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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.
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.
Motivation: Aim of this project is the automatic classification of total hip endoprosthesis (THEP) components in 2D Xray images. Revision surgeries of total hip arthroplasty (THA) are common procedures in orthopedics and trauma surgery. Currently, around 400.000 procedures per year are performed in the United States (US) alone. To achieve the best possible result, preoperative planning is crucial. Especially if parts of the current THEP system are to be retained.
Methods: First, a ground truth based on 76 X-ray images was created: We used an image processing pipeline consisting of a segmentation step performed by a convolutional neural network and a classification step performed by a support vector machine (SVM). In total, 11 classes (5 pans and 6 shafts) shall be classified.
Results: The ground truth generated was of good quality even though the initial segmentation was performed by technicians. The best segmentation results were achieved using a U-net architecture. For classification, SVM architectures performed much better than additional neural networks.
Conclusions: The overall image processing pipeline performed well, but the ground truth needs to be extended to include a broader variability of implant types and more examples per training class.
Glioblastomas are the most aggressive fast-growing primary brain cancer which originate in the glial cells of the brain. Accurate identification of the malignant brain tumor and its sub-regions is still one of the most challenging problems in medical image segmentation. The Brain Tumor Segmentation Challenge (BraTS) has been a popular benchmark for automatic brain glioblastomas segmentation algorithms since its initiation. In this year, BraTS 2021 challenge provides the largest multi-parametric (mpMRI) dataset of 2,000 pre-operative patients. In this paper, we propose a new aggregation of two deep learning frameworksnamely, DeepSeg and nnU-Net for automatic glioblastoma recognition in pre-operative mpMRI. Our ensemble method obtains Dice similarity scores of 92.00, 87.33, and 84.10 and Hausdorff Distances of 3.81, 8.91, and 16.02 for the enhancing tumor, tumor core, and whole tumor regions, respectively, on the BraTS 2021 validation set, ranking us among the top ten teams. These experimental findings provide evidence that it can be readily applied clinically and thereby aiding in the brain cancer prognosis, therapy planning, and therapy response monitoring. A docker image for reproducing our segmentation results is available online at (https://hub.docker.com/r/razeineldin/deepseg21).