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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.
Model-guided Therapy and Surgical Workflow Systems are two interrelated research fields, which have been developed separately in the last years. To make full use of both technologies, it is necessary to integrate them and connect them to Hospital Information Systems. We propose a framework for integration of Model-guided Therapy in Hospital Information Systems based on the Electronic Medical Record, and a taskbased Workflow Management System, which is suitable for clinical end users. Two prototypes - one based on Business Process Modeling Language, one based on the serum-board - are presented. From the experience with these prototypes, we developed a novel personalized visualization system for Surgical Workflows and Model-guided Therapy. Key challenges for further development are automated situation detection and a common communication infrastructure.
An operation room is a stressful work environment. Nevertheless, all involved persons have to work safely as there is no space for making mistakes. To ensure a high level of concentration and seamless interaction, all involved persons have to know their own tasks and tasks of their colleagues. The entire team must work synchronously at all times. However, the operation room (OR) is a noisy environment and the actors have to set their focus on their work. To optimize the overall workflow, a task manager supporting the team was developed. Each actor is equipped with a client terminal showing a summary of their own tasks. Moreover, a big screen displays all tasks of all actors. The architecture is a distributed system based on a communication framework that supports the interaction of all clients with the task manager. A prototype of the task manager and several clients have been developed and implemented. The system represents a proof-of-concept for further development. This paper describes the concept of the task manager.
Informationstechnische Systeme, die den Arbeitsablauf im klinischen Bereich unterstützen, sind aktuell auf organisatorische Abläufe beschränkt. Diese Arbeit stellt einen ersten Ansatz vor, wie solch ein System in den perioperativen Bereich eingebracht werden kann. Hierzu wurde eine Workflow Engine mit einer perioperativen Prozess-Visualisierung verknüpft. Das System wurde nach Modell-View-Controller-Prinzip implementiert. Als "Controller" kommt die Workflow Engine zum Einsatz; also "Modell" ein Prozessmodell, mit den erforderlichen klinischen Daten. Der "View" wurde durch eine abgekoppelte Anwendung realisiert, welche auf Web-Technologien basiert. Drei Visualisierungen, die Workflow Engine sowie die Anbindung beider über eine Datenbankschnittstelle, wurden erfolgreich umgesetzt. Bei den drei Visualisierungen wurden jeweils eine Ansicht für den OP-Koordinator, den Springer und eine Ansicht für die Übersicht einer OP erstellt.
An operating room is a stressful work environment. Nevertheless, all involved persons have to work safely as there is no space for mistakes. To ensure a high level of concentration and seamless interaction, all involved persons have to know their own tasks and the tasks of their colleagues. The entire team must work synchronously at all times. To optimize the overall workflow, a task manager supporting the team was developed. In parallel, a common conceptual design of a business process visualization was developed, which makes all relevant information accessible in real-time during a surgery. In this context an overview of all processes in the operating room was created and different concepts for the graphical representation of these user-dependent processes were developed. This paper describes the concept of the task manager as well as the general concept in the field of surgery.
Information systems, which support the workflow in the clinical area, are currently limited to organizational processes. This work shows a first approach of an information system supporting all actors in the perioperative area. The first prototype and proof of concept was a task manager, giving all actors information about their task and the task of all other actors during an intervention. Based on this initial task manager, we implemented an information system based on a workflow engine controlling all processes and all information necessary for the intervention. A second part was the development of a perioperative process visualization which was developed based on a user centered approach jointly with clinicians and OR members.
Clinical reading centers provide expertise for consistent, centralized analysis of medical data gathered in a distributed context. Accordingly, appropriate software solutions are required for the involved communication and data management processes. In this work, an analysis of general requirements and essential architectural and software design considerations for reading center information systems is provided. The identified patterns have been applied to the implementation of the reading center platform which is currently operated at the Center of Ophthalmology of the University Hospital of Tübingen.
Scheduled flexibility and individualization of knowledge transfer in foundations of computer science
(2017)
The opening of the German higher education system for new target groups involves a heterogeneous composition of students as never before and face up the universities to new challenges. Due to different educational biographies, the students don't show a homogeneous level of knowledge. Furthermore, their access to course content and their individual learning methods are very diverse. The existing lack of knowledge and the very unequal study speed have a significant influence on the learning behavior and learning motivation. During the first semesters, the dropout rate is appreciably higher. The reform project gives an overview of a didactic restructuring from a formerly conventional teaching and learning concept to a stronger combination of digital offers, combined with classical lectures in the basic modules of computer science. The teaching content is adjusted to the individual requirements and knowledge. Students with different previous knowledge get the possibility to increase their knowledge in different levels of abstraction. The aim of the reform project has to point out the possibilities, also the challenges of the digital process in higher education. At the same time the question has to be explored, how far does an accompanied and self-directed learning in own speed and in own individual depth of knowledge have a positive impact on the motivation and on the study success of a learner.
This paper contributes to the automatic detection of perioperative workflow by developing a binary endoscope localization. Automated situation recognition in the context of an intelligent operating room requires the automatic conversion of low level cues into more abstract high level information. Imagery from a laparoscope delivers rich content that is easy to obtain but hard to process. We introduce a system which detects if the endoscope's distal tip is inside or outsiede the patient based on the endoscope video. This information can be used as one parameter in a situation recognition pipeline. Our localization performs in real-time at a video resolution of 1280x720 and 5-fold cross validation yields mean F1-scores of up to 0,94 on videos of 7 laparoscopies.
Diese Arbeit liefert einen Konzeptentwurf, der die Integration verschiedener Systeme mit prozessrelevanten klinischen Diensten gewährleistet. Chirurgische Abläufe werden in Form von Prozessen modelliert. Die Wahl der Notation und die Art der Modellierung dieser Prozesse spielt in der heutigen Forschung in diesem Gebiet eine zentrale Rolle. Sind diese Prozesse modelliert, besteht die Möglichkeit, diese in einer Workflow-Engine automatisiert auszuführen. Im Rahmen der Entwicklung eines Workflow-Managment-Systems stellt sich die Frage, wie die Anbindung dieser Workflow-Engine mit anderen Systemen erfolgen soll. In der Arbeit werden Schnittstellen abstrakt in der Web Services Description Language (WSDL) definiert. Darum werden automatisiert Artefakte erzeugt. Auf der Grundlage dieser Artefakte erfolgt die Integration der Systeme. Die Workflow-Engine kommunizieren über SOAP-Nachrichten (Simple Object Access Protocol) mit den entsprechenden Systemen. Dieser Ansatz wurde mithilfe eines Prototyps validiert und umgesetzt.
Radiofrequency ablation is an ablation technique to treat tumors with focused heat. Computer tomography, ultrasound and magnetic resonance imaging (MRI) are imaging modalities which can be used for image-guided procedures. MRI offers several advantages in comparison to the other imaging modalities, such as radiation-free fluoroscopic imaging, temperature mapping, a high-soft-tissue contrast and free selection of imaging planes. This work addresses the application of 3Dcontrollers for controlling interventional, fluoroscopic MR sequences at the scenario of MR guided radiofrequency ablation of hepatic malignancies. During this procedure, the interventionalist can monitor the targeting of the tumor with near-real time fluoroscopic sequences. In general, adjustments of the imaging planes are necessary during tumor targeting, which is performed by an assistant in the control room. Therefore, communication between the interventionalist in the scanner room and the assistant in the control room is essential. However, verbal communication is impaired due to the loud scanning noises. Alternatively, non-verbal communication between the two persons is possible, however limited to a few gestures and susceptible to misunderstandings. This work is analyzing different 3D-controllers to enable control of interventional MR sequences during MR-guided procedures directly by the interventionalist. Leap Motion, Wii Remote, SpaceNavigator, Phantom Omni and Foot Switch were selected. For that a simulation was built in C++ with VTK to feign the real scenario for test purposes. Previous results showed that Leap Motion is not suitable for the application while Wii Remote and Foot Switch are possible input devices. Final evaluation showed a generally time reduction with the use of 3D-controllers. Best results were reached with Wii Remote in 34 seconds. Handholding input devices like Wii Remote have further potential to integrate them in real environment to reduce intervention time.
Die minimal-invasive Chirurgie (MIC) entwickelt sich durch den Einsatz von medizinischen Robotern wie dem da Vinci System von Intuitive Surgical stetig weiter. Hierdurch kann eine bessere oder gleichwertige Operation bei deutlich geringerer körperlicher Belastung des Operateurs erreicht werden. Dabei entstehen jedoch neue Problemstellungen wie beispielsweise Kollision zwischen Roboterarmen und die benötigte Zeit zum Einrichten einer geeigneten Roboterkonfiguration. Daher ist eine effiziente Vorbereitung und Planung der Interventionen erforderlich. Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz für eine verbesserte Planung mit Augmented Reality (AR) und einer Robotik Simulationssoftware (RS). Die Robotik Simulation dient zur Berechnung einer Roboterkonfiguration unter Vorgabe der Port-Positionen. Augmented Reality wird verwendet, um die berechneten Pose in der realen Umgebung zu visualisieren und somit leichter in den Operationssaal zu übertragen.
Die Segmentierung und das Tracking von minimal-invasiven robotergeführten Instrumenten ist ein wesentlicher Bestandteil für verschiedene computer assistierte Eingriffe. Allerdings treten in der minimal-invasiven Chirurgie, die das Anwendungsfeld für den hier beschriebenen Ansatz darstellt, häufig Schwierigkeiten durch Reflexionen, Schatten oder visuelle Verdeckungen durch Rauch und Organe auf und erschweren die Segmentierung und das Tracking der Instrumente.
Dieser Beitrag stellt einen Deep Learning Ansatz für ein markerloses Tracking von minimal-invasiven Instrumenten vor und wird sowohl auf simulierten als auch realen Daten getestet. Es wird ein simulierter als auch realer Datensatz mit Ground Truth Kennzeichnung für die binäre Segmentierung von Instrument und Hintergrund erstellt. Für den simulierten Datensatz werden Bilder aus einem simulierten Instrument und realem Hintergrund zusammengesetzt. Im Falle des realen Datensatzes spricht man von der Zusammensetzung der Bilder aus einem realen Instrument und Hintergrund. Insgesamt wird auf den simulierten Daten eine Pixelgenauigkeit von 94.70 Prozent und auf den realen Daten eine Pixelgenauigkeit von 87.30 Prozent erreicht.
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.
The metric and qualitative analysis of models of the upper and lower dental arches is an important aspect of orthodontic treatment planning. Currently available eLearning systems for dental education only allow access to digital learning materials, and do not interactively support the learning progress. Moreover, to date no study compared the efficiency of learning methods based on physical or digital study models. For this pilot study, 18 dental students were separated into two groups to investigate whether the learning success in study model analysis with an interactive elearning system is higher based on digital models or on conventional plaster models. The results show that with the digital method less time is needed per model analysis. Moreover, the digital approach leads to higher total scores than that based on plaster models. We conclude that interactive eLearning using digital dental arch models is a promising tool for dental education.
Workflow driven support systems in the peri-operative area have the potential to optimize clinical processes and to allow new situation-adaptive support systems. We started to develop a workflow management system supporting all involved actors in the operating theatre with the goal to synchronize the tasks of the different stakeholders by giving relevant information to the right team members. Using the OMG standards BPMN, CMMN and DMN gives us the opportunity to bring established methods from other industries into the medical field. The system shows each addressed actor their information in the right place at the right time to make sure every member can execute their task in time to ensure a smooth workflow. The system has the overall view of all tasks. Accordingly, a workflow management system including the Camunda BPM workflow engine to run the models, and a middleware to connect different systems to the workflow engine and some graphical user interfaces to show necessary information or to interact with the system are used. The complete pipeline is implemented with a RESTful web service. The system is designed to include different systems like hospital information system (HIS) via the RESTful web service very easily and without loss of data. The first prototype is implemented and will be expanded.
Zur Unterstützung des Operateurs wird eine patientennahe Informationsanzeige entwickelt, die kontextrelevante Informationen entsprechend der aktuellen Situation bereitstellen kann. Hierfür soll eine Situationserkennung konzipiert werden, die auf unterschiedliche intraoperative Prozesse übertragen werden kann. Ziel der adaptiven Situationserkennung ist das Erkennen spezifischer Situationen durch intraoperative Informationen unterschiedlicher Datenquellen im Operationssaal. Innerhalb der Datenerhebung und -analyse wurden Anwendungsfälle für die Situationserkennung definiert sowie chirurgische Prozessmodelle erstellt, die intraoperative Ereignisse abbilden. Auf Basis dieser Informationen wurde ein Konzept entworfen, das sich zunächst auf die Erkennung abstrakter generalisierter Phasen, unabhängig vom Eingriff, fokussiert und sich Schritt für Schritt auf granulare Prozessschritte spezifizieren lässt. Diese Flexibilität soll die Übertragbarkeit des Konzepts auf intraoperative Prozesse ermöglichen und den Operateur dadurch gezielt mit kontextrelevanten Informationen unterstützen. Das Konzept wird in zukünftigen Schritten weiterentwickelt.
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.
This study is about estimating the reproducibility of finding palpation points of three different anatomical landmarks in the human body (Xiphoid Process and the 2 Hip Crests) to support a navigated ultrasound application. On 6 test subjects with different body mass index the three palpation points were located five times by two examiners. The deviation from the target position was calculated and correlated to the fat thickness above each palpation point. The reproducibility of the measurements had a mean error of ≈13.5 mm +- 4 mm, which seems to be sufficient for the desired application field.
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.