An Approach to Calculate and Visualize Intraoperative Scattered Radiation Exposure

During the intraoperative radiograph generation process with mobile image intensifier systems (C-arm) most of the radiation exposure for patient, surgeon and operation room personal is caused by scattered radiation. The intensity and propagation of scattered radiation depend on different parameters, e.g. the intensity of the primary radiation, and the positioning of the mobile image intensifier. Exposure through scattered radiation can be minimized when all these parameters are adjusted correctly. Because radiation is potentially dangerous and could not be perceived by any human sense the current education on correct adjustment of a C-arm is designed very theoretical. This paper presents an approach of scattered radiation calculation and visualization embedded in a computer based training system for mobile image intensifier systems called virtX. With the help of this extension the virtX training system should enrich the current radiation protection training with visual and practical training aspects

virtX: a CBT-system for mobile image intensifier systems to improve the radiation protection training

Hintergrund und Fragestellung: Die durch röntgentechnische Diagnoseverfahren in der Medizin entstehende Strahlenbelastung für Patient und Personal soll laut Strahlenschutzverordnung so gering wie möglich gehalten werden. Um dieses zu erreichen ist ein professioneller und bedachter Umgang mit den Röntgengeräten unabdingbar. Dieses Verhalten kann derzeit jedoch nur theoretisch vermittelt werden, da sich ein Üben mit realer Strahlung von selbst verbietet. Daher stellt sich die Frage wie man die Strahlenschutzausbildung durch eine verbesserte Vermittlung der komplexen Thematik unterstützen kann. Methoden: Das CBT-System (Computer Based Training) virtX, welches das Erlernen der korrekten Handhabung mobiler Röntgengeräte unterstützt, wurde um Aspekte aus dem Bereich des Strahlenschutzes erweitert. Es wurde eine prototypische Visualisierung der entstehenden Streustrahlung sowie die Darstellung des Nutzstrahlenganges integriert. Des Weiteren wurde die Berechnung und Anzeige der virtuellen Einfallsdosis für das durchstrahlte Volumen sowie für den Bereich des Bildverstärkers hinzugefügt. Für die Berechnung und Visualisierung all dieser Komponenten werden die in virtX parametrisierbaren C-Bogen-Einstellungen, z.B. Stellung der Blenden, Positionierung des Röntgengerätes zum durchstrahlten Volumen und Strahlenintensität, herangezogen. Das so erweiterte System wurde auf einem dreitägigen Kurs für OP-Personal mit über 120 Teilnehmern eingesetzt und auf der Basis von Fragebögen evaluiert. Ergebnisse: Von den Teilnehmern gaben 55 einen ausgefüllten Evaluations-Fragebogen ab (Responserate 82%). Das Durchschnittsalter der 39 weiblichen und 15 männlichen Teilnehmer (einer o.A.) lag bei 33±8 Jahren, die Berufserfahrung bei 9,37±7 Jahren. Die Erfahrung mit dem C-Bogen wurde von einem Teilnehmer (2%) mit „Keine oder bisher nur Einführung erhalten“, von acht Teilnehmern (14%) mit „bediene einen C-Bogen gelegentlich“ und von 46 (84%) mit „bediene einen C-Bogen regelmäßig“ angegeben. 45 (92%) der Teilnehmer gaben an, durch die Visualisierung der Streustrahlung etwas Neues zur Vermeidung unnötiger Strahlenbelastung dazugelernt zu haben. Schlussfolgerung: Trotz einer bislang nur prototypischen Visualisierung der Streustrahlung können mit virtX zentrale Aspekte und Verhaltensweisen zur Vermeidung unnötiger Strahlenbelastung erfolgreich vermittelt werden und so Lücken der traditionellen Strahlenschutzausbildung geschlossen werden.Background and objectives: The exposure of patient and personal produced by diagnostic medical X-ray techniques should be kept at a minimum according to governmental regulations like the Strahlenschutzverordnung in Germany. To achieve this, a professional and prudent use of the X-ray machine is indispensable. Currently this behavior is only taught theoretically, because training with real radiation is not an option. Therefore the question arises how the education in radiation protection can be supported by a better impartment of the complex topic. Methods: The CBT-system (computer based training) virtX, which supports the learning of the correct handling of mobile image intensifier systems, was extended by certain aspects of the radiation protection field. A prototypic visualization of the resulting scattered radiation as well as a depiction of the path of rays were integrated in the system. Furthermore the calculation and visualization of the virtual entrance dose of the transilluminated volume and of the image intensifier area were added. The calculation and visualization of all these components use the customizable c-arm adjustments, e.g. position of the apertures, adjustment of the image intensifier corresponding to the transilluminated volume and the X-ray intensity. This extended version of the virtX-system was used on a three-day course for OR personnel with over 120 participants and evaluated using questionnaires. Results: 55 of the participants returned a questionnaire (response rate 82%). The average age of the 39 female and 15 mal participants (two n.s.) was 33±8 years, their professional experience was 9,37±7 years. One person (2%) indicated, that he had “no experience in using the c-arm or just got an introduction”, eight participants (14%) indicated, that they “use the c-arm occasionally” and 46 participants (84%) “work regularly with the c-arm”. 45 (92%) of the participants indicated that they learned new things for the avoidance of unnecessary exposure through the visualization of the scattered radiation. Conclusion: Despite the up to now just prototypic visualization of the scattered radiation it was possible to impart certain aspects and behavior patterns for the avoidance of unnecessary exposure in addition to the traditional, rather theoretical education in radiation exposure prevention courses

virtX: ein Lehr- und Lernsystem für mobile Röntgengeräte zur Verbesserung der Ausbildung im Strahlenschutz

Hintergrund und Fragestellung: Die durch röntgentechnische Diagnoseverfahren in der Medizin entstehende Strahlenbelastung für Patient und Personal soll laut Strahlenschutzverordnung so gering wie möglich gehalten werden. Um dieses zu erreichen ist ein professioneller und bedachter Umgang mit den Röntgengeräten unabdingbar. Dieses Verhalten kann derzeit jedoch nur theoretisch vermittelt werden, da sich ein Üben mit realer Strahlung von selbst verbietet. Daher stellt sich die Frage wie man die Strahlenschutzausbildung durch eine verbesserte Vermittlung der komplexen Thematik unterstützen kann. Methoden: Das CBT-System (Computer Based Training) virtX, welches das Erlernen der korrekten Handhabung mobiler Röntgengeräte unterstützt, wurde um Aspekte aus dem Bereich des Strahlenschutzes erweitert. Es wurde eine prototypische Visualisierung der entstehenden Streustrahlung sowie die Darstellung des Nutzstrahlenganges integriert. Des Weiteren wurde die Berechnung und Anzeige der virtuellen Einfallsdosis für das durchstrahlte Volumen sowie für den Bereich des Bildverstärkers hinzugefügt. Für die Berechnung und Visualisierung all dieser Komponenten werden die in virtX parametrisierbaren C-Bogen-Einstellungen, z.B. Stellung der Blenden, Positionierung des Röntgengerätes zum durchstrahlten Volumen und Strahlenintensität, herangezogen. Das so erweiterte System wurde auf einem dreitägigen Kurs für OP-Personal mit über 120 Teilnehmern eingesetzt und auf der Basis von Fragebögen evaluiert. Ergebnisse: Von den Teilnehmern gaben 55 einen ausgefüllten Evaluations-Fragebogen ab (Responserate 82%). Das Durchschnittsalter der 39 weiblichen und 15 männlichen Teilnehmer (einer o.A.) lag bei 33±8 Jahren, die Berufserfahrung bei 9,37±7 Jahren. Die Erfahrung mit dem C-Bogen wurde von einem Teilnehmer (2%) mit „Keine oder bisher nur Einführung erhalten“, von acht Teilnehmern (14%) mit „bediene einen C-Bogen gelegentlich“ und von 46 (84%) mit „bediene einen C-Bogen regelmäßig“ angegeben. 45 (92%) der Teilnehmer gaben an, durch die Visualisierung der Streustrahlung etwas Neues zur Vermeidung unnötiger Strahlenbelastung dazugelernt zu haben. Schlussfolgerung: Trotz einer bislang nur prototypischen Visualisierung der Streustrahlung können mit virtX zentrale Aspekte und Verhaltensweisen zur Vermeidung unnötiger Strahlenbelastung erfolgreich vermittelt werden und so Lücken der traditionellen Strahlenschutzausbildung geschlossen werden

virtX - a computer based system for training the intrasurgical use of mobile image intensifier systems

Hintergrund und Fragestellung: Die korrekte intraoperative Positionierung und Einstellung eines mobilen Bildverstärkers (auch C-Bogen) kann zurzeit theoretisch mit Hilfe von Lehrbüchern erlernt, am Gerät selbst aber nur ohne visuelle Rückmeldung, d.h. ohne ein zur Ausrichtung korrespondierendes Röntgenbild, trainiert werden. Hieraus ergibt sich die Fragestellung, inwiefern das Training der Handhabung und richtigen Einstellung des C-Bogens in verschiedenen Operationsszenarien durch ein C-Bogen Simulationssystem als Teil eines CBT-Systems (Computer Based Training) unterstützt werden kann. Methoden: In Kooperation mit Ärzten aus Unfallchirurgie und Radiologie wurde das computer-basierte Trainingssystem virtX entwickelt. virtX kann dem Nutzer verschiedene Aufgaben zur Einstellung eines C-Bogens stellen und die Ausführung und das Ergebnis bewerten. Die Aufgaben können mit Hilfe eines Autorensystems erstellt und vom Trainierenden in verschiedenen Modi erfüllt werden: im rein virtuellen Modus oder im kombinierten virtuell-realen Modus. Im rein virtuellen Modus steuert der Nutzer den virtuellen C-Bogen in einem virtuellen OP-Saal mittels einer grafisch-interaktiven Benutzungsoberfläche. Im virtuell-realen Modus hingegen wird die Ausrichtung eines realen C-Bogens erfasst und auf den virtuellen C-Bogen übertragen. Während der Aufgabenerfüllung kann der Benutzer zu jeder Zeit ein realitätsnahes, virtuelles Röntgenbild erzeugen und dabei alle Parameter wie Blendenstellung, Röntgenintensität, etc. wie bei einem realen C-Bogen steuern. virtX wurde auf einem dreitägigen Kurs für OP-Personal mit 120 Teilnehmern eingesetzt und auf der Basis von Fragebögen evaluiert. Ergebnisse: Von den Teilnehmern gaben 79 einen ausgefüllten Evaluations-Fragebogen ab. Das Durchschnittsalter der 62 weiblichen und 15 männlichen Teilnehmer (zwei o.A.) lag bei 34 ± 9 Jahren, die Berufserfahrung bei 8,3 ± 7,6 Jahren. 18 Personen (23%) gaben an, gelegentlich mit einem C-Bogen zu arbeiten, 61 (77%) arbeiteten regelmäßig damit. Über 83% der befragten Teilnehmer empfanden virtX als eine sinnvolle Ergänzung zur herkömmlichen Ausbildung am C-Bogen. Das virtuelle Röntgen wurde mit einer Zustimmung von 91% der befragten Teilnehmer als besonders wichtig für das Verständnis der Arbeitsweise eines C-Bogens beurteilt. Ebenso erhielt der kombinierte virtuell-reale Modus mit 84% Zustimmung einen vergleichsweise hohen Stellenwert. Schlussfolgerung: Die Befragung zeichnet ein positives Bild der Akzeptanz des virtX-System als substanzielle Ergänzung zur herkömmlichen Ausbildung am C-Bogen.Background and objectives: Currently the correct intrasurgical positioning and adjustment of mobile X-ray image intensifiers (C-arm) can be learned theoretically through the use of textbooks, the practical training with the device itself suffers from the lack of visual feedback, i.e. radiographs corresponding to the adjustment of the C-arm. This leads to the question, whether the training of correct operation and adjustment of a C-arm in different operation scenarios can be supported by a C-arm simulation system being part of a CBT system (Computer Based Training). Methods: In co-operation with physicians from accident surgery and radiology the computer-based training system virtX was developed. virtX confronts the user with different exercises of C-arm adjustment and evaluates their execution and the results. These tasks can be created with the help of an authoring tool and can be accomplished by the trainee in different modes: a pure virtual mode and a combined virtual-real mode. In the pure virtual mode the user controls the virtual C-arm in a virtual operating theatre via the graphic-interactive virtX user interface. In the virtual-real mode however the position and orientation of a real C-arm are detected and mapped onto the virtual C-arm. At any time during the completion of an exercise the user can produce a close-to-reality, virtual radiograph and can control all parameters, like the positions of the apertures, X-ray intensity, etc. virtX was used on a three-day course for OR personnel with 120 participants and evaluated using questionnaires. Results: 79 of the participants returned a questionnaire. The average age of the 62 female and 15 male participants (two n.s.) was 34 ± 9 years, their professional experience was 8.3 ± 7.6 years. 18 persons (23%) indicated to work occasionally with a C-arm, 61 (77%) worked regularly with it. Over 83% of the interviewed participants considered virtX a useful addition to the conventional C-arm training. With an acceptance of 91% of the participants the virtual radiography was judged particularly important for understanding C-arm functioning. With 84% acceptance the combined virtual-real mode also got a comparatively high rating. Conclusion: The evaluation results show a high degree of acceptance of the virtX system as a substantial enhancement of conventional C-arm training