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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.
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.
Towards Automated Surgical Documentation using automatically generated checklists from BPMN models
(2021)
The documentation of surgeries is usually created from memory only after the operation, which is an additional effort for the surgeon and afflicted with the possibility of imprecisely, shortend reports. The display of process steps in the form of checklists and the automatic creation of surgical documentation from the completed process steps could serve as a reminder, standardize the surgical procedure and save time for the surgeon. Based on two works from Reutlingen University, which implemented the creation of dynamic checklists from Business Process Modelling Notation (BPMN) models and the storage of times at which a process step was completed, a prototype was developed for an android tablet, to expand the dynamic checklists by functions such as uploading photos and files, manual user entries, the interception of foreseeable deviations from the normal course of operations and the automatic creation of OR documentation.
Purpose
Computerized medical imaging processing assists neurosurgeons to localize tumours precisely. It plays a key role in recent image-guided neurosurgery. Hence, we developed a new open-source toolkit, namely Slicer-DeepSeg, for efficient and automatic brain tumour segmentation based on deep learning methodologies for aiding clinical brain research.
Methods
Our developed toolkit consists of three main components. First, Slicer-DeepSeg extends the 3D Slicer application and thus provides support for multiple data input/ output data formats and 3D visualization libraries. Second, Slicer core modules offer powerful image processing and analysis utilities. Third, the Slicer-DeepSeg extension provides a customized GUI for brain tumour segmentation using deep learning-based methods.
Results
The developed Slicer-DeepSeg was validated using a public dataset of high-grade glioma patients. The results showed that our proposed platform’s performance considerably outperforms other 3D Slicer cloud-based approaches.
Conclusions
Developed Slicer-DeepSeg allows the development of novel AI-assisted medical applications in neurosurgery. Moreover, it can enhance the outcomes of computer-aided diagnosis of brain tumours. Open-source Slicer-DeepSeg is available at github.com/razeineldin/Slicer-DeepSeg.
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.
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.
Physicians in interventional radiology are exposed to high physical stress. To avoid negative long-term effects resulting from unergonomic working conditions, we demonstrated the feasibility of a system that gives feedback about unergonomic
situations arising during the intervention based on the Azure Kinect camera. The overall feasibility of the approach could be shown.
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.
Ultra wideband real-time locating system for tracking people and devices in the operating room
(2022)
Position tracking within the OR could be one possible input for intraoperative situation recognition. Our approach demonstrates a Real-time Locating System (RTLS) using the Ultra Wideband (UWB) technology to determine the position of people or objects. The UWB RTLS was integrated into the research OR at Reutlingen University and the system’s settings were optimized regarding the four factors accuracy, susceptibility to interference, range, and latency. Therefore, different parameters were adapted and the effects on the factors were compared. Goodtracking quality could be achieved under optimal settings. These results indicate that a UWB RTLS is well suited to determine the position of people and devices in our setting. The feasibility of the system needsto be evaluated under real OR conditions.