Effet du retour haptique en réalité virtuelle sur la courbe d’apprentissage de la pose de cathéter échoguidée

Catwell, Naomi (2026). Effet du retour haptique en réalité virtuelle sur la courbe d’apprentissage de la pose de cathéter échoguidée. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La pose de cathéter intraveineux périphérique est l’une des procédures médicales invasives les plus souvent pratiquées dans les hôpitaux. Cependant, le taux de réussite demeure assez faible et l’incapacité de bien placer le cathéter peut épuiser les ressources des soins de santé, retarder le diagnostic et le traitement du patient, et entraîner de graves conséquences de santé chez le patient. L’échoguidage constitue une solution bien établie pour faciliter l’insertion de l’aiguille et du guidage du cathéter dans la veine cible. Bien que l’échoguidage augmente le taux de réussite considérablement, il faut que le praticien soit capable de bien manipuler la sonde et le cathéter ensemble en plus de bien coordonner ses mouvements avec l’interprétation de l’image échographique. Une formation efficace est donc un aspect important pour la réussite de la procédure. Des simulateurs de formation en réalité virtuelle permettent de pratiquer de telles procédures et des dispositifs haptiques médicaux permettent de simuler le retour de force qu’on ressentirait lors d’une vraie procédure. Plusieurs études se concentrent sur le réalisme ou la performance de ces simulateurs haptiques mais négligent l’impact des simulateurs sur la capacité de l’usager à acquérir les compétences requises.

L’objectif de cette recherche est d’évaluer l’effet du retour haptique sur l’apprentissage lors d’une formation en réalité virtuelle à l’insertion de cathéter guidée par échographie. Nous proposons un simulateur haptique en réalité virtuelle développé pour enseigner la procédure et en faire l’évaluation périodique. L’étude s’appuie sur une comparaison entre les courbes d’apprentissage de deux groupes de participants, l’un se servant du simulateur avec le retour de force haptique activé et l’autre avec le retour de force haptique désactivé, pour déterminer si l’haptique permet un apprentissage plus efficace de la procédure. Une méthodologie basée sur une analyse de la courbe d’apprentissage permet de surveiller l’évolution des performances au fil du temps de manière objective.

Une étude usager a été menée auprès de 31 participants novices dans la procédure d’insertion de cathéter veineux périphérique échoguidée. Chaque participant a été assigné aléatoirement à une formation dans le simulateur avec ou sans retour haptique au cours de trois séances espacées d’une semaine. Chaque participant a suivi un scénario de formation interactif avec le simulateur pour apprendre chaque étape de la procédure, et trois séances d’évaluation de leur performances. Les métriques de performance comprenaient le temps d’exécution de la procédure, le nombre de tentatives d’insertion de l’aiguille, l’angle d’insertion de l’aiguille, le taux d’erreur, le taux de suivi de l’aiguille, l’économie de mouvement de la sonde et l’économie de mouvement de l’aiguille. Les deux groupes ont démontré des améliorations significatives pour toutes les métriques de performance à l’exception du taux d’erreur et de l’angle d’insertion de l’aiguille. Les résultats ont démontré que le retour haptique a permis une amélioration de performance plus rapide au niveau des compétences en termes de maintien d’angles d’insertion d’aiguille constants. Cependant, le groupe haptique a effectué plus de tentatives d’insertion d’aiguille et a démontré une économie de mouvement plus faible pour l’aiguille. Une évaluation de l’expérience utilisateur a démontré que le retour haptique contribue à un meilleur sens d’implication et une meilleure perception des capacités d’examen. Les résultats suggèrent que le retour de force haptique est une approche prometteuse pour la formation aux tâches impliquant un degré élevé d’exploration et de coordination oeil-main. Un article soumis à la conférence ISMAR 2026 présente le développement du simulateur haptique et les résultats de l’étude usager. Celui-ci fait l’objet du CHAPITRE 4 de ce mémoire.

Titre traduit

Effect of haptic feedback in virtual reality on the learning curve of ultrasound-guided catheter placement

Résumé traduit

Peripheral intravenous catheter insertion is one of the most common invasive medical procedures performed in hospitals. However, the success rate is significantly low and failure to place the catheter correctly can have a strain on healthcare resources, delay patient diagnosis and treatment, and lead to serious health risks for the patient. Ultrasound guidance has become a well-established solution for facilitating needle insertion and guiding the catheter into the target vein. Despite the increased success rate that ultrasound guidance offers, practitioners must be able to manipulate the ultrasound probe and the needle together and coordinate their movements while interpreting the ultrasound image. Effective training is therefore crucial to success in performing the procedure. Virtual reality training simulators allow medical professionals to practice such procedures, and haptic medical devices make it possible to simulate the force feedback that one would feel during a real procedure. Many studies have focused on improving the realism or the performance of haptic medical simulators but have neglected their impact on the user’s ability to acquire the required skills.

The objective of this research is to evaluate the effect of haptic feedback on learning an ultrasound guided peripheral intravenous catheter insertion procedure in virtual reality. We propose a haptic-enabled virtual reality simulator for training and periodic evaluation of the procedure. The study compares the learning curves of two groups of participants, with one group using the simulator with haptic force feedback enabled and the other with haptic force feedback disabled, in order to determine whether learning the medical procedure with haptic feedback is more effective. The learning curve analysis allows for objective monitoring of performance evolution over time.

A user study was carried out with 31 participants, all novices in intravenous catheter insertion and ultrasound guidance. Each participant was randomly assigned to use the simulator either with or without haptic feedback over the course of three sessions each spaced a week apart. Each participant took part in an interactive training scenario within the simulator to learn each step of the procedure and completed three performance evaluation sessions. Performance metrics included procedure completion time, the number of needle insertion attempts, the needle insertion angle, error rate, needle tip tracking, ultrasound probe motion economy and needle motion economy. Both groups improved significantly in all performance metrics except for error rate and needle insertion angle. The results demonstrated that haptic feedback improves performance more quickly in terms of needle angulation skills. However, the haptic group made more needle insertion attempts and demonstrated lower needle motion economy. User experience evaluation revealed that haptic feedback contributes to a greater sense of involvement and enhances perceived examination capabilities. The results suggest that haptic force feedback is a promising training approach for tasks involving a high degree of exploration and hand-eye coordination. CHAPTER 4 of this thesis presents an article that was submitted to the ISMAR 2026 conference and describes the development of the simulator as well as the results of the user study.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie des technologies de l'information". Comprend des références bibliographiques (pages 113-130).
Mots-clés libres:	réalité virtuelle, retour haptique, courbe d’apprentissage, formation médicale, cathéter intraveineux périphérique, échographie
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Drouin, Simon
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie des technologies de l'information
Date de dépôt:	23 sept. 2026 14:48
Dernière modification:	23 sept. 2026 14:48
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4093

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