Auswirkungen von Navigated-Control (NC) Systemen auf die Leistung, die Beanspruchung und das Situationsbewusstsein bei der Durchführung einer simulierten Mastoidektomie MLuz¹ Institut für Psychologie und Arbeitswissenschaft Technische Universität Berlin
Berlin Germany
DManzey¹ Institut für Psychologie und Arbeitswissenschaft Technische Universität Berlin
Berlin Germany
SMüller² ICCAS Innovation Center Computer Assisted Surgery
Leipzig Germany
ADietz² ICCAS Innovation Center Computer Assisted Surgery
Leipzig Germany
JMeixensberger² ICCAS Innovation Center Computer Assisted Surgery
Leipzig Germany
GStrauß² ICCAS Innovation Center Computer Assisted Surgery
Leipzig Germany
Auswirkungen von Navigated-Control (NC) Systemen auf die Leistung, die Beanspruchung und das Situationsbewusstsein bei der Durchführung einer simulierten Mastoidektomie 592A3D75D04C49B278F2D3A61201122C GROBID - A machine learning software for extracting information from scholarly documents bildgestützte Navigation computer-assistierte Chirurgie Navigated-Control
Problem

Navigationssysteme stellen Beispiele für Ansätze einer Automatisierung in der Chirurgie dar, bei denen Aufgaben des Chirurgen teilweise an eine Maschine (Computer) verlagert werden [1]. Eine Weiterentwicklung der bereits seit mehr als 20 Jahren verfügbaren pointerbasierten Navigation stellt das Navigated-Control (NC) Prinzip dar [2]. Während pointerbasierte Systeme durch die Darstellung der augenblicklichen Position des chirurgischen Instruments den Chirurgen nur zu ausgewählten Zeitpunkten bei der Orientierung im Situs und der Auswertung der vom Endoskop vermittelten visuellen Information unterstützen, verfolgen NC-Systeme die Position des getrackten Instruments kontinuierlich und unterstützen zusätzlich auch Aufgaben der Entscheidungsfindung und Handlungsausführung. Dies geschieht dadurch, dass das Instrument (z.B. Knochenfräse) bei Annäherung an die Grenzen von präoperativ definierten Bereichen automatisch abgeschaltet wird, um auf diese Weise intraoperative Verletzungen von Risikostrukturen zu verhindern. Damit soll zum einen die Patientensicherheit erhöht und zum anderen die Beanspruchung des Chirurgen reduziert werden. Die bisherigen Untersuchungen zu computerbasierten Navigationssystemen beziehen sich vor allem auf Probleme der technischen Umsetzbarkeit sowie relative Leistungsvorteile, verglichen mit nicht-assistierten Operationen. Darüber hinaus gehende Untersuchungen, die sich mit der Interaktion zwischen Chirurg und Automation und den daraus resultierenden Automationsfolgen beschäftigen würden, liegen bisher nur in Form einer Fragebogenuntersuchung vor [3]. und der Pneumatisierung richtig beantworten. In der manuellen Bedingung waren es im Durchschnitt 1,64 richtig beantwortete Fragen (Wilcoxon-Z=-1.7, p < .10).

Diskussion

Die

Abb. 1 :Abb. 1: Anzahl der Eingriffe mit und ohne Verletzungen
Dabei zeigen Studien aus anderen Bereichen (z.B. Luftfahrt), dass computer-basierte Assistenzsysteme neben den beabsichtigten positiven Effekten auch zu neuen Fehlerquellen und Risiken führen können, die z.B. mit einem Übervertrauen in die Systemzuverlässigkeit, einem Verlust des Situationsbewusstseins oder aber Problemen der Aufrechterhaltung manueller Fertigkeiten zusammenhängen können[4]. Die vorliegende Studie hat das Ziel die positiven Auswirkungen und mögliche neue Risiken beim Einsatz von NC-Systemen experimentell zu untersuchen. Als Modell wird dabei die Simulation eines komplexen chirurgischen Eingriffs (Mastoidektomie) herangezogen. Bewertet werden die Auswirkungen des Ein-Darüber hinaus wird speziell der Frage nachgegangen, ob und inwieweit der Einsatz derartiger Systeme es auch relativ unerfahrenen Ärzten möglich macht, einen komplexen Eingriff wie die Mastoidektomie risikofrei durchzuführen. Expertenbeurteilungen der gefrästen Felsenbeine im Doppelblindverfahren). Als Effizienzmaß diente die Zeit, die die Probanden für den Eingriff benötigten. Die Beanspruchung während des Eingriffs wurde auf mehreren Ebenen erfasst: (1) Subjektiv über Einschätzungen der kognitiven und physischen Belastung, des Zeitdrucks, des Anstrengungsaufwands, der eigenen Leistung sowie des/r empfundenen Stresses/Frustration während des Eingriffs (NASA Task-Load Index). (2) Leistungsbezogen über die Leistung in einer zusätzlich zu bearbeitenden Zweitaufgabe zur Erfassung der beim Eingriff noch verfügbaren Restkapazität für andere Aufgaben. Dazu mussten die Probanden etwa alle 902MethodenFür die Simulation des medizinischen Eingriffes wurde ein künstlicher Schädel mit austauschbaren Felsenbeinphanto-men (Fa. KARL STORZ) genutzt. Als Basis für die Erstellung der Felsenbeinphantome wurden CT-Bilder eines realenPatienten angefertigt und mit Hilfe eines 3D-Druckers umgesetzt. Diese Modelle enthalten alle Risikostrukturen diesesBereiches wie Dura Mater, Sinus Sigmoideus, Nervus Fazialis, lateraler Bogengang und Gehörknöchelchenkette. AlleRisikostrukturen außer der Gehörknöchelchenkette sind mit Sensoren versehen, welche die möglichen intraoperativenVerletzungen dieser Strukturen registrieren.Als Leistungsmaße wurden verschiedene Indikatoren für die Effektivität und die Effizienz des simulierten Eingriffs er-fasst. Dabei wurden drei verschiedene Effektivitätsmaße erhoben: (1) Die automatisch registrierte Anzahl der intraope-rativen Verletzungen. (2) Die Qualität des chirurgischen Eingriffs und (3) das mögliche Risiko für Komplikationen (je-weils über
satzes eines NC-Systems auf (1) die Leistung (Effektivität und Effizienz), (2) die Beanspruchung (subjektiv, leistungsbasiert und physiologisch) und (3) das Situationsbewusstsein, jeweils im Vergleich zum Goldstandard, d.h. der Durchführung des Eingriffs ohne NC-Assistenz. Sekunden so schnell wie möglich auf ein akustisches Signal mit dem Tritt auf ein Fußpedal reagieren. Erfasst wurde die durchschnittliche Reaktionszeit. Dieses Verfahren basiert auf der Annahme, dass die Reaktionszeit umso länger wird, je mehr Aufmerksamkeit von der Hauptaufgabe beansprucht wird. (3) Physiologisch über Veränderungen der Herzrate, Herzratenvariabilität, Atemfrequenz und des Blutdrucks während des simulierten Eingriffs. Der Blutdruck wurde vor, während und nach der Operation mittels des Patientenanästhesiegeräts erfasst. Die Respirationsfrequenz und das EKG wurden mit einem mobilen Registriergerät (NeXus-10) erfasst und anschließend mit der Software BioTrace+ (Version 2008a) von Mind Media B.V. Netherland aufbereitet. Für die Erfassung des chirurgischen Situationsbewusstseins wurde eine speziell auf diese Untersuchung angepasste Standardtechnik (Situation Awareness Global Assesment Technique, SAGAT) benutzt. Dafür wurden die Probanden nach einem bestimmten OP-Schritt in ihrer Tätigkeit unterbrochen und es wurden Fragen zum Abstand der Fräsköpfe von den Risikostrukturen im Moment der Unterbrechung, zum Stand der Operation, zu anatomischen Besonderheiten des "Patienten" und zur vermutlich noch verbleibenden OP-Zeit gestellt. Die Untersuchungsteilnehmer (n=14: 5 männlich, 9 weiblich) waren Medizinstudierende am Ende ihres Studiums oder Ärzte kurz nach Abschluss ihres Studiums. Sie waren im Schnitt 26 Jahre alt (21-28). Elf der Teilnehmer verfügten über erste chirurgische Erfahrungen aus dem klinischen Teil der Ausbildung (Famulatur, Praktisches Jahr), vier davon in der HNO. Niemand hatte Erfahrung in der praktischen Durchführung einer Mastoidektomie. Die Probanden erhielten für ihre Teilnahme eine Aufwandentschädigung i. H. v. 25 €.
vorliegende Studie gibt einen ersten Eindruck über die Folgen des Einsatzes des NC-Systems im OP. Neben klassischen Parametern wie Effektivität und Effizienz wurden auch die Auswirkungen des Systems auf Beanspruchung des Operierenden und das chirurgische Situationsbewusstsein untersucht. Im Hinblick auf die chirurgische Leistung zeigten sich unterschiedliche Ergebnisse für die betrachteten Effektivitätsund Effizienzmaße. Wie erwartet erlaubt das NC-System im Vergleich zum rein manuellen Vorgehen ein risikofreies Durchführen eines komplizierten chirurgischen Eingriffs bei gleichbleibender Qualität des chirurgischen Ergebnisses. Es scheint damit geeignet, eine (noch) mangelnde Erfahrung von Chirurgen bei der Durchführung dieses komplexen Eingriffs so weit zu kompensieren, dass Risiken für die Patientensicherheit minimiert werden. Andererseits benötigten die Ärzte mit der Unterstützung des Assistenzsystems deutlich mehr Zeit, um den Eingriff zu beenden. Dieses Ergebnis bestätigt die Befragungsergebnisse zur pointerbasierten Navigation von Manzey et. al. [3]. Eine Ursache dafür kann darin gesehen werden, dass das System durch das wiederholte Stoppen der Fräse immer wieder zu Unterbrechungen des Workflow führt, wobei es technisch bedingt auch zu einer erheblichen Zahl "falscher Alarme" kommt. Sofern dies nicht bei der Planung von OP-Zeiten berücksichtigt wird, können damit neue Risiken verbunden sein (Zeitdruck). Die o.g. Befunde zur pointerbasierten Navigation lassen erwarten, dass ein derartiger Effekt zumindest für die ersten 60-100 Eingriffe mit dem System auftritt. Bezüglich der erhobenen Beanspruchungsmaße zeigt sich ein differenzierteres Bild: einerseits wurde eine erhöhte subjektive Beanspruchung und eine erhöhte Reaktionszeit bei der Zweitaufgabe festgestellt. Die Teilnehmer schienen durch die Interaktion mit dem zusätzlichen Gerät subjektiv mehr beansprucht zu werden und haben weniger Kapazität für andere Aufgaben zur Verfügung. Auch dieser Effekt dürfte vor allem den "falschen Alarmen", d.h. Stoppereignissen geschuldet sein, die nicht mit einer Annäherung an Risikostrukturen, sondern technischen Ursachen ("loss of line of sight") zusammenhängen. Dagegen deuten die physiologischen Daten auf klare Vorteile des NC-Systems in Bezug auf den physiologischen Aufwand und Stress während des simulierten Eingriffs hin. Das kann auf die Tatsache zurückgeführt werden, dass das System die Teilnehmer automatisch davor schützt, zu nah an Risikostrukturen heran zu kommen und so das wahrgenommene Risiko einer gravierenden intraoperativen Verletzung reduziert. Für die erwartete Beeinträchtigung des Situationsbewusstseins gibt es nur wenig Hinweise. Lediglich bei der Beurteilung anatomischer Besonderheiten wurden Einbußen des Situationsbewusstseins festgestellt, die allerdings auch mit der mangelnden Erfahrung der Versuchsteilnehmer zusammenhängen könnten. Zu diesem Bereich sollten weitere Untersuchungen durchgeführt werden. Eine offensichtliche Beschränkung der dargestellten Studie kann darin gesehen werden, dass es sich bei den Untersuchungsteilnehmern um noch unerfahrene Chirurgen handelte. In einer inzwischen ebenfalls abgeschlossenen Studie mit n=7 erfahrenen HNO-Chirurgen konnten allerdings wesentliche Ergebnisse der vorliegenden Studie repliziert werden. So zeigte sich auch bei dieser Gruppe bei Einsatz des NC-Systems ein höherer Zeitaufwand (34 vs. 23 Min) und eine erhöhte subjektive Beanspruchung bei gleichzeitiger Reduktion des mit dem Eingriff verbundenen physiologische Aufwands und Stress. Letzteres spiegelte sich vor allem in der Herzratenvariabilität und dem systolischen Blutdruck wider.. CURAC-Jahrestagung, 15. -16. September 2011, Magdeburg
Automation in surgery: a systematic approach DManzey SRöttger GStrauss JEBahner-Heyne CTrantakis ADietz TLüth JMeixensberger Surgical Technology International XVIII 2009 Navigated Control: Ein neues Konzept fur die computer-assistierte HNO-Chirurgie GStrauß KKoulechov RRichter ADietz JMeixensberger CTrantakis TLüth Laryngorhinootologie 84 2005 Image-guided navigation: the surgeon's perspective on performance consequences and human factors issues DManzey SRoettger JEBahner-Heyne DSchulze-Kissing ADietz JMeixensberger GStrauss International Journal of Medical Robotics and ComputerAssisted Surgery 5 2009 Cockpit automation: Still struggling to catch up? TFerris Sarter CDWickens Human factors in aviation ESalas DMaurino
Sn Diego
 Elsevier 2010 2nd Ed CURAC-Jahrestagung
Magdeburg
 September 2011 15 16