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Title: Augmented reality in minimally invasive partial nephrectomy
Author(s): Joeres, Fabian
Referee(s): Hansen, ChristianLook up in the Integrated Authority File of the German National Library
Granting Institution: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Informatik
Issue Date: 2021
Extent: xiii, 171 Seiten
Type: HochschulschriftLook up in the Integrated Authority File of the German National Library
Type: Doctoral thesis
Exam Date: 2021
Language: English
URN: urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-635988
Subjects: Computersimulation
Chirurgie
Abstract: Die laparoskopische und robotergestützte Chirurgie bietet diverse klinische Vorteile für Patientinnen und Patienten. Hierbei spielen insbesondere die kleineren Wunden und das insgesamt geringere chirurgische Trauma eine Rolle. Dabei enstehen neue und zusätzliche physische und kognitive Herausforderungen für Chirurginnen und Chirurgen. Das Forschungsfeld der computerassistierten Chirurgie versucht unter anderem, Chirurginnen und Chirurgen bei diesen zusätzlichen Herausforderungen zu unterstützen. Die minimalinvasive Nierenteilresektion ist eine Operation, die von diesen Herausforderungen betroffen ist und die aufgrund ihrer chirurgischen Komplexität nur von spezialisierten und erfahrenen chirurgischen Urologinnen und Urologen durchgeführt werden kann. Ziel der minimalen Nierenteilresektion ist die laparoskopische oder robotergestützte Resektion von Nierentumoren unter Erhaltung einer möglichst hohen Nierenfunktion. In den letzten Jahrzehnten ist eine Vielzahl von Forschungsarbeiten in der computerassistierten, minimalinvasiven Chirurgie erstellt worden. Viele dieser Arbeiten nutzen augmentierte Realität (AR), um intraoperativ relevante Informationen zur Verfügung zu stellen. Diese Ansätze haben zum Ziel, die entsprechende Operation sicherer, effektiver oder effizienter zu machen. Dabei fokussiert sich die Mehrheit dieser Arbeiten auf technische Systemaspekte, wie etwa die Genauigkeit und Zuverlässigkeit chirurgischer AR-Systeme. Allerdings stellt die nutzerzentrierte Betrachtung solcher Systeme eine Voraussetzung für die Entwicklung sicherer und effektiver chirurgischer Assistenzsysteme dar. Diese Dissertation führt eine nutzerzentrierte Untersuchung der folgenden übergreifenden Forschungsfrage durch: Wie kann AR-Navigation die chirurgische Behandlung von Nierentumoren unterstützen? Die erste Frage, die sich in diesem Kontext stellt, ist: Welche zusätzlichen Informationen braucht die Chirurgin oder der Chirurg? Daher nutzt diese Dissertation die minimalinvasive Nierenteilresektion als beispielhafte Fallstudie für die folgende zweite Forschungsfrage: Kann eine gezielte Untersuchung der Informationsbedürfnisse neue Forschungsfelder für die chirurgische Navigationsassistenz eröffnen? Zu diesem Zweck wurden die Informationsbedürfnisse, die während der minimalinvasiven Nierenteilresektion auftreten, mit Methoden der kognitiven Aufgabenanalyse untersucht. Die Ergebnisse wurden mithilfe eines systematischen Literaturreviews mit dem aktuellen Forschungsstand verglichen. In diesen Analysen wurden drei chirurgische Phasen der minimalinvasiven Teilresektion identifiziert, die besonders von AR-Assistenz profitieren können: Die Präparation und Versorgung der Nierenblutgefäße vor der Tumorresektion, die Tumorresektion selbst und die Versorgung der Resektionswunde. In dem systematischen Literaturreview wurden keine dedizierten Lösungen für die Assistenz während der Resektionswundenversorgung gefunden. Während dieser Phase treten einige spezielle technologische Herausforderungen für die Entwicklung von AR-Systemen auf. Im Rahmen dieser Dissertation wurden daher ein AR-Registrierungsprozess für diese Phase, sowie allgemeine interaktive Registrierungsmethoden für laparoskopische AR entwickelt. Zusätzlich wurde ein interaktives, audiovisuelles AR-Konzept für die Navigation während der Resektionswundenversorgung entwickelt. Diese Lösungskonzepte wurden im Rahmen früher Forschungsprototypen implementiert und in laborbasierten Nutzerstudien getestet. Die in dieser Dissertation berichteten Arbeiten eröffnen ein neues Anwendungsfeld für AR-Navigation in der minimalinvasiven Nierenteilresektion und stellen Lösungskonzepte für diese Anwendung vor. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um diese Lösungskonzepte in einem weiterentwickelten Assistenzsystem zu integrieren und dieses, letztendlich, zum Wohle von Patientinnen und Patienten einsetzbar zu machen.
Laparoscopic or robot-assisted surgery bears great clinical benefits for the patients due to their minimal invasiveness and the associated reduced surgical trauma. However, they can be taxing for the operating surgeon and introduce additional physical and cognitive challenges. The field of surgical computer assistance aims to alleviate these challenges. One operation that is a ected by these challenges and that is, due to its surgical complexity, limited to specialised and experienced surgical urologists, is laparoscopic / robot-assisted partial nephrectomy (LRPN). LRPN describes the minimally invasive resection of kidney tumours while preserving as much healthy kidney tissue as possible. A wide range of research has been conducted on computer assistance in minimally invasive surgery (including LRPN) over the past few decades. Many of these research approaches use augmented reality (AR) to provide surgeons with intraoperative information in convenient ways. These computer assistance approaches aim to make the surgery safer, more e ective, more e cient, or to reduce the surgeon's workload. The majority of this research focuses on technological aspects, such as the accuracy and reliability of surgical augmented reality (AR) systems. However, user-centred considerations have been shown to be essential in creating safe and e ective computer assistance solutions. The work reported in this dissertation takes a user-centred approach to the overall research question: How can AR navigation aid the surgical treatment of kidney cancer? The first question to be asked in this context is, what information does the surgeon need. Thus, this dissertation uses LRPN as a case study example for its second overall research question: can a dedicated investigation of information needs advance novel research areas for surgical navigation assistance? These information needs that arise during LRPN were investigated with cognitive task analysis methods. The results were compared against the field's state of the art by means of a systematic literature review. These analyses revealed three surgical phases that can particularly benefit from AR assistance: the management of renal vessels before the tumour resection, the tumour resection itself, and the repair of the resection wound. No dedicated assistance concepts for the third phase could be identified. A number of specific technological challenges for AR systems arise during this phase. Therefore, this dissertation introduces a registration work ow and interactive registration techniques that may be useful for AR assistance during the resection wound repair. Moreover, an interactive, audiovisual AR prototype has been developed. These solution concepts were implemented in early-stage prototypes and evaluated in laboratory-based user studies. The work reported in this dissertation revealed a novel application for AR assistance in LRPN and early-stage solution concepts were generated for this application. Further work is required to mature these concepts into an integrated surgical assistance system and, ultimately, introduce them to the patient.
URI: https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/63598
http://dx.doi.org/10.25673/61647
Open Access: Open access publication
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