Digitale Zwillingsreproduktion einer Wirbelsäulenoperation: Ein Machbarkeitsnachweis

Główne pojęcia

Wir präsentieren einen Machbarkeitsnachweis für die Digitalisierung einer Wirbelsäulenoperation, der eine hochgenaue, modulare und vollständige virtuelle Repräsentation der gesamten Operationsszene ermöglicht.

Streszczenie

In dieser Arbeit beschreiben wir einen Machbarkeitsnachweis für die Digitalisierung einer Wirbelsäulenoperation. Unser Ansatz kombiniert verschiedene Sensortechnologien, um eine detaillierte und realistische virtuelle Repräsentation der gesamten Operationsszene zu erstellen.
Zunächst erfassen wir mithilfe eines Laserscanners eine hochgenaue 3D-Punktwolke des Operationssaals, die als Referenzrahmen für die Integration aller anderen Komponenten dient. Anschließend rekonstruieren wir die statischen Elemente wie den Operationstisch und die Anatomie des Patienten mittels Photogrammetrie. Für die dynamischen Elemente, wie den Chirurgen und das Operationsinstrument, verwenden wir Bewegungserfassungssysteme basierend auf RGB-D-Kameras und einem markergestützten Trackingsystem.
Die so gewonnenen Daten werden in einem gemeinsamen, zeitlich konsistenten 3D-Modell zusammengeführt. Dieses digitale Zwillingsmodell erfüllt die Kriterien der Genauigkeit, Explizitheit, Modularität und Vollständigkeit. Es kann für verschiedene Anwendungen wie Ausbildung, Planung und Automatisierung von Operationen eingesetzt werden.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Digitalisierung von Operationen mithilfe modernster Sensortechnologien und Datenverarbeitungsmethoden möglich ist. Allerdings erfordert die Generierung dieses digitalen Zwillings noch einen erheblichen manuellen Aufwand. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, diesen Prozess zu automatisieren und die Repräsentation um weitere Modalitäten wie Patientenvitalwerte oder Operationsberichte zu erweitern.

Statystyki

Die Registrierungsfehler der Laserscan-Fusion betragen im Durchschnitt 6,84 mm für den RMSE-Fehler und 4,10 mm für den Chamfer-Abstand.
Die durchschnittlichen Rückprojektionsfehler der Kalibrierung und Synchronisierung der RGB-D-Kameras liegen bei 0,80 Pixeln.
Der Registrierungsfehler zwischen den Laserscan-Daten und dem photogrammetrischen Modell beträgt 6,72 mm für den Chamfer-Abstand.

Cytaty

"Wir präsentieren einen Machbarkeitsnachweis für die Digitalisierung einer Wirbelsäulenoperation, der eine hochgenaue, modulare und vollständige virtuelle Repräsentation der gesamten Operationsszene ermöglicht."
"Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Digitalisierung von Operationen mithilfe modernster Sensortechnologien und Datenverarbeitungsmethoden möglich ist."

Kluczowe wnioski z

Creating a Digital Twin of Spinal Surgery

by Jona... o arxiv.org 03-26-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.16736.pdf

Głębsze pytania

Wie könnte ein digitaler Zwilling für Operationen in Echtzeit aktualisiert werden, um Änderungen in der Patientenanatomie oder unvorhergesehene Ereignisse während des Eingriffs widerzuspiegeln?

Um einen digitalen Zwilling für Operationen in Echtzeit zu aktualisieren und Änderungen in der Patientenanatomie oder unvorhergesehene Ereignisse während des Eingriffs widerzuspiegeln, könnten verschiedene Ansätze verfolgt werden.

Echtzeit-Bildgebung und Sensoren: Durch den Einsatz von Echtzeit-Bildgebungstechnologien wie CT, MRI oder intraoperativer Bildgebung können aktuelle Informationen zur Patientenanatomie erfasst werden. Zusätzlich können Sensoren im Operationssaal Daten zu vitalen Parametern des Patienten liefern.

Kontinuierliche Datenfusion: Die kontinuierliche Fusion von Daten aus verschiedenen Quellen wie Bildgebung, Sensoren und Tracking-Systemen ermöglicht eine fortlaufende Aktualisierung des digitalen Zwillings. Durch Algorithmen zur Datenfusion können Änderungen in Echtzeit integriert werden.

Machine Learning und KI: Durch den Einsatz von Machine Learning und Künstlicher Intelligenz können Muster und Trends in den Daten erkannt werden, um vorherzusagen, wie sich die Patientenanatomie entwickeln könnte. Dies ermöglicht eine proaktive Aktualisierung des digitalen Zwillings.

Interaktive Schnittstellen: Chirurgen könnten interaktive Schnittstellen nutzen, um während des Eingriffs manuell Änderungen an der digitalen Repräsentation vorzunehmen. Dies könnte beispielsweise durch Gestensteuerung oder Sprachbefehle erfolgen.

Durch die Kombination dieser Ansätze könnte ein digitaler Zwilling für Operationen in Echtzeit kontinuierlich aktualisiert werden, um die aktuellen Bedingungen während des Eingriffs genau widerzuspiegeln.

Welche ethischen Überlegungen müssen bei der Entwicklung und Verwendung von digitalen Zwillingen für Operationen berücksichtigt werden, insbesondere im Hinblick auf Datenschutz und Patientenrechte?

Bei der Entwicklung und Verwendung von digitalen Zwillingen für Operationen sind verschiedene ethische Überlegungen zu berücksichtigen, insbesondere im Hinblick auf Datenschutz und Patientenrechte:

Datenschutz und Datensicherheit: Es ist entscheidend, sicherzustellen, dass die erhobenen Gesundheitsdaten der Patienten sicher und geschützt sind. Die Daten sollten anonymisiert und verschlüsselt werden, um die Privatsphäre der Patienten zu wahren.

Einwilligung und Aufklärung: Patienten müssen über die Verwendung ihrer Daten für die Erstellung des digitalen Zwillings informiert werden. Es ist wichtig, dass die Patienten ihre Einwilligung geben und verstehen, wie ihre Daten verwendet werden.

Transparenz und Nachvollziehbarkeit: Es sollte transparent kommuniziert werden, wie der digitale Zwilling erstellt wird, welche Daten verwendet werden und zu welchen Zwecken. Patienten sollten das Recht haben, ihre Daten einzusehen und zu überprüfen.

Verantwortung und Haftung: Bei der Verwendung von digitalen Zwillingen in der medizinischen Praxis ist es wichtig, die Verantwortlichkeiten und Haftungsfragen klar zu regeln. Es muss geklärt werden, wer für die Genauigkeit der Daten und die Interpretation der Ergebnisse verantwortlich ist.

Ethikkommissionen und Regulierungsbehörden: Die Entwicklung und Nutzung von digitalen Zwillingen für Operationen sollte von Ethikkommissionen und Regulierungsbehörden überwacht werden, um sicherzustellen, dass ethische Standards eingehalten werden.

Durch die Berücksichtigung dieser ethischen Aspekte kann sichergestellt werden, dass digitale Zwillinge für Operationen im Einklang mit den Datenschutzbestimmungen und den Rechten der Patienten entwickelt und eingesetzt werden.

Wie könnte ein digitaler Zwilling für Operationen mit Simulationsmodellen der Biomechanik und des Verhaltens des menschlichen Körpers integriert werden, um die Vorhersagekraft und Genauigkeit des digitalen Zwillings weiter zu verbessern?

Die Integration von Simulationsmodellen der Biomechanik und des Verhaltens des menschlichen Körpers in einen digitalen Zwilling für Operationen kann die Vorhersagekraft und Genauigkeit des digitalen Zwillings erheblich verbessern. Hier sind einige Möglichkeiten, wie dies erreicht werden könnte:

Patientenspezifische Modelle: Durch die Erstellung patientenspezifischer biomechanischer Modelle, die die individuelle Anatomie und Gewebeparameter berücksichtigen, kann der digitale Zwilling präzisere Vorhersagen über die Reaktion des Körpers auf den Eingriff treffen.

Echtzeit-Simulation: Die Integration von Echtzeit-Simulationsmodellen ermöglicht es, während des Eingriffs kontinuierlich die Auswirkungen von chirurgischen Maßnahmen zu simulieren. Dies kann Chirurgen dabei unterstützen, fundierte Entscheidungen zu treffen und potenzielle Komplikationen vorherzusehen.

Verhaltensmodelle: Durch die Einbeziehung von Verhaltensmodellen des menschlichen Körpers, z.B. Bewegungsmuster von Organen oder Geweben, können realistischere Simulationen erstellt werden. Dies trägt zur Verbesserung der Genauigkeit des digitalen Zwillings bei.

Feedback-Schleifen: Die Nutzung von Simulationsmodellen ermöglicht es, Feedback-Schleifen zu implementieren, bei denen die Ergebnisse der Simulation zur Anpassung des digitalen Zwillings verwendet werden. Auf diese Weise kann der digitale Zwilling kontinuierlich verbessert und optimiert werden.

Validierung und Kalibrierung: Die Simulationsmodelle sollten regelmäßig validiert und kalibriert werden, um sicherzustellen, dass sie die tatsächlichen Bedingungen im Operationssaal genau widerspiegeln. Dies trägt zur Verbesserung der Vorhersagekraft des digitalen Zwillings bei.

Durch die Integration von Simulationsmodellen der Biomechanik und des Verhaltens des menschlichen Körpers kann ein digitaler Zwilling für Operationen zu einem leistungsstarken Werkzeug werden, das Chirurgen dabei unterstützt, präzise und sichere Eingriffe durchzuführen.