distOP: Distributed Infrastructure for short time Operation Prearrangement (Arbeitstitel, Logovorschlag)

Einleitung, Problem-Umfeld

Das Gesundheitssystem in Deutschland ist heutigzutage geprägt von der Mobilität des Patienten und einer ortsgebundenen medizinischen Versorgung, d.h. der Patient kommt zum Arzt bzw. ins Krankenhaus für eine Behandlung. Aufgrund der notwendigen flächendeckenden medizinischen Versorgung in Deutschland hat dies zu einer Überzahl von Krankenhäusern geführt, die alle auch eine Vielfalt von medizinischen Fachdisziplinen anbieten. Folge ist eine Überkapazität, so dass viele in kleinen Krankenhäusern gegründete Fachabteilungen nicht ausreichend genutzt werden und finanzielle Defizite erwirtschaften. Umgekehrt steht der medizinische Spezialist in einem Zentrum keinem anderen Krankenhaus zur Verfügung. Erste Ansätze zur Flexibilisierung des Systems wurden bisher bereits durch Einsatz telemedizinischer Applikationen realisiert, indem versucht wurde, über Telekonsultationen medizinisches Spezialwissen an andere Orte zu bringen. Für chirurgische Tätigkeiten ist dieses System jedoch noch nicht denkbar, da sich ein operativer Eingriff nur durch den Chirurgen selbst durchführen lässt. Die denkbare Lösung durch Einsatz eines ferngesteuerten Roboters ist noch weit entfernt von einer wirklichen Anwendung, so dass der Chiurg noch für lange Zeit selbst Operationen durchführen muss.

In der Schweiz als Gegenbeispiel ist das Gesundheitssystem viel flexibler geregelt. Spezialisierte Fachärzte versorgen hier mehrere Standorte gleichzeitig und nutzen gemeinsam vorbestehende Resourccen. Universitäre Kliniken als Kompetenzzentren versorgen hier gleichzeitig mehrere Krankenhäuser personell (z.B. die MKG-Chirurgie der Universität Basel versorgt auch die Kantonsspitäler Basel-Land, Aarau, Olten, für bestimmte Krankheitsbilder Luzern, deutsche Patienten werden in Lörrach operiert). In der Praxis bedeutete dies, dass bei Bedarf (z.B. bei Notfall oder an bestimmten Tagen, je nach Sprechstundenbedarf) ein Spezialist zu dem jeweiligen Krankenhaus fährt. Dieser effiziente Nutzen von Personal- und Krankenhausresourccen bedarf eines deutlich höheren logistischen Aufwandes (Time-Management, dezentrale Operationsplanung im Vorfeld des Eingriffes !). Das System wird seit Jahrzehnten in der Schweiz eingesetzt und hat sich bewährt. Entscheidender Nachteil ist aber immer noch, dass die Fahrtzeit als echte Arbeitszeit verlorengeht.

Szenario, Anwendungsfall

Der medizinische Spezialist der Zukunft, der sein Wissen optimal und transregional einsetzen wird, ist über den Tag bis zu mehreren Stunden unterwegs. Das Auto als mobiles leistungsfähiges Kommunikationssystem unterstützt den Spezialisten bei folgenden Aufgaben:

• Erledigen von Management-Funktionen
• Patientenkonsultationen über telemedizinische Systeme, z.B Videokonferenz (DFN-Projekt "Interface")
• Durchführung von Operationsplanungen für das angefahrene Krankenhaus
• Fernsteuerung der bereits begonnenen Operation bis zum Eintreffen im Zielkrankenhaus über die im Auto vorhandenen Telekommunikationsmittel

Dabei sind zwei Szenarien zu unterscheiden:

• geplante Fahrt (vorbereitet) und
• Notfallfahrt (Unfall, unvorhersehbare Situation während einer OP)

Die geplanten Fahrten treten pro Woche mehrere male auf eine Nutzung dieser Fahrtzeiten würde also eine erheblich Zeitersparnis mit sich bringen. Wegen der großen mobilen Unabhängigkeit wird der PKW als Fahrzeug in diesem Szenario in absehbarer Zwit nicht abgelöst werden können. Zusätzlich bietet das Auto Strom und Platz für Geräte. Die Fahrt wird eventuell mit Beifahrer (Assistenzarzt, Team unterwegs) durchgeführt.

OP-Ablauf:

• Anästhesie (30 min)
• Zugangsweg freilegen (vorbereitend)
• OP (evtl. durch Spezialist)
• Zunähen

Mögliche Zeitersparnis durch:

• Erkennen von z.B. Bruchstellen anhand Röntgenbilder (Dauer wenige Minuten)
• Frühe Lokalistaion des Zugangsweges
• Vorbereitung durch anderen Arzt (Anästhesie, Zugangsweg freilegen)

Diagnostisch notwendige Informationen:

• Diagnose / Mutmaßung des Arztes vor Ort
• Röntgenbilder: 2D Schnitte (10-100 je nach Gerät), 3D Modell (Voxel, Oberflächen); Datenaufkommen: 20-200MB (Rohdaten)
• Dialog mit Arzt vor Ort z.B. für haptische Untersuchung (interaktive Delegation)
• Zusatzinformationen: Arztbriefe, Herzinfarkt, Allergien, ... (interaktiv erfragt)
• interaktiver Anteil 20-50%

Quellen der Informationen:

• Patientenstammdaten: SAP
• Bildarchiv (in Entwicklung): Spezielles Datenformat (DICOM) mit Metainformationen

Präsentation:

• Akkustisch
• Besser: Optisch (Fragen der Verkehrsicherheit! Pause am Rastplatz?)

Gerät:

• Displaygröße "mind. DIN A5"
• Gute Auflösung wichtig, Farbe erwünscht

Um die für den Ortswechsel benötigte Zeit effektiv nutzen zu können, muss der Spezialist im Auto auf verschiedenste Informationen und Kommunikationsmittel Zugriff haben. Nur so kann er sein Büro bzw. seine Sprechstunde in das Auto verlegen.

Vorraussetzungen:

• Zugriff auf digitale medizinische Patienteninformationen (in interaktivem Bild und Text)
• Infrastruktur und Hardware zur Anzeige und Interaktion im Fahrzeug
• Ständige, ausreichende Netzwerkverbindung für Videokonferenz, Telekommunikation und Datenübermittlung

Projektplan

Beteiligte Personen, Institutionen und Firmen

• HFZ (Rechts der Isar): Hr. Zeilhofer, Hr. Sader
  Projektleitung und -steuerung, Fachliche Beratung (Medizin)
  Projekt-Infrastruktur
• Kantonspital Basel, Aarau
  Szenario, Feldtest
• TUM, Institut für Informatik, Lehrstuhl Brügge Diplomanden (Informatikstudenten) für Diplomarbeiten im Rahmen des Projekts, Projektkurs (Praktikum) für Prototypen-Implementierung
  
• Lehrstuhl Brügge: Götz Bock, Patrick Renner
  Fachliche Beratung (Informatik)
• Fa. Focus
  UMTS-Testbed
• Daimler Chrysler
  Mobiles Büro
• GM: HCI-Projekt mit einem Van (-> Sarntal?)

Assoziierte Projekte

• "Interface" (DFN): Videokonferenzsystem
• "Caesar": 3D Visualisierungs-Toolkit

Zeitplan

• Phase 1: Case Studies in Form von projektbetreuten Diplomarbeiten (Informatik)
• Phase 2: Implementierung eines prototypischen Systems, Entwicklung im Rahmen eines Haupstudiumspraktikum "Software Engineering", Förderantrag
• Phase 3: Feldtest (UMTS, mobiler Einsatz im Auto), weiterführende Integration

Phase 1 beginnt Februar 2003 und läuft bis ca. Herbst 2003, Phase 2 beginnt überschneidend Sommer 2003 und endet ca. Frühjahr 2004, Phase 3 ist für das Frühjahr 2004 geplant.

Angesprochene Punkte im Meeting vom 19. März im HFZ

• Während der Entwicklung: Kundenkommunikation mit in Szenario benutzter Technologie
• Echte Patientendaten
• "Anwender Sessions": Spezielle Gespräche zur Klärung von Szenario-Details
• Besuch in Basel 1-2 Tage, Beobachtung und Analyse des Prozesses
• Einbindung von Software Theater
• Finanzierungsaktivitäten an Anforderungen anpassen

• Nächstes Treffen Anfang April
• Besuch in Basel: Mitte April?

Parallele Teilprojekte

Verteilte medizinische Patientendaten

Ähnlich wie mp3-Tauschbörsen für das Internet (z.B. das GNUTella-Netzwerk) sollen über ein verteiltes Peer-To-Peer (P2P) - Netzwerk medizinische Patientendaten kommuniziert werden. Dabei können sehr große Datenmengen auch für einzelne Datensätze (z.B. Daten einer Computertomographie, Messwerte) erreicht werden. Der Zugriff auf die Daten muss durch geeignete Verfahren geschützt sein und die Übertragung vor dem Zugriff von Dritten gesichert.

Aufgabenstellung:

• P2P: Peer-Software für alle Benutzer und Datenstellen (Keine "Server"-Komponenten)
• Implizite Benutzerinteraktion (z.B. automatisches, implizites Bereitstellen von Dateien in Ordnern der Festplatte statt expliziter angestoßener Versand von Dateien)
• Suchmechanismen zum Auffinden von Daten und Dokumenten
• Zuordnung von Patienten, Versorgungsstellen, Daten und Dokumenten zueinander
• Versionskontrolle: Speichern und mögliche Wiederherstellung von verschiedenen Versionen von Daten und Dokumenten
• Synchronisation: Finden der aktuellen Version eines Dokuments, Konfliktsynchronisationsstrategieen
• Verschlüselung: Verschlüsselte Übertragung von Dokumenten zur Unterbindung von unerlaubtem Zugriff, Benutzung von asymetrischen und symetrischen Verschlüsselungsverfahren für vielfältige Zugriffskontrollmöglichkeiten

Realisierung:

Phase 1:

• Design und Implementierung einer unabhängigen, wiederverwendbaren Software-Bibliothek (Library) für sichere P2P Kommunikation
• Auf der Library aufbauende prototypische Peer-Software
• Definition eines Container-Dokumentenformats in XML
• Analyse gängiger Metainformations-Formate zur Unterstützung von Suche und Ordnung der Daten und Dokumente (Query, Assoziationen)

Phase 2:

• Design und Implementierung von Suchfunktionalität im P2P-Netzwerk
• Implementierung mehrerer für den Feldtest einsatzfähiger Peer-Programme (verschiedene Plattformen)

Phase 3:

• Entwicklung und Betreuung einer Testumgebung und des Feldtests
• Integration der Tools in bestehende medizinische Infrastruktur von Krankenhäusern

Organisation:

Betreuung der Implementierung von Informatik-Mitarbeitern (Lehrstuhl Brügge):

• Entwurf des P2P Synchronisations-Protokols, Versionskontrolle: Betreuer PatrickRenner
• Containerfile-Format, Verschlüsselung, Authentifizierung: Betreuer GötzBock

Reviewprozess und Beispieldaten:

• HFZ

Szenario, Feldtest:

• Kantonspital Basel, Aarau
• Fa. Focus, Daimler Chrysler

(siehe auch Distributed P2P Secure Database)

Mobile Endgeräte

Requirements Engineering bis zum System Design eines tragbaren Computers für mobile medizinische/ klinische Anwendung (z.B im PKW) zur Patientendatendarstellung inc. 3D Visualisierung. Bestehende mobile Systeme wie die Speicherung von Patientendaten (Patentenbefragung) des Anästhesiearztes vor einer Operation mit einem Notebook sollten auf Einbindbarkeit untersucht werden.

Wegen des breiten möglichen Anwendungsspektrums in der Medizin z.B. bei Visitenfahrten oder bei niedergelassenen Zahnärzten ist eine realistische und preisgünstige Lösung anzustreben. Eventuell bietet es sich an dieser Stelle an, mehrere Szenarien zu untersuchen: Eine minimalistische Lösung (z.B. PDA, Handy) und eine etwas aufwändigere Lösung mit Tablet PC oder vergleichbaren Geräten.

Die Darstellung von 3-dimensionalen Bilddaten nimmt in diesem Teilprojekt eine tragende Rolle ein. Dabei müssen Aspekte wie Performance von Renderern, Größe von Datenmengen (Kompressionsverfahren) und Übertragunskapazitäten von mobilen Kommunikaitonskanälen untersucht werden.

wird ergänzt

Mobile Infratsruktur

Entwurf und Implementierung eines Autos als modernes Kommunikationszentrum.

Die Infrastruktur bietet dabei je nach Verfügbarkeit drahtlose Kommunikationskanäle an (UMTS, WLAN, Bluetooth), Übergänge zwischen den Informationskanälen sollten nahtlos möglich sein. Weiterhin passt sich die Infrastruktur automatisch und proatkiv an Umweltveränderungen (Position, Netzverfügbarkeit) an. Dazu werden Kontextinformationen wie Standort, Straßenkarten etc. verwaltet. Untstuetzte Kommunikations Methoden sollten Telefon, Videokonferenz und Datenkommunikation zum Austausch von Patientendaten sein. Es muss im Rahmen dieses Teilprojektes unter anderem untersucht werden, ob und wie Informationen akkustisch aufbereitet und dargestellt werden können. Das Szenario im Auto und die damit zusammenhängende eingechränkte Aufnhamefähigkeit des Benutzers evtl. sogar während der Fahrt erfordert diese Untersuchungen. Dazu ist eine Analyse im Bereich der Human Computer Interface (HCI) Forschung notwendig.

Für die optische Darstellung auf den Endgeräten kann es notwendig sein, die vorliegenden 3D-Bildinformtionen (meist Voxel-Daten) anzupassen. Im allgemeinen reicht eine Oberflächendarstellung der 3D-Informationen aus. Für die Darstellung auf Farbdisplays kann es notwendig sein, Farbinformation auf verschiedene Weise zu generieren, dabei kann es sich um Falschfarbendarstellung oder Texturierung mit Echtfarben aus Fotographien handeln. Datenreduktion und Konversion kann unter umständen Aufgabe der Infrastruktur im Auto sein.

wird ergänzt

Literatur, Links

• DFN-Projekt "Interface": http://www.rvs.uni-hannover.de/projects/interface/
  Entwicklung, Erprobung und dem Einsatz eines multimedialen telemedizinischen Videokonferenzsystems
• Image-Whiteboard: http://www.rvs.uni-hannover.de/products/iwb/
• http://www.openp2p.com/ p2p development, open source development
• DICOM: http://www.dclunie.com/medical-image-faq/html/part2.html
• BBoard: http://tum.globalse.org/projects/distop/discuss.nsf
• Addressbook: http://tum.globalse.org/projects/distop/address.nsf/by+Face?OpenView&Start=1&ExpandView&Count=50

Ansprechpartner

• Für das HZF: PD Dr.Dr. Robert Sader
• Für den Lehrstuhl Brügge: Dipl. Inf. Götz Bock