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One of the key challenges for automatic assistance is the support of actors in the operating room depending on the status of the procedure. Therefore, context information collected in the operating room is used to gain knowledge about the current situation. In literature, solutions already exist for specific use cases, but it is doubtful to what extent these approaches can be transferred to other conditions. We conducted a comprehensive literature research on existing situation recognition systems for the intraoperative area, covering 274 articles and 95 cross-references published between 2010 and 2019. We contrasted and compared 58 identified approaches based on defined aspects such as used sensor data or application area. In addition, we discussed applicability and transferability. Most of the papers focus on video data for recognizing situations within laparoscopic and cataract surgeries. Not all of the approaches can be used online for real-time recognition. Using different methods, good results with recognition accuracies above 90% could be achieved. Overall, transferability is less addressed. The applicability of approaches to other circumstances seems to be possible to a limited extent. Future research should place a stronger focus on adaptability. The literature review shows differences within existing approaches for situation recognition and outlines research trends. Applicability and transferability to other conditions are less addressed in current work.
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.
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.
Context-aware systems to support actors in the operating room depending on the status of the intervention require knowledge about the current situation in the intra-operative area. In literature, solutions to achieve situation awareness already exist for specific use cases, but applicability and transferability to other conditions are less addressed. It is assumed that a unified solution that can be adapted to different processes and sensors would allow for greater flexibility, applicability, and thus transferability to different applications. To enable a flexible and intervention-independent system, this work proposes a concept for an adaptable situation recognition system. The system consists of four layers with several modular components for different functionalities. The feasibility is demonstrated via prototypical implementation and functional evaluation of a first basic framework prototype. Further development goal is the stepwise extension of the prototype.
Purpose
For the modeling, execution, and control of complex, non-standardized intraoperative processes, a modeling language is needed that reflects the variability of interventions. As the established Business Process Model and Notation (BPMN) reaches its limits in terms of flexibility, the Case Management Model and Notation (CMMN) was considered as it addresses weakly structured processes.
Methods
To analyze the suitability of the modeling languages, BPMN and CMMN models of a Robot-Assisted Minimally Invasive Esophagectomy and Cochlea Implantation were derived and integrated into a situation recognition workflow. Test cases were used to contrast the differences and compare the advantages and disadvantages of the models concerning modeling, execution, and control. Furthermore, the impact on transferability was investigated.
Results
Compared to BPMN, CMMN allows flexibility for modeling intraoperative processes while remaining understandable. Although more effort and process knowledge are needed for execution and control within a situation recognition system, CMMN enables better transferability of the models and therefore the system. Concluding, CMMN should be chosen as a supplement to BPMN for flexible process parts that can only be covered insufficiently by BPMN, or otherwise as a replacement for the entire process.
Conclusion
CMMN offers the flexibility for variable, weakly structured process parts, and is thus suitable for surgical interventions. A combination of both notations could allow optimal use of their advantages and support the transferability of the situation recognition system.
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.
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.
Background and purpose: Transapical aortic valve replacement (TAVR) is a recent minimally invasive surgical treatment technique for elderly and high-risk patients with severe aortic stenosis. In this paper,a simple and accurate image-based method is introduced to aid the intra-operative guidance of TAVR procedure under 2-D X-ray fluoroscopy.
Methods: The proposed method fuses a 3-D aortic mesh model and anatomical valve landmarks with live 2-D fluoroscopic images. The 3-D aortic mesh model and landmarks are reconstructed from interventional X-ray C-arm CT system, and a target area for valve implantation is automatically estimated using these aortic mesh models.Based on template-based tracking approach, the overlay of visualized 3-D aortic mesh model, land-marks and target area of implantation is updated onto fluoroscopic images by approximating the aortic root motion from a pigtail catheter motion without contrast agent. Also, a rigid intensity-based registration algorithm is used to track continuously the aortic root motion in the presence of contrast agent.Furthermore, a sensorless tracking of the aortic valve prosthesis is provided to guide the physician to perform the appropriate placement of prosthesis into the estimated target area of implantation.
Results: Retrospective experiments were carried out on fifteen patient datasets from the clinical routine of the TAVR. The maximum displacement errors were less than 2.0 mm for both the dynamic overlay of aortic mesh models and image-based tracking of the prosthesis, and within the clinically accepted ranges. Moreover, high success rates of the proposed method were obtained above 91.0% for all tested patient datasets.
Conclusion: The results showed that the proposed method for computer-aided TAVR is potentially a helpful tool for physicians by automatically defining the accurate placement position of the prosthesis during the surgical procedure.
Documentation of clinical processes, especially in the perioperative are, is a base requirement for quality of service. Nonetheless, the documentation is a burden for the medical staff since it distracts from the clinical core process. An intuitive and user-friendly documentation system could increase documentation quality and reduce documentation workload. The optimal system solution would know what happened and the person documenting the step would need a single “confirm” button. In many cases, such a linear flow of activities is given as long as only one profession (e.g. anaestesiology, scrub nurse) is considered, but even in such cases, there might be derivations from the linear process flow and further interaction is required.
This project aims to evaluate existing big data infrastructures for their applicability in the operating room to support medical staff with context-sensitive systems. Requirements for the system design were generated. The project compares different data mining technologies, interfaces, and software system infrastructures with a focus on their usefulness in the peri-operative setting. The lambda architecture was chosen for the proposed system design, which will provide data for both postoperative analysis and real-time support during surgery.