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OR-Pad - Entwicklung eines Prototyps zur sterilen Informationsanzeige am OP-Situs : meeting abstract
(2019)
Hintergrund: Oftmals werden Informationen aus der Krankenakte oder von Bildgebungsverfahren nur auf recht weit vom Operationsgebiet entfernten Monitoren, außerhalb der ergonomischen Sichtachse des Operateurs, dargestellt. Dies führt dazu, dass relevante Informationen übersehen werden oder ihr Informationspotenzial nicht ausgeschöpft werden kann. In Papierform mitgenommene Notizen befinden sich während der OP außerhalb des sterilen Bereichs und sind dadurch für den Operateur nicht ohne Weiteres zugänglich. Auch bei intraoperativen Einträgen für die OP Dokumentation ist der Operateur auf die Mithilfe der Assistenz angewiesen. Durch die zusätzlichen Kommunikationswege entstehen dabei ein personeller und zeitlicher Mehraufwand und das Fehlerpotenzial nimmt zu. Das anwendungsorientierte Forschungsprojekt OR-Pad - Nutzung von portablen Informationsanzeigen im Operationssaal - soll dem Operateur zu einem verbesserten Informationsfluss verhelfen. Die Idee entstand aus der klinischen Routine der Anatomie und Urologie des Universitätsklinikums Tübingen und wird nun durch Fördermittel vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg sowie vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung an der Hochschule Reutlingen zu einem High Fidelity-Prototypen weiterentwickelt.
Ziel: Ziel des OR-Pad Projekts ist es, während einer OP zum aktuellen Zeitpunkt klinisch relevante Informationen in unmittelbarer Nähe zum Operateur darzustellen. Mithilfe des Systems soll der Informationsfluss zwischen dem Eingriff sowie dessen Vor- und Nachbereitung optimiert werden. Der Operateur soll vorab relevante Informationen, wie aktuelle Röntgenbilder oder persönliche Notizen, zur intraoperativen Anzeige auswählen können, die dann am OP-Situs auf einer sterilen Informationsanzeige dargestellt werden. Durch die Positionierung soll eine ergonomische Sichtachse sowie die direkte Interaktion mit dem System ermöglicht werden. Kontextrelevante Informationen sollen basierend auf dem aktuellen OP-Verlauf durch die Entwicklung einer Situationserkennung automatisch bereitgestellt werden. Zur Optimierung des Informationsflusses gehört ebenfalls die Unterstützung der OP-Dokumentation. Für diese sollen während des Eingriffs manuell vom Operateur sowie automatisch vom System Einträge, wie Zeitpunkte oder intraoperative Aufnahmen, erstellt werden. Aus diesen soll nach dem Eingriff die OP-Dokumentation generiert und damit der Prozess qualitativer und zeiteffizienter gestaltet werden.
Methodik: Zur Erreichung des Ziels werden zunächst die klinischen Anforderungen spezifiziert und in ein Lastenheft überführt. Hierfür werden Interviews und Beobachtungen bei mehreren Interventionen durchgeführt. Nach dem User-Centered-Designprozess werden Personas und Nutzungsszenarien entworfen und mit klinischen Projektpartnern in mehreren Iterationen evaluiert. Es gilt eine Informationsarchitektur aufzubauen, die eine Einbettung klinischer Informationssysteme sowie Bild- und Gerätedaten aus dem OP-Netzwerk erlaubt. Eine Situationserkennung, basierend auf Prozessmodellen, soll zur Abschätzung des Operationsfortschritts entwickelt werden. Zur Befestigung der Informationsanzeige sollen geeignete Haltemechanismen eingesetzt werden. Das OR-Pad System soll laufend im Lehr- und Forschungs-OP der Hochschule Reutlingen getestet und im Sinne agiler Produktentwicklung mit den klinischen Projektpartnern abgestimmt werden. Der finale Funktionsprototyp soll abschließend in den Versuchs-OPs der Anatomie Tübingen getestet und evaluiert werden.
Ergebnisse: Über eine erste Datenerhebung mittels Contextual Inquiry konnten erste Anforderungen an das OR-Pad System erfasst werden, woraus ein Low-Fidelity-Prototyp resultierte. Die Evaluation über Experteninterviews führte in die zweite Iteration, in der das Konzept entsprechend der Ergebnisse angepasst wurde. Über Hospitationen am Uniklinikum Tübingen fand eine weitere Datenerhebung zur Erstellung von Szenarien für die intraoperativen Anwendungsfälle statt. Anhand der Anforderungen wurde ein Konzept für die Benutzerschnittstelle entworfen, die im weiteren Verlauf mit den klinischen Projektpartnern evaluiert wird.
Automatic segmentation is essential for the brain tumor diagnosis, disease prognosis, and follow-up therapy of patients with gliomas. Still, accurate detection of gliomas and their sub-regions in multimodal MRI is very challenging due to the variety of scanners and imaging protocols. Over the last years, the BraTS Challenge has provided a large number of multi-institutional MRI scans as a benchmark for glioma segmentation algorithms. This paper describes our contribution to the BraTS 2022 Continuous Evaluation challenge. We propose a new ensemble of multiple deep learning frameworks namely, DeepSeg, nnU-Net, and DeepSCAN for automatic glioma boundaries detection in pre-operative MRI. It is worth noting that our ensemble models took first place in the final evaluation on the BraTS testing dataset with Dice scores of 0.9294, 0.8788, and 0.8803, and Hausdorf distance of 5.23, 13.54, and 12.05, for the whole tumor, tumor core, and enhancing tumor, respectively. Furthermore, the proposed ensemble method ranked first in the final ranking on another unseen test dataset, namely Sub-Saharan Africa dataset, achieving mean Dice scores of 0.9737, 0.9593, and 0.9022, and HD95 of 2.66, 1.72, 3.32 for the whole tumor, tumor core, and enhancing tumor, respectively.
Multi-dimensional patient data, such as time varying volume data, data of different imaging modalities, surface segmentations etc. are of growing importance in the clinical routine. For many use cases, it is of major importance to replicate a certain visualization of a data set created on one machine on a different computer using different software tools. Up until now, there exists no standardized methodology for this consistent presentation. We propose an extension of the Digital Imaging und Communications in Medicine (DICOM) called “Multi dimensional Presentation State” and outline scope and first results of the standardization process.
The paper describes how eye-tracking can be used to explore electronic patient records (EPR) in a sterile environment. As an information display, we used a system that we developed for the presentation of patient data and for supporting surgical hand disinfection. The eye-tracking was performed using the Tobii Eye Tracker 4C, and the connection between the eye-tracker and the HTML website was realized using the Tobii EyeX Chrome Extension. Interactions with the EPR are triggered by fixations of icons. The interaction was working as intended, but test persons reported a high mental load while using the system.
Accurate and safe neurosurgical intervention can be affected by intra-operative tissue deformation, known as brain-shift. In this study, we propose an automatic, fast, and accurate deformable method, called iRegNet, for registering pre-operative magnetic resonance images to intra-operative ultrasound volumes to compensate for brain-shift. iRegNet is a robust end-to-end deep learning approach for the non-linear registration of MRI-iUS images in the context of image-guided neurosurgery. Pre-operative MRI (as moving image) and iUS (as fixed image) are first appended to our convolutional neural network, after which a non-rigid transformation field is estimated. The MRI image is then transformed using the output displacement field to the iUS coordinate system. Extensive experiments have been conducted on two multi-location databases, which are the BITE and the RESECT. Quantitatively, iRegNet reduced the mean landmark errors from pre-registration value of (4.18 ± 1.84 and 5.35 ± 4.19 mm) to the lowest value of (1.47 ± 0.61 and 0.84 ± 0.16 mm) for the BITE and RESECT datasets, respectively. Additional qualitative validation of this study was conducted by two expert neurosurgeons through overlaying MRI-iUS pairs before and after the deformable registration. Experimental findings show that our proposed iRegNet is fast and achieves state-of-the-art accuracies outperforming state-of-the-art approaches. Furthermore, the proposed iRegNet can deliver competitive results, even in the case of non-trained images as proof of its generality and can therefore be valuable in intra-operative neurosurgical guidance.
Intra-operative fluoroscopy-guided assistance system for transcatheter aortic valve implantation
(2014)
A new surgical assistance system has been developed to assist the correct positioning of the AVP during transapical TAVI. The developed assistance system automatically defines the target area for implanting the AVP under live 2-D fluoroscopy guidance. Moreover, this surgical assistance system works with low levels of contrast agent for the final deployment of AVP, reducing therefore long-term negative effects, such as renal failure in the elderly and high-risk patients.
In der Orthopädie werden Robotersysteme bereits seit mehreren Jahren erfolgreich unterstützend eingesetzt. Dieser Ansatz erfordert die vorgelagerte Erstellung eines digitalen Modells auf Basis von medizinischen Bilddatensätzen. Die Erstellung und Überprüfung der Modelle soll in einer browserbasierten Client- Server-Anwendung erfolgen. Hierfür ist die Darstellung von zweidimensionalen und dreidimensionalen Datensätzen erforderlich. Basis dieses Papers ist die Entwicklung eines Ansatzes zur interaktiven, browserbasierten dreidimensionalen Darstellung medizinischer Planungsdaten. Die Anwendung stellt ein Proof of Concept dar, ob die bestehenden Desktopanwendungen zur Darstellung von Planungsdaten ersetzt werden können. Mit Hilfe des Frameworks AMI.js wurde die Anwendung umgesetzt. Sie erfüllt alle definierten Anforderungen und kann somit die aktuellen Desktopanwendungen ersetzen.
Die Bereitstellung klinischer Informationen im Operationssaal ist ein wichtiger Aspekt zur Unterstützung des chirurgischen Teams. Die roboter-assistierte Ösophagusresektion ist ein besonders komplexer Eingriff, der Potenzial zur workflowbasierten Unterstützung bietet. Wir präsentieren erste Ergebnisse der Entwicklung eines Checklisten-Tools mit der zugrundeliegenden Modellierung des chirurgischen Workflows und Informationsbedarf der Chirurgen. Das Checklisten-Tool zeigt hierfür die durchzuführenden Schritte chronologisch an und stellt zusätzliche Informationen kontextadaptiert bereit. Eine automatische Dokumentation von Start- und Endzeiten einzelner OP-Phasen und Schritte soll zukünftige Prozessanalysen der Operation ermöglichen.
The increasing heterogenecity of students at German Universities of Applied Sciences and the growing importance of digitization call for a rethinking of teaching and learning within higher education. In the next years, changing the learning ecosystem by developing and reflecting upon new teaching and learning techniques using methods of digitalization will be both - most relevant and very challenging. The following article introduces two different learning scenarios, which exemplify the implementation of new educational models that allow discontinuity of time and place, technology and process in teaching and learning. Within a blended learning apporach, the first learning scenario aims at adapting and individualizing the knowledge transfer in the course Foundations of Computer Science by providing knowledge individually and situation-specifically. The second learning scenario proposes a web-based tool to facilitate digital learning environments and thus digital learning communities and the possibility of computer-supported learning. The overall aim of both learning scenarios is to enhance learning for diverse groups by providing a different smart learning ecosystem in stepping away from a teacher-based to a student-centered approach. Both learning scenarios exemplarily represent the educational vision of Reutlingen University - its development into an interactive university.
Access to clinical information during interventions is an important aspect to support the surgeon and his team in the OR. The OR-Pad research project aims at displaying clinically relevant information close to the patient during surgery. With the OR-Pad system, the surgeon shall be able to access case-specific information, displayed on a sterile-packaged, portable display device. Therefore, information shall be prepared before surgery and also be available afterwards. The project follows an user-centered design process. Within the third iteration, the interaction concept was finalized, resulting in an application that can be used in two modes, mobile and intraoperative, to support the surgeon before/after and during surgery, respectively. By supporting the surgeon perioperatively, it is expected to improve the information situation in the OR and thereby the quality of surgical results. Based on this concept, the system architecture was designed in detail, using a client-server architecture. Components, communication interfaces, exchanged data, and intended standards for data exchange of the OR-Pad system including connecting systems were conceived. Expert interviews by using a clickable prototype were conducted to evaluate the concepts.