Conceptual framework for the design, implementation and validation of psychomotor skills’ assessment systems in minimally invasive surgery

Las técnicas de cirugía de mínima invasión (CMI) se están consolidando hoy en día como alternativa a la cirugía tradicional, debido a sus numerosos beneficios para los pacientes. Este cambio de paradigma implica que los cirujanos deben aprender una serie de habilidades distintas de aquellas requeridas en cirugía abierta. El entrenamiento y evaluación de estas habilidades se ha convertido en una de las mayores preocupaciones en los programas de formación de cirujanos, debido en gran parte a la presión de una sociedad que exige cirujanos bien preparados y una reducción en el número de errores médicos. Por tanto, se está prestando especial atención a la definición de nuevos programas que permitan el entrenamiento y la evaluación de las habilidades psicomotoras en entornos seguros antes de que los nuevos cirujanos puedan operar sobre pacientes reales. Para tal fin, hospitales y centros de formación están gradualmente incorporando instalaciones de entrenamiento donde los residentes puedan practicar y aprender sin riesgos. Es cada vez más común que estos laboratorios dispongan de simuladores virtuales o simuladores físicos capaces de registrar los movimientos del instrumental de cada residente. Estos simuladores ofrecen una gran variedad de tareas de entrenamiento y evaluación, así como la posibilidad de obtener información objetiva de los ejercicios. Los diferentes estudios de validación llevados a cabo dan muestra de su utilidad; pese a todo, los niveles de evidencia presentados son en muchas ocasiones insuficientes. Lo que es más importante, no existe un consenso claro a la hora de definir qué métricas son más útiles para caracterizar la pericia quirúrgica. El objetivo de esta tesis doctoral es diseñar y validar un marco de trabajo conceptual para la definición y validación de entornos para la evaluación de habilidades en CMI, en base a un modelo en tres fases: pedagógica (tareas y métricas a emplear), tecnológica (tecnologías de adquisición de métricas) y analítica (interpretación de la competencia en base a las métricas). Para tal fin, se describe la implementación práctica de un entorno basado en (1) un sistema de seguimiento de instrumental fundamentado en el análisis del vídeo laparoscópico; y (2) la determinación de la pericia en base a métricas de movimiento del instrumental. Para la fase pedagógica se diseñó e implementó un conjunto de tareas para la evaluación de habilidades psicomotoras básicas, así como una serie de métricas de movimiento. La validación de construcción llevada a cabo sobre ellas mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. Adicionalmente, los resultados obtenidos en la validación de apariencia fueron en general positivos en todos los grupos considerados (noveles, residentes, expertos). Para la fase tecnológica, se introdujo el EVA Tracking System, una solución para el seguimiento del instrumental quirúrgico basado en el análisis del vídeo endoscópico. La precisión del sistema se evaluó a 16,33ppRMS para el seguimiento 2D de la herramienta en la imagen; y a 13mmRMS para el seguimiento espacial de la misma. La validación de construcción con una de las tareas de evaluación mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. La validación concurrente con el TrEndo® Tracking System por su parte presentó valores altos de correlación para 8 de las 9 métricas analizadas. Finalmente, para la fase analítica se comparó el comportamiento de tres clasificadores supervisados a la hora de determinar automáticamente la pericia quirúrgica en base a la información de movimiento del instrumental, basados en aproximaciones lineales (análisis lineal discriminante, LDA), no lineales (máquinas de soporte vectorial, SVM) y difusas (sistemas adaptativos de inferencia neurodifusa, ANFIS). Los resultados muestran que en media SVM presenta un comportamiento ligeramente superior: 78,2% frente a los 71% y 71,7% obtenidos por ANFIS y LDA respectivamente. Sin embargo las diferencias estadísticas medidas entre los tres no fueron demostradas significativas. En general, esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas relativas a la definición de sistemas de evaluación de habilidades para cirugía de mínima invasión, a la utilidad del análisis de vídeo como fuente de información y a la importancia de la información de movimiento de instrumental a la hora de caracterizar la pericia quirúrgica. Basándose en estos cimientos, se han de abrir nuevos campos de investigación que contribuyan a la definición de programas de formación estructurados y objetivos, que puedan garantizar la acreditación de cirujanos sobradamente preparados y promocionen la seguridad del paciente en el quirófano. Abstract Minimally invasive surgery (MIS) techniques have become a standard in many surgical sub-specialties, due to their many benefits for patients. However, this shift in paradigm implies that surgeons must acquire a complete different set of skills than those normally attributed to open surgery. Training and assessment of these skills has become a major concern in surgical learning programmes, especially considering the social demand for better-prepared professionals and for the decrease of medical errors. Therefore, much effort is being put in the definition of structured MIS learning programmes, where practice with real patients in the operating room (OR) can be delayed until the resident can attest for a minimum level of psychomotor competence. To this end, skills’ laboratory settings are being introduced in hospitals and training centres where residents may practice and be assessed on their psychomotor skills. Technological advances in the field of tracking technologies and virtual reality (VR) have enabled the creation of new learning systems such as VR simulators or enhanced box trainers. These systems offer a wide range of tasks, as well as the capability of registering objective data on the trainees’ performance. Validation studies give proof of their usefulness; however, levels of evidence reported are in many cases low. More importantly, there is still no clear consensus on topics such as the optimal metrics that must be used to assess competence, the validity of VR simulation, the portability of tracking technologies into real surgeries (for advanced assessment) or the degree to which the skills measured and obtained in laboratory environments transfer to the OR. The purpose of this PhD is to design and validate a conceptual framework for the definition and validation of MIS assessment environments based on a three-pillared model defining three main stages: pedagogical (tasks and metrics to employ), technological (metric acquisition technologies) and analytical (interpretation of competence based on metrics). To this end, a practical implementation of the framework is presented, focused on (1) a video-based tracking system and (2) the determination of surgical competence based on the laparoscopic instruments’ motionrelated data. The pedagogical stage’s results led to the design and implementation of a set of basic tasks for MIS psychomotor skills’ assessment, as well as the definition of motion analysis parameters (MAPs) to measure performance on said tasks. Validation yielded good construct results for parameters such as time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume. Additionally, face validation results showed positive acceptance on behalf of the experts, residents and novices. For the technological stage the EVA Tracking System is introduced. EVA provides a solution for tracking laparoscopic instruments from the analysis of the monoscopic video image. Accuracy tests for the system are presented, which yielded an average RMSE of 16.33pp for 2D tracking of the instrument on the image and of 13mm for 3D spatial tracking. A validation experiment was conducted using one of the tasks and the most relevant MAPs. Construct validation showed significant differences for time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume; especially between novices and residents/experts. More importantly, concurrent validation with the TrEndo® Tracking System presented high correlation values (>0.7) for 8 of the 9 MAPs proposed. Finally, the analytical stage allowed comparing the performance of three different supervised classification strategies in the determination of surgical competence based on motion-related information. The three classifiers were based on linear (linear discriminant analysis, LDA), non-linear (support vector machines, SVM) and fuzzy (adaptive neuro fuzzy inference systems, ANFIS) approaches. Results for SVM show slightly better performance than the other two classifiers: on average, accuracy for LDA, SVM and ANFIS was of 71.7%, 78.2% and 71% respectively. However, when confronted, no statistical significance was found between any of the three. Overall, this PhD corroborates the investigated research hypotheses regarding the definition of MIS assessment systems, the use of endoscopic video analysis as the main source of information and the relevance of motion analysis in the determination of surgical competence. New research fields in the training and assessment of MIS surgeons can be proposed based on these foundations, in order to contribute to the definition of structured and objective learning programmes that guarantee the accreditation of well-prepared professionals and the promotion of patient safety in the OR.

El museo ante un cambio de paradigma. Del tipo al logotipo

En esta Tesis expongo una reflexión sobre cómo la pérdida de valores ante un cambio de paradigma social ha derivado en la disolución de la tipología de Museo generando un “Museo Contemporáneo” , mediante el estudio sistemático de la obra de los autores más significativos del siglo XX, que, frente al Museo Moderno, es un museo global, que no pertenece a ningún lugar concreto, un museo del desarraigo, desligado incluso de su función. Su origen conceptual basado en una idea “social” participativa y regeneradora ha degenerado, mayoritariamente, hacia una simplificación superficial que se resume en museos-logotipo como respuesta de supervivencia arquitectónica adaptada a este nuevo paradigma social.

El Parque Agrario: estructura de preservación de los espacios agrarios en entornos urbanos en un contexto de cambio global

La propuesta del análisis de la figura de Parque Agrario en el ámbito español surge ante la constatación de que un nuevo paradigma está aconteciendo a escala estatal. Diversos focos se encuentran trabajando en paralelo, y de forma participada, en pos de la reformulación de las políticas públicas relacionadas con la agricultura periurbana. Estos focos ven en la figura de Parque Agrario un instrumento territorial que permite mejorar la sostenibilidad y cohesión territorial a través de la defensa de la gobernanza alimentaria local, sin olvidar la necesidad de conservación de los recursos naturales y el patrimonio paisajístico, junto a la prestación de múltiples servicios de los ecosistemas de estos ámbitos a la ciudadanía. Complementariamente, se empieza a vislumbrar el papel que esta figura puede desempeñar como herramienta de desarrollo territorial de los sistemas agrarios periurbanos, clave ante los efectos de carácter local que la globalización ejerce en estos territorios. La figura de Parque Agrario es una estructura que actúa bloqueando la base territorial, favoreciendo el desarrollo de la actividad agraria. Su mayor potencial es el de convertir el factor “proximidad urbana” de una amenaza a una oportunidad de desarrollo local endógeno que permita la continuidad de la agricultura, de los agricultores y del espacio agrario. La peculiaridad del Parque Agrario es que no es una figura al uso, estructurada y reglada por una legislación, sino que se trata de una iniciativa ad hoc, específica para cada caso, orientada a cumplir determinados objetivos de dinamización agraria, protección urbanística y valorización territorial. A pesar de la existencia de diversas definiciones y aportaciones sobre diferentes aspectos de la figura, no existe un análisis complejo de la misma en todas sus dimensiones, ni una tentativa de descripción de un modelo global y unitario del caso español y de sus potenciales resultados. Tampoco se han analizado en profundidad sus “invariantes” que se muestran como los elementos estructurantes del proyecto, capaces desarrollarse de forma diversa, de alcanzar diferentes niveles de complejidad, y de materializarse en función a las posibilidades que permita el marco normativo y legal. Por tanto, se plantea como objetivo principal de la tesis la definición de un modelo conceptual de Parque Agrario español, capaz de ser articulado e institucionalizado mediante un proceso de gobernanza, y que, como condición sine qua non sea duradero en el tiempo. Para poder llegar a describir un modelo colectivo se realiza, en primer lugar, un análisis genealógico que permita analizar sistemáticamente las propuestas desarrolladas en el ámbito español y los casos para establecer la existencia de una continuidad en la idea de Parque Agrario en las propuestas desarrolladas durante los últimos 25 años—sus invariantes—, y analice todos aquellos elementos que han ido enriqueciendo la figura en cada experiencia —sus variantes. Este análisis, además, ofrece como aportaciones el árbol genealógico y los mapas de dispersión de la figura y el primer catálogo de propuestas de Parque Agrario materializadas en proyecto. El resultado de la inducción de los datos obtenidos en el análisis genealógico es el modelo conceptual de Parque Agrario, que se define como una estructura orgánica de planificación-gestión-gobierno del territorio capaz de adaptarse a las necesidades específicas de todo sistema agrario periurbano que requiera la articulación-institucionalización de esta figura en él. Una vez descrito el modelo, se contrasta su fiabilidad mediante su aplicación como metodología de caracterización y evaluación de dos estudios de casos: uno exitoso, el Parque Agrario del Baix Llobregat, y uno frustrado, la propuesta de Parque Agrario de la Vega de Granada. ------------------------------------------------------ ABSTRACT -------------------------------------------------------------------- The proposed analysis of the figure of Agrarian Park in the Spanish sphere arises from the awareness that a new paradigm is happening at the state level. Different focuses are working in parallel, under participated programs, after the reformulation of public policies related to urban agriculture. These areas understand the figure of Agrarian Park as a territorial instrument for improving sustainability and territorial cohesion through the defense of local food governance, considering the need for conservation of natural resources and landscape heritage together with the multiple ecosystem services provided by these areas to the public. Additionally, the role that this figure can play as a tool for territorial development of peri-urban agrarian systems, which are key to the local effects that globalization has on these territories, is staring to be envisioned. The figure of Agrarian Park is a structure that works by blocking the territorial base to encourage the development of agrarian activity. Its greatest potential is to convert the threat of "urban proximity" into an opportunity for an endogenous local development that allows the persistence of agriculture, farmers and the agrarian space. The uniqueness of the Agrarian Park is that it is not a standard figure, structured and regulated by legislation, but rather an ad hoc initiative, specific to each case, designed to meet certain objectives of agrarian revitalization, urban protection and territorial enhance. Despite the existence of several definitions and contributions on different aspects of the figure, there is a lack of a complex analysis of it in all its dimensions, missing any attempt to describe a global and unitary model of the Spanish case and its potential outcomes. Its "invariants” have neither been evaluated in depth, shown as the structural elements of the project able to be developed in different ways, to achieve numerous levels of complexity, and to be materialized according to the possibilities allowed by the regulatory and legal framework. Therefore, the definition of a conceptual model of Spanish Agrarian Park able to be articulated and institutionalized through a process of governance, and durable over time as a sine qua non requisite, it is proposed as the main aim of the thesis. To get to describe a collective model, a genealogical analysis that systematically analyzes the proposals and cases developed in the Spanish field is undertaken to verify the existence of a continuity of the idea of Agrarian Park on the proposals developed during the past 25 years -invariants-, and evaluate all the elements that have enriched this figure in each experience - variants. This analysis also provides as inputs a family tree, maps of dispersion of the figure and the first catalog of Agrarian Park proposals materialized into projects. The result of inducting the data obtained in the genealogical analysis is the Conceptual Model of Agrarian Park, defined as an organic planning-management-government structure of the territory able to adapt to the specific needs of all peri-urban agrarian systems that require the articulation-institutionalization of this figure in it. Having described the model, its reliability is tested by applying it as a methodology for characterization and evaluation of two case studies, one successful, the Baix Llobregat Agrarian Park, and one frustrated, the proposed Agrarian Park de la Vega of Granada.