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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.
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.
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.