Mendes, José JoãoLopes, Daniel SimõesRibeiro, Carlos ZagaloRodrigues, Pedro Miguel da Silva2024-08-272024-08-272024-05-07http://hdl.handle.net/10400.26/51908Tese para obtenção do grau de Doutor no Instituto Universitário Egas MonizThe technological revolution is no longer imminent, but, instead, a reality. Technology has consolidated, in societies, the emergence of rapid change in the qualifications of the population and, consequently, the economy. In general, accessibility to information has expanded educational needs and demands. Particularly on the teaching and student population, the universalization of information technology has irreversibly imposed the appropriate pressure for the benefits of digital transformation and this, in turn, is directly dependent on the skill-set of its population. The real benefits of technological transformation can only be felt by a population, in the medium and long term, by placing these platforms in the integrated scheme of Education. The introduction of Virtual Reality (VR) and Haptic Technology (HT) have added new dimensions to education and the way we approach daily professional challenges. If, on the one hand, it is legitimate to say that necessity creates technology, on the other hand, it is equally valid to infer that technology imprints an irreversible need to reevaluate preexisting conventional methodologies, with an objectively critical and constructive sense. When applied to teaching, this strategy tends to provoke qualitative and quantitative changes on pedagogy with the purpose of improving the student. In Health teaching, its application has changed the approach paradigm to both the patient and the disease. It is unequivocally intended for a training process that is closer to the real thing and allows for a greater number of simulation repetitions prior to the medical act, to reduce the number of complications resulting from the act itself, enable greater predictability, and lower morbidity. Pre- and post-graduate education in Dentistry require an evolutionary break; a qualitative leap in line with the real technological potential that we currently have. More predictable results are desired from students with more training hours and with the constancy of competence that arises from repetition. This presents a real need and opportunity in Teaching. In dental training, the transition from preclinical pre- and post-graduate teaching to clinical teaching are moments of central importance for the student. It is in the preclinical stage that the student begins to develop the manual dexterity that will allow him/her to perform the fine and delicate movements and tactile perception necessary for the execution of the protocols inherent to treatment in such delicate tissues as oral tissues. It is also at this stage that the student is most likely to acquire the criteria of rigour and evaluation for the execution of such procedures. Traditionally, pre-clinical teaching occurs through simulation in synthetic and/or human or non-human non-living models, not considering patient motivation, expectations, pain and emergency situations that involve the treatments of real patients. Clear communication of the aforementioned evaluation criteria will allow the student to learn and define his own execution criteria, which is in line with the overarching goal of improving simulation to ease the transition to clinical life, thus reducing the anxiety associated with this transition as well as reducing iatrogenesis. Given the irreversibility of clinical protocols in Dentistry in general, and particularly in Operative Dentistry and Implantology, teaching in these areas presents, in the practical side of training, a fundamental vector in skill acquisition. The purpose of this research is to amplify Operative Dentistry and Dental Implantology teaching through the creation of a simulator with VR and haptic technology, centered on the student's self-assessment by exposing him/herself to simulated scenarios with virtual reality and haptic technology. Having identified the limitations inherent not only to conventional teaching in Implant Dentistry and Operative Dentistry, but also to available simulators, an immersive and multimodal simulator using virtual reality and haptic technology was developed, based on the student’s educational and pedagogical self-perception, allowing the transposition of the aforementioned limitations. The absence of universal evaluation systems, along with consistent simulation on artificial models with little pathological reality, distances conventional simulation from clinical reality. The project aims to validate the use of haptic technologies and virtual reality as methods to improve teaching in Dentistry and Implantology, with proven applicability in preclinical scenarios. The simulator could never be built without a collaborative strategy between pedagogy and programming. The contribution of educational sensitivity in Dentistry would first be introduced by testing the simulator prototype with experienced Dentistry professionals and professors at the Instituto Universitário Egas Moniz (IUEM), Egas Moniz School of Health and Science, in the areas of Dental Implantology and Operative Dentistry, in the context of collaborative work and co-design of the simulator. It was determined that tests with students would only take place after 1) validation of the prototypes through tests with professionals and their publication; and the introduction of changes suggested by the tests with professionals in a more definitive and elaborated version of the prototypes prior to testing with students. The development of the simulator was therefore subdivided into 2 vectors corresponding to the proposed areas: Dental Implantology (IMMPLANT) and Operative Dentistry (DENTIFY OD). IMMPLANT consists of a tech probe that combines a VR head-mounted display, a small hand tracking device placed in the front side of the VR headset and a smartphone, all connected to a laptop. User interaction with the virtual scenarios follows a bi-manual approach where the free (dominant) hand directly manipulates all 6 or 5 degrees-of-freedom of either the mandible or implant, respectively, while the other (non-dominant) hand operates a smartphone for more fine-tuned manipulation. DENTIFY OD is a multimodal simulator that resorts to VR and haptic pen technology. It places the student/user in an immersive virtual environment, composed of visual, auditory and haptic stimuli. It combines a haptic pen, VR goggles with audio output, turbine and drilling sounds, virtual dental models of isolated teeth and complete dental arches. To promote realism of the virtual environment immersion, the haptic pen grip has been replaced by a printed model of a dental turbine. It is intended to be a pedagogical tool for training and teaching the cavity preparation phase in OD, aimed at students in preclinical training for the purposes of improving the student's manual dexterity and three-dimensional spatial manipulation, increasing the number of repetitions per training session, and, additionally, providing a set of metrics corresponding to each use, per user. The simulator also allows for users to save their data per user and per simulation, thus allowing the user to compile a graphical progressive evaluation. Exposing the student to DENTIFY's metrics results aims to stimulate self-assessment and self-criticism, as well as the perception of the user's own learning curve on the grounds of objective and numerically measurable parameters. The tests performed by dental professionals with the IMMPLANT and DENTIFY OD prototypes were very encouraging to the progressive development of DENTIFY. Preliminary tests of IMMPLANT with professionals involved guided interviews, as well as usability and workload questionnaires, whose results allowed us to conclude that it constitutes a versatile virtual reality tool suitable for education in Dental Implantology. The co-design strategy mentioned above was extended to DENTIFY OD, using questionnaires on workload; cybersickness; system usability; and guided interviews. The user acceptance results allowed for the conclusion that DENTIFY OD shows potential in improving its teaching, promotes self-assessment, and provides a real multimodal immersion. It showed pedagogical potential in Operative Dentistry. Regarding of the Dental Implantology’s evolution, it was a conscious choice to not run the tests with students at this stage since, in development meetings, it was concluded that it was mandatory to explore more of its pedagogical potential, lest this tool be underutilized. Regarding DENTIFY OD, tests were performed with students on a renewed simulator, which included, in its reprogramming, results obtained from the previous tests, leading to software changes regarding its aesthetics, handling and usability. Tests with 3rd year Dental Medicine Integrated Master students at the IUEM took place in different sessions and focused on measuring self-assessment and usability by the users (undergraduates). Again, the results can be considered very positive. Students adhered very positively to sessions with the simulator, presenting indistinct performance metrics between users with and without previous experience with Virtual Reality, as well as similar results between gamers and non-gamers. The possibility of instant evaluation and, thus, helping in creating self-criticism in performance standards were considered fundamental in DENTIFY OD’s pedagogical attributes. The inherent potential of Virtual Reality and Haptic Technology suggests that these should be included in the pedagogical reality of pre-clinical teaching in Dentistry, in a definitive, gradual, and consistent manner while presenting measurable performance metrics that reflect the student’s evolutionary curve, numerically and without subjectivity. This work is in conformity with the following UNESCO Objectives for Sustainable Development: ODS 4 – Ensure inclusive and equitable quality education and promote lifelong learning opportunities for all – by universalizing and allowing teaching by cost reduction of the available technology and, therefore, allowing accessibility. ODS 9 – to promote and foster innovation – by further enabling haptic technology and virtual reality in teaching Dental Medicine. To promote better oral health care services to the general community by improving dental teaching.A revolução tecnológica deixou de ser uma iminência para se converter em realidade. A tecnologia consolidou, sobre as sociedades, a emergência da mudança célere, no âmbito das qualificações da população e, consequentemente, da economia. Na generalidade, a acessibilidade à informação dilatou as necessidades e exigências formativas. Particularmente, sobre o ensino e população estudantil, a universalização informática imprimiu, irreversivelmente, a pressão adequada para os benefícios da transformação digital e esta, por sua vez, é directamente dependente das valências da sua população. Os reais benefícios da transformação tecnológica apenas poderão fazer-se sentir sobre uma população, a médio e longo prazo, ao colocar estas plataformas no esquema integrado do Ensino. A introdução da Realidade Virtual e da Tecnologia Háptica acresceram novas dimensões à educação e à forma como se abordam os desafios profissionais diários. Se, por um lado, é legítimo afirmar que a necessidade cria a tecnologia, por outro lado, não deixa de ser igualmente válido inferir que a tecnologia imprime uma irreversível necessidade de reavaliar as metodologias convencionais existentes, com sentido objectivamente crítico e construtivo. Quando aplicada ao ensino, esta estratégia tende a provocar alterações qualitativas e quantitativas sobre a pedagogia com o intuito de melhorar o aluno. No ensino em Saúde, a sua aplicação mudou o paradigma da abordagem ao doente e à doença. Pretende-se, inequivocamente, que um processo formativo mais aproximado do real e com maior número de repetições de simulação prévias ao acto médico, permita reduzir o número de complicações decorrentes do próprio, maior previsibilidade e menor morbilidade. O ensino pré e pós-graduado em Medicina Dentária necessitam de uma ruptura evolutiva; de um salto qualitativo, em consonância com as reais potencialidades tecnológicas de que dispomos presentemente. Pretendem-se resultados mais previsíveis, atingidos por alunos com mais horas de treino e com a constância que a repetição imprime sobre a competência. Esta é uma real necessidade e oportunidade do Ensino. Na formação em Medicina Dentária, as transições do ensino pré-clínico pré e pós-graduados para a realidade clínica constituem momentos de importância fulcral para o estudante. É na fase pré-clínica que este inicia o desenvolvimento da destreza manual que lhe permitirá desenvolver os finos e delicados movimentos manuais e percepção táctil necessários para a execução dos protocolos inerentes ao tratamento, em tecidos tão delicados como os tecidos orais. É, igualmente, nesta fase, que o aluno se encontra mais exposto à apreensão dos critérios de rigor e avaliação da execução de tais procedimentos. Tradicionalmente, o ensino pré-clínico ocorre por simulação em modelos sintéticos e/ou humanos ou não humanos não vivos, isentos da motivação e expectativas do paciente, dor e situações de urgência que envolvem os tratamentos de pacientes reais. A clareza de comunicação dos referidos critérios de avaliação permitirá, ao aluno, apreender e definir critérios próprios de execução, o que se coaduna com o objectivo maior de melhorar a simulação para atenuar a transição para a vida clínica, desta forma reduzindo tanto iatrogenia como a ansiedade associada à referida transição. O ensino em Medicina Dentária no geral e, particularmente, em Dentisteria Operatória e Implantologia, dada a irreversibilidade consequente dos protocolos clínicos que lhes são subjacentes apresentam, no contexto prático do treino, um vector fundamental na aquisição de competências. O objectivo desta investigação consiste na ampliação do ensino em Dentisteria Operatória e Implantologia Dentária através da criação de um simulador com Realidade Virtual e Tecnologia Háptica, centrada no auto-avaliação do estudante pela exposição do próprio a cenários virtuais simulados com tecnologia háptica. Estando identificadas as limitações inerentes não apenas ao ensino convencional, mas também aos simuladores disponíveis, nos campos específicos de Implantologia Dentária e Dentisteria Operatória, foi criado de um simulador com recurso em Realidade virtual e Tecnologia Háptica, imersivo e multimodal, baseado na auto-percepção educativa e pedagógica do estudante, permitindo a transposição das limitações primeiramente identificadas. A ausência de sistemas de avaliação universal, bem como a permanência da simulação com modelos artificiais e com escassa realidade patológica distanciam, ainda, a simulação convencional da realidade clínica. O projecto pretende a validação da utilização da Tecnologia Háptica e Realidade Virtual como métodos de melhoria do ensino em âmbito da Dentisteria Operatória e da Implantologia Dentária, com demonstrada aplicabilidade em cenários préclínicos. A construção de um simulador jamais poderia ser feita sem uma estratégia colaborativa entre pedagogia e programação, sendo que o aporte da sensibilidade educativa em Medicina Dentária seria, primeiramente, introduzido com testes de um protótipo do simulador por profissionais experientes e docentes em Medicina Dentária do Instituto Universitário Egas Moniz (IUEM), Egas Moniz School of Health and Science, nas áreas da Implantologia Dentária e Dentisteria Operatória, no contexto de trabalho colaborativo e co-design do simulador. Ficou definido que os testes com estudantes apenas decorriam após 1) validação dos protótipos através testes com profissionais e sua publicação e 2) a introdução das alterações sugeridas pelos testes com profissionais numa versão mais definitiva e elaborada dos protótipos previamente aos testes com estudantes. O desenvolvimento do simulador foi, portanto, subdividido em dois vectores correspondentes às áreas propostas: Implantologia Dentária (IMMPLANT) e Dentisteria Operatória (DENTIFY OD). O IMMPLANT consiste numa sonda tecnológica que combina óculos de Realidade Virtual, um aparelho detector de movimentos colocado na região em frente à aparatologia de Realidade Virtual e um smartphone, conectados a um computador. A interacção do utilizador com o cenário virtual baseia-se numa manipulação bimanual na qual a mão livre (dominante) manipula a totalidade de 5 ou 6 graus de liberdade de uma mandíbula virtual ou de um implante dentário virtual, respectivamente, enquanto a outra mão (não dominante) opera um smartphone para manipulação mais refinada. Por seu turno, o DENTIFY DO consiste numa simulação multimodal com tecnologia háptica e RV. O estudante/utilizador é colocado num ambiente virtual imersivo composto por estímulos visuais, auditivos e hápticos. Combina uma caneta háptica, óculos de RV e saída de áudio com sons de turbina dentária e de preparação cavitária, modelos dentários virtuais isolados ou inseridos numa arcada dentária. Para promover o realismo do ambiente virtual imersivo, a pega da caneta háptica foi substituída por um modelo 3D de uma turbina dentária com acoplamento adequado. Pretende-se que o DENTIFY DO seja uma ferramenta pedagógica para o ensino e treino da fase de preparação cavitária em Dentisteria Operatória, para alunos na fase de treino pré-clínico e com o objectivo de melhorar a destreza manual e manipulação tridimensional espacial, aumentar o número de repetições por sessão de treino e, adicionalmente, fornecer um conjunto de métricas correspondentes a cada sessão de treino, por utilizador. As métricas referidas permitem compilar dados relativos à progressão individual do utilizador e o conhecimento destes resultados tem como objectivo incutir, no aluno/utilizador, as capacidades de auto-crítica e auto-avaliação, bem como a tomada de percepção da sua curva de aprendizagem personalizada baseada em parâmetros objectivos e numericamente mensuráveis. Os testes com utilizadores executados com profissionais de Medicina Dentária com os protótipos IMMPLANT e DENTIFY DO foram muito encorajadores ao progressivo desenvolvimento do DENTIFY. Os testes preliminares do IMMPLANT com profissionais envolveram entrevistas guiadas, questionários de usabilidade e de esforço mental e físico (workload), cujos resultados permitiram concluir que este constitui uma ferramenta de realidade virtual versátil e adequada para a educação em Implantologia Dentária. A estratégia de co-design supramencionada foi estendida ao DENTIFY DO, com recurso a questionários esforço mental e físico (workload), “cybersickness”, usabilidade do sistema e entrevista guiada. Os resultados sobre a aceitação dos utilizadores permitiram concluir que se o DENTIFY DO apresenta potencial em melhorar o ensino desta disciplina, promove auto-avaliação e uma real imersão multimodal. Apresentou, portanto, potencial pedagógico em Dentisteria Operatória. Por uma questão de estratégia evolutiva do simulador em Implantologia Dentária, foi uma opção consciente não executar, por ora, os testes com estudantes nesta fase, dado que, em reuniões de desenvolvimento do mesmo, se concluiu que era mandatório explorar suplementares potencialidades pedagógicas do mesmo, sob pena de se incorrer em subaproveitamento desta ferramenta. No que concerne ao DENTIFY DO, foram realizados testes com estudantes num renovado simulador que incluiu, na sua reprogramação, os resultados obtidos com os testes prévios, conduzindo a alterações de software no que concerne à estética, manipulação e usabilidade do mesmo. Os testes com estudantes do 3º ano do Mestrado Integrado em Medicina Dentária do IUEM realizaram-se em diferentes sessões, tendo sido centrados na medição da autoavaliação e usabilidade pelos utilizadores (pré-graduados). Novamente, os resultados podem ser considerados como muito positivos. Os alunos aderiram muito positivamente às sessões com o simulador, apresentando métricas de performance indistintas entre utilizadores com e sem experiência prévia com Realidade Virtual, bem como resultados semelhantes entre gamers e não gamers. A possibilidade de avaliação momentânea e, desta forma, auxílio na criação de padrões de exigência críticos de performance, foram considerados como fundamentais na pedagogia veiculada pelo DENTIFY OD. As potencialidades permitidas pela Realidade Virtual e Tecnologia Háptica permitem sugerir que devem ser incluídas na realidade pedagógica do ensino pré-clínico em Medicina Dentária, de forma definitiva, gradual e consistente apresentando métricas mensuráveis de performance que traduzam, numericamente e sem subjectividade, a curva evolutiva do estudante. Este trabalho insere-se nos seguintes Objectivos de Desenvolvimento Sustentável da UNESCO: ODS 4 - Garantir o acesso à educação inclusiva, de qualidade e equitativa, e promover oportunidades de aprendizagem ao longo da vida para todos – ao universalizar e permitir o ensino pela redução de custo da tecnologia e, portanto, pela sua acessibilidade. ODS 9 - promover e fomentar a inovação – através da introdução das tecnologia háptica e realidade virtual no Ensino em Medicina Dentária. Promover melhor saúde oral para a comunidade em geral ao melhorar o ensino em Medicina Dentária.engDental medicineTeachingVirtual RealityHaptic TechnologySimulatorDentifyOperative DentistryDental Implantologydoctoral thesis101762453