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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.
Purpose: Gliomas are the most common and aggressive type of brain tumors due to their infiltrative nature and rapid progression. The process of distinguishing tumor boundaries from healthy cells is still a challenging task in the clinical routine. Fluid attenuated inversion recovery (FLAIR) MRI modality can provide the physician with information about tumor infiltration. Therefore, this paper proposes a new generic deep learning architecture, namely DeepSeg, for fully automated detection and segmentation of the brain lesion using FLAIR MRI data.
Methods: The developed DeepSeg is a modular decoupling framework. It consists of two connected core parts based on an encoding and decoding relationship. The encoder part is a convolutional neural network (CNN) responsible for spatial information extraction. The resulting semantic map is inserted into the decoder part to get the full-resolution probability map. Based on modified U-Net architecture, different CNN models such as residual neural network (ResNet), dense convolutional network (DenseNet), and NASNet have been utilized in this study.
Results: The proposed deep learning architectures have been successfully tested and evaluated on-line based on MRI datasets of brain tumor segmentation (BraTS 2019) challenge, including s336 cases as training data and 125 cases for validation data. The dice and Hausdorff distance scores of obtained segmentation results are about 0.81 to 0.84 and 9.8 to 19.7 correspondingly.
Conclusion: This study showed successful feasibility and comparative performance of applying different deep learning models in a new DeepSeg framework for automated brain tumor segmentation in FLAIR MR images. The proposed DeepSeg is open source and freely available at https://github.com/razeineldin/DeepSeg/.
Checklists are a valuable tool to ensure process quality and quality of care. To ensure proper integration in clinical processes, it would be desirable to generate checklists directly from formal process descriptions. Those checklists could also be used for user interaction in context-aware surgical assist systems. We built a tool to automatically convert Business Process Model and Notation (BPMN) process models to checklists displayed as HTML websites. Gateways representing decisions are mapped to checklist items that trigger dynamic content loading based on the placed checkmark. The usability of the resulting system was positively evaluated regarding comprehensibility and end-user friendliness.
Intraoperative brain deformation, so called brain shift, affects the applicability of preoperative magnetic resonance imaging (MRI) data to assist the procedures of intraoperative ultrasound (iUS) guidance during neurosurgery. This paper proposes a deep learning-based approach for fast and accurate deformable registration of preoperative MRI to iUS images to correct brain shift. Based on the architecture of 3D convolutional neural networks, the proposed deep MRI-iUS registration method has been successfully tested and evaluated on the retrospective evaluation of cerebral tumors (RESECT) dataset. This study showed that our proposed method outperforms other registration methods in previous studies with an average mean squared error (MSE) of 85. Moreover, this method can register three 3D MRI-US pair in less than a second, improving the expected outcomes of brain surgery.
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.
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.
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.
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.