MED:IS - Medical Imaging System

MED:IS

PERSPEKTIVEN FORMULIEREN

WS 14 15 ARMIN WARNECKE Navigations-System für Operationen

2. Semester MA 15. October 2014 - 27. February 2015 Medical Design - Industriedesign Muthesius University of Fine Arts and Design

Supervision: Prof. Detlef Rhein Dipl. Des. Burkhard Peters

MED:IS

WS 14 15

MEDICAL IMAGING SYSTEM

MED:IS ist ein für Gehirntumorentfernungen (Transnasale Endoskopische Tumorresektion) entworfenes Anzeigewerkzeug nah am Kopf des Patienten, dass es Chirurgen ermöglicht während eines Eingriffs die Echtzeit-3D-Simulation der Operation sowie die vom Endoskop gelieferten Bilder im Zentrum der Aktion visuell zu erfassen.

Operationen

werden

heutzutage,

mit

erfassten

Datensätzen des Patienten, virtuell geplant. MED:IS befähigt Chirurgen die virtuell erzeugten Prozesse während des Eingriffs besser nutzen zu können.

Die These dieses Projekts ist ein verbesserter Operationsprozess und eine Steigerung der Präzision durch die Anwendung eines neuartigen Displays.

MED:IS is a specialized imaging concept for trans nasal

tumor

removal

surgeries

which

enables

surgeons to navigate the brain more precise by displaying its structure in relation to the tool on a 3D-Display located around the patients head.

A tumor removal surgery is usually a well planned operation.

Countless

image

based

diagnosises

and analysis processes have lead up to the actual surgery. This big data can now help plan the surgery movements in advance as well as guide the surgeon during the surgery process.

The improvement of the surgery process as well as an increased accuracy through a new kind of display and interface is the key thesis of this project.

INHALT

1 2 3 4 5 6 7

WO LIEGT DAS PROBLEM

06

Minimalinvasive Operationen zwingen Chirurgen dazu ihre Aufmerksamkeit auf Aktionsbereich und Informationsbereich (Bildschirme) zu teilen.

TECHNOLOGIE-INSPIRATION

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Welche inspirierenden Technologien sind in der Entwicklung oder Testphase? Neuen Technologien eine Perpektive geben

LÖSUNGSANSÄTZE / IDEEN

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Wie bekomme ich die Informationen in den Aktionsbereich?

Was braucht es, um die Aktionsfreiheit mit Informationen zu bereichern und nicht zu behindern?

PRODUKT KONZEPTION

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Ausformulierung der Ideen in Produktentwürfe und Interaktionskonzepte Wie weit reicht eine physische Produktlösung?

IMPLEMENTIERUNG

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Wie kommen das Entworfenen Konzept und ein Operationstisch zusammen? Welchen Anfroderungskatalog bringt der OP-Tisch mit sich?

INTERFACE KONZEPTION

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Herausforderung; die unterschiedlichen Informationen zweier Bildschirme auf einem Display zu vereinen.

EINFLUSS AUF DEN KONTEXT Welche kontextuellen Veränderung bringt die Implemtierung eines neuen bildgebenden Werkzeugs in den Operationskontext mit sich?

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06

1 WO LIEGT DAS PROBLEM?

Das medizinische Arbeitsumfeld wurde besonders im

Das minimalinvasive Vorgehen ist bekannt, die posi-

Operationssaal in den letzten Jahren vermehrt mit

tiven Aspekte auch, doch nicht die, für maximale

Robotern „bereichert“.

Aufmerksamkeit auf den Aktionsbereich „Kopf“,

Abgesehen von Gerüchten über dennoch auftre-

problematischen Eigenschaften von minimalinvasiven

tende Komplikationen gibt es Operationen, die,

Anzeigesystemen – die Aufteilung der Aufmerksam-

aufgrund der geringen Aktionsfläche und hohen

keit in zwei Bereiche.

Präzisionsanforderungen, von Menschenhand durch-

Informationen über das eigene Handeln werden

geführt werden müssen.

fernab vom Handlungsbereich zur Verfügung gestellt,

Ein Beispiel für solche Operationen ist die transna-

wodurch Chirurgen gezwungen sind ihre Bewegun-

sale Tumorresektion. Durch die Nase des Patienten

gen anhand des isolierten Bildschirmbildes, ohne

wird der Tumor minimalinvasiv behandelt / entfernt.

Kontext des realen Kopfes, durchzuführen.

Wie wäre es, wenn Informationen und Aktionen im selben Blickfeld sichtbar wären?!

Informationsbereich

Aktionsbereich

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1

2

3

4

5

6

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WIE FUNKTIONIERT DER KONTEXT?

F체r die Auseinandersetzung mit dem Epizentrum der Interaktionen, die hier verbessert werden sollen, ist ein Grundverst채ndnis f체r den Kontext, in den diese Interaktionen

eingebettet

sind,

von

essentieller

Bedeutung. Da der physische Eingriff nur ein Teil einer Kette von Vorbereitungen und Nachbereitungen ist, wird hier kurz die Gesamtsituation beleuchtet.

1

Runner

2

An채sthesist

3

Chirurgische Assistenz

4

Chirurg

5

Monitore / Informationen

6

Steriler Bereich

HUMANITY IS ACQUIRING ALL THE RIGHT TECHNOLOGY FOR ALL THE WRONG REASONS.

Richard Buckminster Fuller, Architekt / Visionär

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2 INSPIRATION

WIE KÖNNEN NEUE TECHNOLOGIEN DEN BEREICH POSITIV BEEINFLUSSEN? Neue Technologien entstehen meist durch einen

“3DP is identified to cost-effectively lower

Bedarf und die damit einhergehende Entwick-

manufacturing inputs and outputs in markets

lung, oder in der Forschung mit allgemeineren

with low volume, customized and high-value

Bedürfnissen. Drei Technologien, die teils noch

production chains as aerospace and medical

am Rande der Markttauglichkeit stehen, inspirier-

component manufacturing.”

ten dieses Projekt.

ScienceDirect, 2014

13

„The technology for true 3D display of

„Transparent films containing carbon nanobuds

electronic information is available today.“

(molecular tubes of carbon with ball-like appendages) could turn just about any surface,

seetrue3d.com, 2015

regardless of its shape, into a touch sensor.“ MIT Tech Review, 2014

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3 IDEENFINDUNG

Wie bekommt man die nötigen Informationen in den

Die zu Beginn identifizierten Technologien spielen

Aktionsbereich?

eine große Rolle in der gestalterischen Annäherung an Lösungsvarianten, da Alle eine noch nie dagewe-

Was braucht ein Produkt/eine Leistung, um die Akti-

sene Freiheit der Formgebung zulassen.

onsfreiheit mit Informationen zu bereichern und nicht

Die Analyse von peripheren Prozessen zum Hand-

zu behindern?

lungsbereich und Handbewegungen des Chirurgen ergab eine Fokussierung der Aktionen im Bereich der Nase des Patienten. Der restliche Kopf bleibt, bis auf die Fixierung, unberührt.

3D-Druckverfahren sind eine immer günstiger werdende Methode der Produktion von hoch individualisierten Objekten, wie der Kopfhalterung / Fixierung in Operationen

Eine Displaytechnologie, die es einer verteilt stehenden Gruppe von Menschen ermöglicht den angezeigten Content aus der jeweiligen Perspektive zu betrachten.

Mit Nanobuds können auch nicht linear verformte Oberflächen zu einem Touch-Interface werden, zum Beispiel ein sphärisches Display am Kopf des Patienten.

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4 ENTWURFSPHASE

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1

Der Fuss der Liege ist so gestaltet, dass er den Anforderungen, die vom Prozess an ihn gestellt werden, erfüllt. Die Individualisierung des Arbeitsplatzes des Arztes manifestiert sich als höhenverstellbarer Sockel und seitlich bewegliche Funktion der Liege. Die absolute Schwingungsneutralität wird hier mit einer großen Auflagefläche und Dämpfern im Sockel gelöst.

2

Handgelenk / Armauflage

3

Display

4

2-teilige Kopfstütze

5

Ausziehbarer Arm

6

Liegenpolster, abnehmbar

7

Halte-Schiene oder Normschiene

8

steriler Bereich

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4 5 1

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5 IMPLEMENTIERUNG

6

7

8

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DER SETUP-PROZESS

Analog wird das Display am Arm auf den richti-

1

gen Abstand geführt 2/3

Die Handauflage für den Chirurg und seinen

Nun ist genug Platz für das vorläufige Platzie-

Assistent wird nun über dem Patienten in Posi-

ren der Kopfhalterung

tion gebracht.

Der Patient wird auf den Tisch transferriert

4

nun fest um den Kopf des Patienten gespannt.

5

6

Die MED:IS-Hardware ist in Position, kann aber

und die Kopfhalterung in die richtige Position

vom Chirurgen, nach Bedarf, noch fein justiert

gebracht. Die 3D-gedruckte Halterung wird

werden.

1

2

3

4

5

6

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ARBEITSPLATZ - INDIVIDUALISIERUNG

Die Operationsliege ist an die jeweiligen Chirurgen und Patienten anpassbar. Auf diese Weise kann jeder Chirurg sich die optimale Arbeitsposition einrichten, was gerade bei längeren Eingriffen sowohl die KÜrper - als auch die Handhaltung angenehmer macht.

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DIE FIXIERUNG DES KOPFES

Der Kopf des Patienten muss unbedingt fest und unbeweglich eingespannt werden, damit der Chirurg seinen Eingriff durchführen kann. Heutige Fixierungslösungen sind zum Teil schon individualisiert, allerdings noch nicht in der Hirnoperation. Hier werden immer noch Schrauben in die Schädeldecke geschraubt. Mit heutigen 3D-Druckmethoden können stabile, sichere Vorichtungen günstig und individualisiert gefertigt werden.

Daten des Patienten erfassen

Kopf und Schultern scannen

Digitales 3D-Modell erstellen

Kopfstütze ausdrucken

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1

2

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Die auf den vorigen Seiten angesprochene Kopfhal-

Schale, angepasst an die schon bestehenden Daten-

terung ist essentiell für die Präzison und somit auch

sätze der Kopfform wird in zwei Hälften um den Kopf

den Erfolg der Operation.

des Patienten und in die Schnittstelle zum Tisch

Die hier formulierte Perspektive für den Operations-

platziert – durch die Individualisierung eine 100%ig

saal der Zukunft nimmt sich der Konsequenzen der

passende Fixierung. (2) 2

Produktimplementierung an und präsentiert Ideen zur Lösung und Weiterentwicklung. Abgesehen von der Arm- und Handstütze für Chirurgen (1) 1 gibt MED:IS auch eine mögliche Lösung für die noninvasive Fixierung von Patienten. Eine 3D-gedruckte

28

6 EIN NEUES INTERFACE

Optischer Scanner

Positionsmarker

Operations-

am Patienten

Besteck

Patientenposition

Kopfposition

Tumor-

Aktuelle

3D-Navigation

Fixierung des

erfassen

erfassen

entfernung

Informationen

des Gehirns

Patienten

MĂśglicherweise

Kombination von

Muss under das

auch Kontrolle

Daten und Feeds

Display passen

des Displays

Display

Daten

Edelstahlschrauben in der Schädeldecke

29

Bestehende Systeme der minimal invasiven Opera-

nenten. Wie zum Beispiel die Kopfhalterung. Die

tionstechniken fokussieren sich auf das virtuelle

bis heute verwendeten, invasiven Methoden würden

Echtzeit-Monitoring der Operationen. Anhand beste-

schon wegen ihrer Ausmaße nicht unter ein nah am

hender Datensätze der Operation vorangegangener

Kopf des Patienten liegendes Display passen.

Diagnosen und Planungen kann eine virtuelle, dreidi-

Das Werkzeug, Operationsbesteck, kann die das

mensionale Simulation des Gehirn inklusive der exak-

Interface bedienende Instanz werden, da es sich zu

ten Position des Werkzeugs erstellt werden.

jeder Zeit in der Hand des Chirurgen befindet. Um eine ganzheitliche Lösung für ein Problem zu finden

Diese Systeme setzen sich aus mehreren Komponeten zusammen, die im Raum verteilt ihren Aufgabenbereichen zugewiesen sind. Mit der Einführung einer Neuerung auch nur einer Komponente hat es potentiell Auswirkungen auf alle anderen Systemkompo-

müssen Kontext und Entwurf aufeinander zu gehen.

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Bild: http://windows10wall.com

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INFORMATIONEN SO FLEXIBEL UND ADAPTIV WIE DER MENSCHLICHE

KÖRPER

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WER BRAUCHT WELCHE INFOS? Der Chirurg und der Assistent benötigen für ihre Arbeit andere Informationen als der Anästhesist. Trennung der Informationen für Klarheit auf einem Display.

Snapshot machen Video aufnehmen

HIRARCHISIERUNG DER INFORMATIONEN Die große Mehrzahl an Operationen verläuft ohne Komplikationen. Die vitalen Werte und alle anderen Relevanten Daten werden bei normalen Werten „verstaut“ und leuchten beim verlassen des normalen Bereichs sichtbar auf.

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EIN NEUES INTERFACE

Die Informationen über die Position des Werkzeugs in Relation zum Gehirn und dem zu entfernenden Tumor werden bisher auf einem Bidlschirm angezeigt, die Bilder des Endoskops auf einem Anderen.

Konsequent alle Informationen in das Zentrum der Aktionen zu implementieren bedeutet auch die vorher getrennten Informationen intelligent zu verbinden, da beide Informationen essentiell für den Verlauf der Operation sind. Eine noch so präzise Planung am Computer muss eventuell durch natürliche Umstände während der Operation variiert werden.

Glass

Display

Nanobuds

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7 KONTEXTANPASSUNG

Kontextuelle Anpassungen liegen nicht nur im offensichtlichen, objekthaften, sondern auch in der den Aktionsbereich umgebenden Informationsvermittlung.

Sowohl Anästhesisten als auch Assistenten in zweiter Reihe sind bessere Helfer, wenn sie genau wissen was zu welchem Zeitpunkt gemacht und geplant wird.

So ist in dieser Darstellung der Perspektive für Operationssäle auch die Informationsweitergabe berücksichtigt, die sich an den Wänden, frei dem User der Infromationen, anordnen lässt. Display-Folie und Touch-Sensorik hierfür gibt es schon lange.

KONSEQUENZEN FORMULIERTER LÖSUNGEN RADIKAL ZUENDE DENKEN

MED:IS

“I DON’T EXPECT TO GET YESTERDAY’S MEDICINE. IF I CAN HELP IT, I’D LIKE TO GET TOMORROW’S MEDICINE.” Elizabeth Edwards, US Anwältin und Healthcare Expertin

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MAKING OF MED:IS

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IMPRINT

Project: www.technology-based-medicine.com Online: www.arminwarnecke.com Mail: mail@arminwarnecke.com Phone: +49 (0) 1722817110

Copyright Š 2016 Armin Warnecke

PERSPEKTIVEN FORMULIEREN

MED:IS

MED:IS ist ein für Gehirntumorentfernungen (Trans-

MED:IS is a specialized imaging concept for trans

nasale Endoskopische Tumorresektion) entworfenes

nasal

Anzeigewerkzeug nah am Kopf des Patienten, dass

surgeons to navigate the brain more precise by

es Chirurgen ermöglicht während eines Eingriffs die

displaying its structure in relation to the tool on a

Echtzeit-3D-Simulation der Operation sowie die vom

3D-Display located around the patients head.

Endoskop gelieferten Bilder im Zentrum der Aktion

A tumor removal surgery is usually a well planned

visuell zu erfassen.

operation.

tumor

removal

Countless

surgeries

image

which

based

enables

diagnosises

erfassten

and analysis processes have lead up to the actual

Datensätzen des Patienten, virtuell geplant. MED:IS

surgery. This big data can now help plan the surgery

befähigt Chirurgen die virtuell erzeugten Prozesse

movements in advance as well as guide the surgeon

während des Eingriffs besser nutzen zu können.

during the surgery process.

Die These dieses Projekts ist ein verbesserter Opera-

The improvement of the surgery process as well as an

tionsprozess und eine Steigerung der Präzision durch

increased accuracy through a new kind of display and

die Anwendung eines neuartigen Displays.

interface is the key thesis of this project.

Operationen

werden

heutzutage,

mit