la rédaction d’un article scientifique

dont la première soumission est en courant. En parallèle de la création d’outil d’analyse, des mesures

étaient faites dans le cadre du protocole scientifique élaboré, et présenté ci-dessus. À ce jour, seules les

données de psychologie cognitive ont pu faire l’objet d’une analyse de tendances. En effet les vidéos

permettant l’analyse pédagogique nécessitent la création et la validation des grilles d’évaluation ainsi

que leur visionnage (en cours). Les premières analyses des questionnaires montrent une diminution

significative de la charge mental, de l’effort physique et du stress des internes au cours de la

formation. Pour les autres paramètres mesurés, les résultats sont non-significatifs à cause de la faible

dimension du groupe ou du non-effet de la solution sur ces derniers. On peut donc dire que la solution

de formation évaluée a un impact direct sur l’apprenant. Reste maintenant à prouver avec l’analyse

vidéo si cela aide à une meilleure performance par un meilleur apprentissage comme l’a décrit

Everbusch [82].

2) Discussion et perspectives Le but ultime de l'apprentissage d'une compétence technique sur un simulateur de réalité virtuelle est

d'accroître la compétence dans la performance dans une situation clinique analogue.

En fin de compte, ils perfectionneraient leurs compétences dans la salle d'opération simulée, où ils

auraient l'occasion d'acquérir des compétences non techniques et d'acquérir des compétences

techniques dans des conditions plus stressantes et plus réalistes. Avec les progrès rapides de la

technologie, il n'est pas inconcevable d'imaginer des chirurgiens répéter des opérations sur un patient

virtuel anatomiquement identique avant d'effectuer l'opération dans le monde réel. De plus, bien

qu'une grande partie de la littérature se concentre sur le développement des compétences du

chirurgien, aucun chirurgien ne travaille isolément, et il est essentiel de réorienter la formation et

26

l'évaluation des équipes en plus de la formation individuelle pour assurer l'expertise dans la salle

d’opération.

La compétence chirurgicale dépend de l'acquisition par un stagiaire de compétences techniques et non

techniques. Avec le développement de la simulation de réalité virtuelle, l'idée qu'un interne atteigne un

certain niveau de compétence avant d'effectuer des opérations sur de vrais patients a pris de

l'importance dans la littérature. Le développement et la maintenance d'environnements de réalité

virtuelle, allant d'un simple simulateur de réalité virtuelle à un monde virtuel très complexe, ne sont

cependant pas sans coût. Il est temps d'aller au-delà de l'évaluation de modules spécifiques de

simulateurs en réalité virtuelle, qui dans le passé est l'élément sur lequel la littérature chirurgicale s'est

concentrée. En effet, faire un bon chirurgien est beaucoup plus qu'une simple pratique sur un

simulateur. Un programme de formation doit comprend des simulateurs, des formations spécifiques,

des niveaux d'expertise précis, des paramètres d'évaluation clairs et des commentaires spécifiques à

chaque apprenant, le tout dans une atmosphère apaisée dans un esprit de compagnonnage. De plus, il

est temps d'approfondir l'idée de former des équipes multidisciplinaires en complément de la

formation traditionnelle spécialisée qui existe actuellement dans la plupart des disciplines

professionnelles de santé.

La chirurgie est une discipline d'équipe impliquant une véritable chaine humaine exigeante où l’erreur

et l’approximation n’ont pas de place. Ainsi l’optimisation de la formation par la réalité virtuelle et les

simulateurs sont essentiels pour accroître la sécurité des patients et la collaboration

interprofessionnelle.

27

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Annexe 1 : Pyramide d’apprentissage, National Training Laboratories

34

Annexe 2 : Modèle d'évaluation de la formation, Donald Kirkpatrick

35

Annexe 3 : Questionnaire STAI

36

Annexe 4 : Questionnaire PICHOT

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Annexe 5 : Questionnaire NASA-TLX

38

Annexe 6 : Questionnaire DASS

39

Annexe 7 : Questionnaire FLOW et SAM

40

Annexe 8 : Questionnaire Charge physique

41

Annexe 9 : Questionnaire final chirurgie

42

Annexe 10 : Questionnaire Cyber-malaise

43

Annexe 11 : Questionnaire Présence et SUS

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Annexe 12 : Grille d’évaluation VR

45

Annexe 13 : Grille d’évaluation chirurgie

46

Annexe 14 : Article en cours de publication dans SOARD

Decrease of physical and mental workload of novices surgeons with Virtual Reality single port sleeve gastrectomy training. An exploratory study.

Background: High levels of physical and mental workload are experienced by novice surgeons during early stage of learning and/or practice (Arora et al., 2010; Klein et al., 2012). Laparoscopic sleeve gastrectomy is the first bariatric procedure worldwide, commonly performed using laparoscopic multiport. Feasibility and safety of single port sleeve gastrectomy (SPSG) have been proved.). We reported a standardized procedure describing the different steps as a reference for bariatric surgeons. A Virtual Reality based solution was developed to provide a repetitive exercise during learning of single-port sleeve gastrectomy technique. This study examined how a VR module reduces mental and physical workload in surgeons during training.

Materials and Methods: Ten residents participated in a first case of single-port sleeve gastrectomy in operating theater and in a second one month later. Participants were divided in two groups, the Control group (without VR session) and VR group (with VR session between the first and the second surgery). Mental and physical workload were assessed with NASA-TLX and Borg scale associated with manikin discomfort test. Firstly, we analyzed the evolution of the workload between the VR sessions. Secondly, we analyzed the difference of workload between VR group and Control group. specific questionnaires of VR module usability were also used in this study (presence, cybersickness and usability questionnaires) to evaluate the VR device. Results: In VR group, a marginal decrease of mental workload was observed in Mental demand dimension of NASA-TLX between the first and the second surgery (from 77.50 to 59.17/100). In Performance and Effort dimensions, high mean scores were obtained in the first surgery compared to the second one. Physical workload of VR group was moderately high. The Postural discomfort score of the first surgery was 3.92 points and decrease during VR session (1.08 points) and in the second surgery (2 points/10). A median physical effort was observed on Borg scale score but without differences between sessions. Concerning results between VR group and Control group, we founded some differences during the second surgery in Mental demand and Frustration dimensions of NASA-TLX: VR group obtained a lower score (59.17/100) than Control group (78.75/100). Finally, non-significant differences were found between groups about Physical workload. Conclusion: Our exploratory study showed that self-assessment of mental and physical workload in novice surgeons could be decreased with a training on Virtual Reality based solution. Postural discomforts were localized on upper limbs, neck and lower back, and VR training could decrease the sense of discomfort. Furthermore, concerning differences between VR and Control groups, we observed a positive effect on Mental demand in favor of VR training. The Virtual Reality based solution of single port sleeve gastrectomy would allow to improve the surgical practice, decreasing the physical and mental workload of the learners. In the future, further analyses will have to be carried out to fortify these results with more participants.

Keywords: Surgery, Learning, Virtual reality, Cognition.

Introduction

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Recently the development of computer science has made possible to create new kind of digital simulators in the medical field for the acquisition of knowledge, know-how and technical gestures (Ma, Jain, & Anderson, 2014; Khor, Baker, Amin, Chan, Patel, & Wong, 2016). Virtual environments used in healthcare could be divided in two categories. Firstly, applications for patients: phobia treatments (e.g. Gebara, Barros-Neto, Gertsenchtein & Lotufo-Neto, 2016), treatments for addictions (e.g. Son, et al., 2015), analgesia (e.g. Hoffman, 2004), neurological diseases (e.g. García-Betances, Arredondo Waldmeyer, Fico & Cabrera-Umpiérrez, 2015) or also for physical disabilities (Lin & Chang, 2015). Secondly, applications for physicians: to assist medical activity (e.g. medical imaging) and finally for learning and training (Pulijala, Ma, Pears, Peebles & Ayoub, 2017). We present in this paper an exploratory study about a training module in immersive Virtual Reality simulation for bariatric surgery learning, precisely the stapling phase of a single port sleeve gastrectomy.

Research question

Sleeve gastrectomy is the first bariatric procedure in the world, and single port sleeve gastrectomy is now a standardized minimally invasive procedure but need training to improve surgeon experience. In this paper we developed an exploratory study to evaluate benefice of a Virtual Reality based solution of single-port sleeve gastrectomy for training concerning workload perception in novice surgeons. The study design was a self-assessment of physical and mental workload by novice surgeons. We expected a decrease of learner’s workload due to benefit of VR module practice. In addition, dedicated questionnaires about VR topic allowed us to evaluate the device, about cybersickness, presence and usability.

Protocol

Participants

Ten residents in surgery at the Institut mutualiste Montsouris in Paris participated at the experiment. There were 6 men and 4 women (M = 30.2 years old; SD = 1.22). One participant had experience in virtual environment simulation and four people had experience in sleeve gastrectomy (but none of them with single-port technique). Participants were divided in two groups (VR group and Control group). A stereoscopic test was administered to the participants of the VR group (Titmus Stereotest with Circles, Animals and Fly parts) to assess their stereoscopic visual acuity (e.g. stereoblind person), which could impact the VR performance (Azmandian, Hancock, Benko, Ofek & Wilson, 2016; Shewaga, Uribe-Quevedo, Kapralos & Alam, 2017). It was confirmed that all of the participants did indeed possess a stereo vision with a good binocular disparity (e.g. 9/9; 40 seconds of arc on the Titmus stereotest/Circles part).

Material

The VR training module was designed by VirtualiSurg company with Unity on HTC Vive headset. The virtual training module developed focuses on a specific part of surgery: the use of endo-cutter stapler. Real instruments of bariatric surgery were used, with sensors integrated, to interact with the virtual scene instead of standard HTC controllers. Concerning measurement of mental workload, participants were asked to respond at the NASA-TLX, (Hart & Staveland, 1988), and physical load was evaluated with Borg scale and manikin discomfort test (Borg, 1982; Corlett & Bishop, 1976). We integrated an evaluation of the device with three questionnaires specific of virtual environments and software. They have been filled once after first VR session: the Simulator Sickness Questionnaire (SSQ; Kennedy,

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Lane, Berbaum, & Lilienthal, 1993), a Presence Questionnaire (PQ; Witmer & Singer, 1998), and a SUS questionnaire (Brooke, 1996).

Procedure

Learners participated in two reals operations of sleeve gastrectomy with a senior surgeon, the first one during their internship and a second one a month later. For the experimentation, we included a VR training module between the two operations for half participants. The single-port sleeve gastrectomy training for the VR group was divided into three phases: (1) operating theatre 1 (noted here OT1) with senior surgeon. (2) training phase in VR module (included a tutorial with the surgeon during the first VR session). (3) operating theatre 2 (OT2) with the same senior surgeon (see Figure 1). Each learner of the VR group realized six VR sessions between real surgery over a period of one week (two passes per day). The second group did not train with VR session (no substitution training). The virtual operation lasts an average of 20 minutes (compared to an average of 30 in reality). After each training (real surgery and VR sessions), participants were asked to answer surveys about mental and physical workload.

Figure 1: Experimental procedure: participants from both groups perform a first surgery in the operating theatre (noted OT1 in the text). Half of them do a training on VR module (noted VR

sessions). Then all participants perform a second surgery in the operating theatre (noted OT2).

Data analysis

Results were compared using a repeated measure ANOVA to analyze sessions evolution of VR group. And a Student's t-test was realized to compare results between VR group and Control group about the second surgery. Data was analyzed with SPSS version 23 software.

Results

Measurements of mental workload (NASA-TLX)

In VR group, we observed a medium mean score for mental load in OT1 (M = 55.41, SD = 11.06), VR sessions (M = 50.93, SD = 6.28) and OT2 (M = 48.75, SD = 14.80). The mental load in this surgery

49

could be considered as important, but there were no significant differences between OT1, VR sessions and OT2 (ANOVA, F (2/15) = 0.822, NS). About dimensions of NASA-TLX in the VR group (see Figure 2), we obtained a high mean scores in the Mental demand dimension of OT1 (M = 75, SD = 26.97), with a marginal decrease in VR sessions (M = 62.29, SD = 15.45) and OT2 (M = 50.16, SD = 26.15; ANOVA, F(2/15) = 3.161 ; P = 0.086). Practice could decrease the self-assessment of Mental demand. On Performance dimension1, high mean scores was observed in OT1 (M = 71.76, SD = 19.66), compared to VR sessions (M = 50.20, SD = 12.51) and OT2 (M = 51.66, SD = 16.93; ANOVA, F(2/15) = 4.469 ; P < 0.05). With practice, participant’ performance seems to be better. At last, in Effort dimension we can observed similar positives results, with a high score in OT1 (M = 75, SD = 20.73), and scores less strong in VR sessions (M = 51.45, SD = 18.13) and OT2 (M = 55.83, SD = 24.98; ANOVA, F (2/15) = 10.418, P < 0,01), less effort (physically or mentally) was required to interns to accomplish the task.

Figure 2: Results of NASA-TLX score in each session of VR group (RTLX2 mean score and standard error).

About the comparison between the VR group and the Control group in OT2, no significant difference was observed on the global NASA-TLX score (t(8) = 1.292 ; P = 0.289). But some differences emerged from Mental demand and Frustration dimensions (see Figure 3). In Mental demand, Control group obtained an high score (M = 78.75, SD = 6.29), compared to VR group (M = 50.16, SD = 26.15; t(8) = 3.650, P = 0.092). About Frustration dimension, we obtained a medium score in the both groups, but residents of Control group appear as more frustrated (M = 43.75, SD = 12.5), than VR group (M = 39.16, SD = 25.18; t(8) = 13.202, P < 0.01). With these different elements VR sessions could be advantageous concerning some dimension of mental workload.

1 In NASA-TLX, Performance is the only dimension with an inverse range, the scale going from Good (0) to Poor (100). While in other dimension the scale going from Low (0) to High (100). 2 Raw Task Load Index are used to analyze the results, without the ponderation phase (RTLX; Byers, Bittner & Hill, 1989).

77,50

38,33

28,33

71,6775,00

41,67

62,29

38,96

33,33

50,21 51,46

41,25

59,17

44,17 42,50

51,67 55,83

39,17

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

Mental Demand Physical Demand Temporal Demand Performance Effort Frustration

NASA-TLX score

OT1 VR sessions OT2

50

Figure 3: Results of NASA-TLX score between VR and Control group (RTLX mean score and standard error).

Measurements of physical workload

Postural discomfort score of VR group was 3.92 points3 (SD = 2.01) in OT1, 1.08 points (SD = 1.15) in VR sessions and 2 points (SD = 2.44) in OT2 (ANOVA, F (2/15) = 4.602, P < 0.05; see Figure 4). The VR training could be decrease the sense of discomfort. No-significant difference was found between groups. Discomforts were localized on upper limbs (shoulder and lower arms in priority), then neck and lower back. The Borg scale showed a median physical effort, from 9.9 to 12.2 points (on 20 points scale range; M = 11.2, SD = 2.36), without differences between sessions or groups.

Figure 4: Results of Postural discomfort score in each session of VR group (mean and standard error).

3 Postural Discomfort score are based on manikin body part of Corlett and Bishop (1976). Here the score ranging from 0 to 10, with 0 being none discomfort and 10 extreme discomfort.

59,17

44,17 42,50

51,6755,83

39,17

78,75

45,00 46,25

53,7557,50

43,75

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

Mental Demand Physical Demand Temporal Demand Performance Effort Frustration

NASA-TLX score (VR group vs Control group)

VR group Control group

3,92

1,08

2,00

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

OT1 VR sessions OT2

Postural discomfort scores of VR group

Scor

e,fro

m 0

(no

com

plai

nts)

to 1

0 (e

xtre

me

amou

nt o

f com

plai

nts)

51

Measurements of VR device

VR experience would depend on sense of presence, and impacted performance and learning (Steuer, 1992; Nash, Edwards, Thompson & Barfield, 2000; Mantovani & Castelnuovo, 2003). Presence is defined as “subjective experience of being in one place or environment, even when one is physically situated in another” (Witmer & Singer, 1998), and VR immersion can provoke side effects, called Simulator sickness or Cybersickness (nausea, eyestrain and general visual discomfort; Hill & Howarth, 2000), linked at conflict between visual and vestibular systems (Nichols & Patel, 2002). Side effects could be impacted the VR experience and could be prevent the progress of the training. To control these aspects, we used two questionnaires, the Simulator Sickness Questionnaire (SSQ; Kennedy, Lane, Berbaum, & Lilienthal, 1993), and the Presence Questionnaire (PQ; Witmer & Singer, 1998). SSQ results showed a majority of “None” side effects/symptom (68%), then “Slight” (28%), “Moderate” (2%), and nobody indicated “Severe” symptom on the 16 questions. No differences were perceived in the division proposed by Bouchard and collaborators (2011), with Nausea and Oculo-motor categories. Concerning the Presence Questionnaire, we obtained a mean score considered as intermediate to strong (M = 4.72/7; SD = 0.65)4. Participants felt overall rather present during the virtual task. Best score is obtained in Control (M = 5.66/7; SD = 0.91) and Realism (M = 4.76/7; SD = 1.75) categories, followed by the Quality of interface (M = 4.66; SD = 0.64). Haptic score is the lowest (M = 3.83/7; SD = 1.74), improvement will be do about haptic feedback to increase the sense of presence. We founded positives correlation between general score of PQ and the NASA-TLX (R > 0.25; weak association), and also the Borg scale (R > 0.50; moderate association). The sense of presence among learners was too strong with a high workload.

Discussion

In this study, ten residents in surgery followed a training of single-port sleeve gastrectomy technique with or without VR module sessions. Mental and physical workload were assessed with NASA-TLX and Borg scale associated with manikin discomfort test. In the first time we analyzed the workload evolution of the VR group and in a second time we analyzed differences between VR group and Control group. In VR group, decreases were observed in Mental demand Performance and Effort dimensions of NASA-TLX. The physical workload was moderately high in VR group: the Postural discomfort decreased during sessions (real and VR). Concerning results between VR group and Control group, we founded some differences during the second surgery in Mental demand and Frustration dimensions of NASA-TLX: VR group obtained a lower score than Control group. But no-significant difference was found between groups about Physical workload. The Virtual Reality based solution of single port sleeve gastrectomy would allow to improve the surgical practice, decreasing the physical and mental workload of the learners.

Conclusion

4 The PQ measure is divided in seven categories: Realism (seven questions), Possibility to act/control (four questions), Quality of interface (three questions), Possibility to examine (three questions), Self-evaluation of performance (two questions), Sounds (not evaluated here) and Haptic (two questions). The questionnaire contains 21 items and is measured through a 7-point semantic differential scale (e.g. from “Not at all” to “Completely”).

52

VR training has many advantages, as allows to train often like flight simulators in aviation. The cases / exercises can be different and the difficulty can also be adjusted. In this paper we presented an exploratory study to evaluate benefice of Virtual Reality based solution of single-port sleeve gastrectomy for training concerning workload. We show that self-assessment of mental and physical workload in novice’s surgeons could be decrease with a training on Virtual Reality based solution. The VR device was evaluated as realistic and well usable. Participants fulfilled also a SUS questionnaire to give a global view of subjective usability and interest of VR module. A mean score of 68.33 points was obtained (SD = 11.69). It was considered from acceptable to good device (Bangor, Kortum & Miller, 2009). This project is in progress, and the next step will be to test this solution on more learners to validate this first results.

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Annexe 15 : Fiche technique du trocart unique Olympus Quadport+

MINIOB_proto_v5_20170802.doc 88

Annexe 16: Fiche technique du trocart unique