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Thèse Année : 2010

Workflow and Activity Modeling for Monitoring Surgical Procedures

Modélisation des Activités Chirurgicales et de leur Déroulement pour la Reconnaissance des Etapes Opératoires

Nicolas Padoy

Résumé

The department of surgery is the core unit of the patient care system within a hospital. Due to continuous technical and medical developments, such departments are equipped with increasingly high-tech surgery rooms. This provides higher benefits for patient treatment, but also increases the complexity of the procedures' workflow. This also induces the presence of multiple electronic systems providing rich and various information about the surgical processes. The focus of this work is the development of statistical methods that permit the modeling and monitoring of surgical processes, based on signals available in the surgery room. These methods combine low-level signals with high-level information, and can be used to detect events and trigger pre-defined actions. A main application is the development of context-aware surgery rooms, providing adaptive user interfaces, better synchronization within the surgery department and automatic documentation. We introduce and formalize the problem of recognizing phases within a workflow, using a representation of interventions in terms of multidimensional time-series formed by synchronized signals acquired over time. We then propose methods for the modeling, offline segmentation and on-line recognition of surgical phases. The main method, a variant of hidden Markov models augmented by phase probability variables, is demonstrated on two medical applications. The first one is the monitoring of endoscopic interventions, using cholecystectomy as illustrative surgery. Phases are recognized using signals indicating tool usage and recorded from real procedures. The second application is the monitoring of a generic surgery room workflow. In this case, phase recognition is performed by using 4D information from surgeries performed in a mock-up operating room in presence of a multi-view reconstruction system
Le bloc opératoire est au coeur des soins délivrés dans l'hôpital. Suite à de nombreux dévelopments techniques et médicaux, il devient équippé de salles opératoires hautement technologiques. Bien que ces changements soient bénéfiques pour le traitement des patients, ils accroissent la complexité du déroulement des opérations. Ils impliquent également la présence de nombreux systèmes électroniques fournissant de l'information riche et variée sur les processus chirurgicaux. Ce travail s'intéresse au dévelopement de méthodes statistiques permettant de modéliser le déroulement des processus chirurgicaux et d'en reconnaitre les étapes, en utilisant des signaux présents dans le bloc opératoire. Ces méthodes combinent des signaux de bas niveau avec de l'information de haut niveau et permettent à la fois de détecter des événements et de déclencher des actions pré-définies. L'une des applications principales est la conception de salles opératoires sensibles au contexte, fournissant des interfaces utilisateurs réactives, permettant une meilleure synchronisation au sein du bloc opératoire et produisant une documentation automatisée. Nous introduisons et formalisons le problème consistant à reconnaitre les phases réalisées au sein d'un processus chirurgical, en utilisant une représentation des chirurgies par une suite temporelle et multi-dimensionnelle de signaux synchronisés. Nous proposons ensuite des méthodes pour la modélisation, la segmentation hors-ligne et la reconnaissance en-ligne des phases chirurgicales. La méthode principale, une variante de modèle de Markov caché étendue par des variables de probabilités de phases, est demontrée sur deux applications médicales. La première concerne les interventions endoscopiques, la cholécystectomie étant prise en exemple. Les phases endoscopiques sont reconnues en utilisant des signaux indiquant l'utilisation des instruments et enregistrés lors de chirurgies réélles. La deuxième application concerne la reconnaissance des activités génériques d'une salle opératoire. La reconnaissance utilise de l'information 4D provenant de chirurgies réalisées dans une maquette de salle opératoire et observée par un système de reconstruction multi-vues. Mots
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Dates et versions

tel-01748567 , version 2 (27-05-2010)
tel-01748567 , version 1 (29-03-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01748567 , version 2

Citer

Nicolas Padoy. Workflow and Activity Modeling for Monitoring Surgical Procedures. Human-Computer Interaction [cs.HC]. Université Henri Poincaré - Nancy 1; Technische Universität München, 2010. English. ⟨NNT : 2010NAN10025⟩. ⟨tel-01748567v2⟩
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