Herausforderungen bei der Prozessunterstützung im Operationssaal: Aktivitätserfassung und Datenspeicherung als Grundlage zur Erkennung des chirurgischen Prozesses

Die aktuelle Gesundheitsversorgung ist geprägt durch eine steigende Komplexität, die durch die Verzahnung verschiedener medizinischer Bereiche und die Nutzung immer komplexerer, technisch unterstützter Behandlungsmöglichkeiten bedingt ist. Gleichzeitig stehen Kliniken und das medizinische Fachpersonal unter einem hohen Kosten- und Zeitdruck. Für das Erreichen einer optimalen Behandlung des Patienten durch minimalinvasive und mikrochirurgische Eingriffe sind zunehmend Ansätze notwendig, die auf eine Interoperabilität verschiedener Systeme setzen und die Verwendung von zusätzlichen (semi )automatischen Unterstützungssystemen ermöglichen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Herausforderungen bei der Prozessunterstützung im Operationssaal. Dabei liegt der Fokus auf der Aktivitätserfassung und Datenspeicherung als Grundlage zur Erkennung des chirurgischen Prozesses. In einem ersten Schritt wurde ein theoretisches Vorgehensmodell für die intraoperative Prozessunterstützung auf der Basis eines geschlossenen Regelkreises entwickelt. Dabei steht der chirurgische Prozess im Zentrum. In weiteren Schritten wurden ein System zur Erfassung des aktuellen Arbeitsschrittes auf Basis der vorhandenen Videodaten (z.B. Mikroskopie, Ultraschall) sowie eine zentrale Speicherlösung für den Operationssaal entwickelt. Diese zentralen Komponenten sollen es Systemen ermöglichen, während des Eingriffs Daten an die verschiedenen Nutzer bereitzustellen und diese gleichzeitig für eine spätere Dokumentation vorzuhalten. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden Ansätze zum Erreichen einer Interoperabilität von Medizingeräten und IT-Systemen im Gesundheitswesen vorgestellt, da technische Systeme neben zusätzlicher Sensorik eine wertvolle Informationsquelle für die Erfassung des aktuellen Prozesses im Operationssaal darstellen. Im Rahmen der Arbeiten des Projektes OR.NET (BMBF, 2012-2016) wurde mit der IEEE 11073-SDC-Standardfamilie eine Möglichkeit zur offenen Vernetzung geschaffen. Konzeptionell integriert werden die Systeme durch eine Beschreibung von Mehrwertdiensten von der einfachen Anzeige von Geräteparametern bis hin zur Teilautomatisierung von technischen Arbeitsschritten auf Basis des Kommunikationsstandards IEEE11073-SDC. Diese wurden basierend auf dieser Basistechnologie gemeinsam mit verschiedenen Projektpartnern entwickelt und mit Klinikern und Klinikbetreibern evaluiert. Die Ergebnisse der Evaluation zeigen, dass durch eine syntaktische und semantische Interoperabilität neue, nutzbringende Funktionen umgesetzt und die Arbeit der verschiedenen Nutzergruppen im Gesundheitssystem effektiv unterstützt werden können.:Inhalt Abstract Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation für diese Arbeit 1.2 Zielsetzung der Arbeit 2 Grundlagen der Arbeit 2.1 Aktuelle Operationssäle 2.2 Prozessunterstützung 2.2.1 Workflow und Prozessmodellierung 2.2.2 Workflow in der Medizin 2.2.3 Kontextsensitive Systeme 2.3 Klinische Anwendungsfälle im Rahmen der Arbeit 2.3.1 Intrakranielle Eingriffe am Gehirn 2.3.2 Transsphenoidale Hypophysenadenomentfernung 2.3.3 Sanierende Ohr-OP 3 Vorgehensmodell zur Prozessunterstützung 3.1 Interpretation und Action 3.2 Data analysis und Monitoring 3.3 Mögliche Herangehensweisen bei der Umsetzung einer Prozessunterstützung 4 Erfassung prozessrelevanter Daten im Operationssaal 4.1 Stand der Forschung 4.1.1 Team Assessment und Performanzüberwachung 4.1.2 OP-Dokumentation, Qualitätssicherung und Elektronische Patientenakte (EPA) 4.1.3 Workflow Recognition 4.2 Erkennung der Interaktion zwischen Medizingerät und medizinischem Personal basierend auf der Analyse von Videodaten 4.2.1 Methode 4.2.2 Evaluation 4.2.3 Diskussion 4.3 Erfassung von Informationen durch OP-Integration 4.3.1 Stand der Forschung 4.3.2 Grundlagen des Projektes OR.NET 4.3.3 Zusammenfassung 5 Datenspeicherung im Operationssaal (Surgical Data Recorder und die Erweiterungen auf Basis von OR.NET) 5.1 Surgical Data Recorder 5.1.1 Anforderungsanalyse 5.1.2 Systemkonzept 5.1.3 Evaluationsstudie 5.2 Anpassungen des Datenaufzeichnungskonzeptes im Rahmen des OR.NET-Projekts 5.3 Diskussion und Vergleich der Ansätze 6 Mehrwertdienste auf Basis einer offenen Vernetzung 6.1 Setzen von eingriffsspezifischen Informationen auf den angeschlossenen Geräten 6.2 Anzeige von Informationen im Sichtfeld des Chirurgen 6.3 Mehrwerte durch Datenintegration 6.4 Funktionen mit Nutzung von Prozessinformationen 7 Entwicklung der OP-Demonstratoren und Evaluation der implementierten Mehrwertdienste mit verschiedenen Anwendergruppen 7.1 Anforderungsanalyse für den Leipziger Demonstrator 7.2 Infrastruktur des Demonstrators 7.3 Integrationsszenarien in den Demonstratoren 7.4 Umgesetzte Mehrwertdienste im Leipziger Demonstrator 7.5 Vorgehen bei der Evaluation des Leipziger Demonstrators 7.5.1 Technische Evaluation 7.5.2 Klinische Evaluation 7.6 Ergebnisse der Evaluation 7.6.1 Technische Evaluation 7.6.2 Klinische Evaluation 7.7 Diskussion der Ergebnisse 8 Ausblick auf Weiterentwicklungen der offenen Vernetzung im Operationssaal 9 Zusammenfassung 10 Literatur 11 Anhang 11.1 Modellierung der sanierenden Ohr-OP als EPK inkl. möglicher Vernetzungsszenarien 11.2 Übersicht der umgesetzten Use-Cases im Leipziger Demonstrator 136 11.3 Fragenkatalog OP-Personal 11.4 Fragebogen Betreiber 12 Eigenständigkeitserklärung 13 Eigene Literatur 14 Danksagun

Context-awareness for control consoles in integrated operating rooms

In surgery, the possibilities of fully automatic assistance are limited. A valuable automated assistance can be implemented by realizing context-aware behaviour of control consoles in integrated operating rooms (ORs). We developed an intraoperative pipeline for surgical context interpretation and an integrated console. Based on that, we propose a method for the context-aware ranking of configuration profiles, which facilitate the handling of devices during endoscopic interventions. The method is evaluated with twenty-four simulated endoscopic ear-nosethroat (ENT) workflows. The results indicate that a continuous automatic ranking based on the surgical situation, can significantly reduce manual user interaction while the surgeon’s control is preserved

Context-aware medical technologies - relief or burden for clinical users?

The open, cross-vendor interoperability of medical devices is an enabling technology for the implementation of context-aware biomedical systems in daily clinical routine. The surgical working environment is both a valuable field of application and a particular challenge. A design of context-aware medical technologies that shows intelligent behaviour and ensures safe operation is demanding; thus implementations are yet limited to prototypes and specific surgical use cases. Many open research questions need to be addressed to empower context-aware medical systems to be a relief and not a burden for the clinical user

Closed-loop approach for situation awareness of medical devices and operating room infrastructure

In recent years, approaches for information and control integration in the digital operating room have emerged. A major step towards an intelligent operating room and a cooperative technical environment would be autonomous adaptation of medical devices and systems to the surgical workflow. The OR staff should be freed from information seeking and maintenance tasks. We propose a closed-loop concept integrating workflow monitoring, processing and (semi-)automatic interaction to bridge the gap between OR integration of medical devices and workflow-related information management

Requirement Analysis for an Aerial Relay in Emergency Response Missions

First aid of patients at the scene of an emergency requires an adequate flow of information. The publicly funded research project MOMENTUM aims at seamlessly connecting the point of care to the hospital. An unmanned aerial vehicle serving as a network relay may help in cases of limited or no mobile wireless connection, e.g. due to topographical circumstances. The aerial system may also provide situational awareness in cases of mass casualty incidents. For these two defined use-cases, safety and stability considerations are discussed, and required flight times and payloads are defined. The relay can be connected to the ground via a cable or wireless connection. It is concluded that the use-cases can be realized best when using a multicopter-either combined with a cable for independent flight times and reliable data communication or a wireless solution to mitigate the risk from the increased payload while limiting flight time. For the first option, the payload of the aircraft should be adjusted to ensure the power consumption in hover matches the power limitation of the cable

A service for monitoring the quality of intraoperative cone beam CT images

In recent years, operating rooms (ORs) have transformed into integrated operating rooms, where devices are able to communicate, exchange data, or even steer and control each other. However, image data processing is commonly done by dedicated workstations for specific clinical use-cases. In this paper, we propose a concept for a dynamic service component for image data processing on the example of automatic image quality assessment (AQUA) of intraoperative cone beam computed tomography (CBCT) images. The service is build using the Open Surgical Communication Protocol (OSCP) and the standard for Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM). We have validated the proposed concept in an integrated demonstrator OR

Silent ICU based on IEEE 11073 SDC

Patients and caregivers suffer from alarm-related noise in today’s hospitals. While this is a topic for all fields of care, this challenge is especially relevant for intensive care units (ICUs). The noise harms patients, hinders the recovery process, or can even lead to psychosis. For the caregivers, noise causes an enormous stress level and in combination with the high number of clinically irrelevant or false alarms it leads to alarm fatigue and desensitization. These problems result in documented deaths of patients. Therefore, we present a demonstrator of a Silent ICU. Based on a distributed alarm system, the medical devices at the bedside do not create any audio alarm signals, as long as a remote alarm notification system is connected and works properly. An ICU bed place consists of devices from different manufacturers. Thus, a standardized interconnection is necessary. Therefore, we use IEEE 11073 Service-oriented Device Connectivity (SDC) to create a cross-manufacturer distributed alarm system with components from three different companies. A fourth company provides a documentation system for this demonstrator. Patients and caregivers will greatly benefit from Silent ICUs and smart distributed alarm systems that will be build based on interoperable cross-manufacturer environments

Towards an integrated emergency medical care using 5G networks

The Interoperability of medical devices and IT systems using various technologies in clinics and the preclinical area is still a research topic. The MOMENTUM project deals with the new 5G mobile technology and explores how they contribute to an improvement in emergency care. Different applications, as well as various technical and clinical aspects, including IT security, are considered. Integrated emergency care seems sensible, particularly for emergencies outside of metropolitan areas and for particularly critical cases