How Low Can You Go? Investigating Frame Rate Requirements for Pediatric Cardiovascular Surgery

Abstract

A shortage of pediatric heart surgeons across the world limits the
available surgical interventions, leading to long wait times and higher
risk of mortality. The use of robotic surgery and its advantages may
help address this issue, and the Collaborative Articial Intelligence Sur-
gical Assistance-project is a starting point to develop an autonomous
robotic surgical assistant. However, the video frame rate required
for such a system to operate safely is unknown. To estimate the vi-
sual requirements of the system, this study investigates how reduced
frame rates affect human performance in surgical tasks.
Applications with a range of frame rates were developed using
Unity and a Meta Quest 3 head-mounted display. A pre-study ex-
amined the effect of frame rate on performance in a fine motor task.
This was followed by the main study in which surgeons and medical
students performed a surgical task in different frame rates.
The results indicate a clear decline in both fine motor and sur-
gical performance at lower frame rates. Participants made more er-
rors, required more time to complete tasks, and perceived the tasks
as more difficult. A particularly pronounced drop in performance
was observed at frame rates below 10 fps. However, participants
also reported that the low resolution of the head-mounted display
negatively affected their performance across all frame rates.
The study results provide an indication of the frame rate thresh-
old required for surgical robots. However, further research is needed
using higher-resolution systems and more dynamic environments.

Popular Abstract (Swedish)

Vad händer med den kirurgiska förmågan när man sänker bildfrekvensen? En studie för utveckling av autonoma kirurgiska robotar med människan som utgångspunkt.
Varje år föds cirka 1.3 miljoner barn med hjärtfel och cirka 25% behöver vård inom ett år för att överleva. Då det råder global brist på barnhjärtkirurger, hinner inte alla barn få den vård de behöver. Det kan dessutom ta en kirurg 15-20 år att bygga upp avancerad kompetens och erfarenhet. Yrkesgruppen förlorar därför mycket kunskap när en kirurg går i pension. Utvecklingen av och kunskapsöverföring till kirurgiska robotar, skulle i framtiden kunna bidra till ökat kunskapsbevarande och tillgängliggörande av vård. Genom att bidra till denna utveckling syftar studien till att förbättra behandlingsmöjligheterna för barn med medfödda hjärtfel och därigenom minska barnadödligheten.
Denna utforskande studie har undersökt hur låga bildfrekvenser påverkar kirurgisk färdighet. I resultaten försämrades utförandet drastiskt inom spannet 30 till 5 fps, med en särskilt stor försämring under 10 fps. Deltagarna började begå fler fel när bildfrekvensen blev lägre. Det var till exempel vanligt att få svårt att hitta och greppa nålen, man sydde ojämna stygn och tappade instrument under ingreppet. Det tog även betydligt längre tid att bli klar; en uppgift som tagit fem minuter under vanliga förhållanden kunde plötsligt dröja nästan 20 minuter. Det visade sig dock att kirurgerna var förvånansvärt duktiga på att anpassa sig till de försämrade visuella förutsättningarna, då deras resultat försämrades betydligt mindre än övriga deltagares. Själva förklarade de att de kunnat förlita sig på sin erfarenhet, muskelminne och förinställda mönster – eller som en av kirurgerna beskrev det: “... som en dans”.
Upplevelsen av låga bildfrekvenser, särskilt under 10 fps, var påtagligt dålig. Deltagarna anmärkte på allt från illamående och yrsel till frustration och uppgivenhet, då de inte kunde se vad de gjorde. Studien påverkades av tekniska begränsningar i form av låg upplösning, vilket påverkade både resultatet och deltagarnas upplevelse. “Jag fick blunda för att kunna se bättre” kommenterades av en deltagare, och dessa känslor delades även av ett anmärkningsvärt antal andra.
Den kirurgiska förmågan testades genom att deltagarna fick ta på sig ett Meta Quest 3-headset där bildfrekvensen hade ändrats. De fick utföra kirurgiska ingrepp, såsom att klippa upp vävnad, sy stygn och knyta knutar i olika bildfrekvenser.
Studiens resultat är tänkt att ge insikter i hur bildfrekvens påverkar kirurgisk förmåga inom barnhjärtkirurgi, och tar en explorativ ansats för att lägga grunden för framtida studier av autonoma kirurgiska robotar. Eftersom de inte har utvecklats ännu, bidrar lärdomarna från studien till utvecklingen genom att utgå från människans förmåga.

• author: Balke, Lisa and Lu, Henrik
• supervisor: Kirsten Rassmus-Gröhn
• organization: Certec - Rehabilitation Engineering and Design; Ergonomics and Aerosol Technology
• course: MAMM01 20252
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Frame rate, pediatric cardiovascular surgery, extended reality
• language: English
• id: 9225129
• date added to LUP: 2026-04-09 11:12:31
• date last changed: 2026-04-09 11:12:31