COMPUTER-AIDED SURGICAL PLANNING AND PROCEDURES A.Schaeffer; PolyDimensions GmbH, Bickenbach

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COMPUTER-AIDED SURGICAL PLANNING AND PROCEDURES

A.Schaeffer; PolyDimensions GmbH, Bickenbach

• Technical fundamentals

• Examples

• State-of-the-Art

• Problems

• Results

• Future developments

Overview:

Technical fundamentals :

Which components are used:

• Computer system (mostly PC-Hardware)

• Specialized software (mainly CAD-software, optimized for anatomy

• Tracking devices (optical, electromagnetical, …)

• Visualization systems (2D-/3D-Displays, Head-mounted-displays)

• User Interaction (mouse, joystick, voice-control, gesture recognition)

• Interaction with patient (microinstruments, robots…)

spetra
Die zunehmende Spezialisierung und erhöhte Arbeitsbelastung in den ärztlichen Berufen führt zu erheblich verlängerten Ausbildungszeiten

Examples:

Planning of procedures from digital medical imaging data:

• Image recognition and segmentation

• Triangulation

• Visualization

spetra
Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Generation of CAD models:

© PolyDimensions GmbH, Bickenbach© Simbionix Ltd., Israel

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Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Results:

3D models of patient anatomy for planning of surgical approach

© MeVis GmbH, Bremen

Benefits:

Access to computerized calculations

• Estimation of size and localization

• Calculation of blood supply and resection lines

• 3D/Stereo-Visualization

• Use for Augmented Reality

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Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Problems and Challenges:

• Automated image recognition not yet advanced enough

• Time-consuming preprocessing

• Computer-user-interface has to be improved for use in the OR

• Skilled users are mandatory for interpretation and use of digital data

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Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Navigation in the OR:

Already in clinical use in for special procedures

• Electromagnetical

• Optical

• Ultrasound

• Others…

© BrainLAB AG, Heimstetten

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Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Benefits of navigation in the OR:

• Exact localization of anatomical structures like tumors e.g.

• Positioning of instruments

• Use for robotic surgery

• Tracking and navigation needed for Augmented Reality

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Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Problems:

• Special Precautions necessary for reliable use

• Expensive

• Still not usable for procedures on soft-tissue anatomy

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Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Real-time simulation for planning and education:

• Already standard in aviation industry:

spetra
In vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, kommen frühzeitig Simulatoren, sogar teilweise ausschließlich!, zum Einsatz, um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten, ohne den Patienten, bzw. in diesem Fall die Fluggäste und Personal zu gefährden.

Real-time simulation in medicine:

• Medical education

• Quality assurance

© Simbionix Ltd., Israel

Visualization:

• 2D-Displays

• Stereo 3D-Displays

• Head-Mounted-Displays

© PolyDimensions GmbH, Bickenbach

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Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Benefits and Problems:

• Faster overview

• Better orientation in difficult anatomy

• Real-time-interaction with computer

• Not yet commonly used technique

• Space-consuming in the OR

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Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Robots in the OR:

Growing number of clinical use

• Heart surgery

• Orthopedics, Traumatology (Implantology)

• Gynecology

• Others…

© Intuitive Surgical Inc., Sunnyvale, CA

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Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Benefits of robots in the OR:

• Precise interventions

• Can perform minimal invasive surgery

• Use for robotic surgery

• Tracking and navigation needed for Augmented Reality

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Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Problems:

• Expensive devices

• Suitable procedures must be found and surgical approach has to be optimized for robots

• Force-Feedback may be helpful in robotic surgery

• Extensive training and experience mandatory for use

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Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Future developments:

• Faster overview

• Autonomous image recognition

• Faster processing of medical data

• Better navigation

• Skilled and trained users

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Besonders in den chirurgischen Fächern, die ein hohes Mass an manuellem Geschick verlangen, werden chirurgische Fähigkeiten erst in einem sehr späten Zeitpunkt der ärztlichen Ausbildung erworben. Üblicherweise geschieht dies zwischen dem 30. und 38. Lebensjahr des Mediziners und steht in starkem Gegensatz zu vergleichbar hochspezialisierten Berufen, wie. z.B. der Pilotenausbildung, in der der Erwerb manueller Geschicklichkeit wesentlich früher geschieht um die optimale Qualität der Ausbildung zu gewährleisten.In der Chirurgie erfolgt das Erlernen einer sicheren und präzisen Operationstechnik meist ohne Zwischenschritte an Trainingsgeräten oder anderen „Dummypatienten“ von Anfang an am lebenden Patienten. Entsprechende Studien belegen die zu erwartende hohe Zahl an Komplikationen und Sterbefällen in diesem Ausbildungsstadium.

Thank you for your attention!

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