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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.
In networked operating room environments, there is an emerging trend towards standardized non-proprietary communication protocols which allow to build new integration solutions and flexible human-machine interaction concepts. The most prominent endeavor is the IEEE 11073 SDC protocol. For some uses cases, it would be helpful if not just medical devices could be controlled based on SDC, but also building automation systems like light, shutters, air condition, etc. For those systems, the KNX protocol is widely used. We build an SDC-to-KNX gateway which allows to use the SDC protocol for sending commands to connected KNX devices. The first prototype system was successfully implemented at the demonstration operating room at Reutlingen University. This is a first step toward the integration of a broader variety of KNX devices.
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.
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.
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.
A hybrid deep registration of MR scans to interventional ultrasound for neurosurgical guidance
(2021)
Despite the recent advances in image-guided neurosurgery, reliable and accurate estimation of the brain shift still remains one of the key challenges. In this paper, we propose an automated multimodal deformable registration method using hybrid learning-based and classical approaches to improve neurosurgical procedures. Initially, the moving and fixed images are aligned using classical affine transformation (MINC toolkit), and then the result is provided to the convolutional neural network, which predicts the deformation field using backpropagation. Subsequently, the moving image is transformed using the resultant deformation into a moved image. Our model was evaluated on two publicly available datasets: the retrospective evaluation of cerebral tumors (RESECT) and brain images of tumors for evaluation (BITE). The mean target registration errors have been reduced from 5.35 ± 4.29 to 0.99 ± 0.22 mm in the RESECT and from 4.18 ± 1.91 to 1.68 ± 0.65 mm in the BITE. Experimental results showed that our method improved the state-of-the-art in terms of both accuracy and runtime speed (170 ms on average). Hence, the proposed method provides a fast runtime for 3D MRI to intra-operative US pair in a GPU-based implementation, which shows a promise for its applicability in assisting the neurosurgical procedures compensating for brain shift.
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.
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.
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.
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.