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
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WO LIEGT DAS PROBLEM
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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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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
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„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
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Display
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2-teilige Kopfstütze
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Ausziehbarer Arm
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Liegenpolster, abnehmbar
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Halte-Schiene oder Normschiene
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steriler Bereich
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4 5 1
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5 IMPLEMENTIERUNG
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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.
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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
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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
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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
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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