Auswirkungen von bildbasierter Navigation unterschiedlicher Automationsgrade auf Leistung, Beanspruchung und Situationsbewusstsein von Chirurgen

Bildbasierte Navigation, auf Englisch image-guided navigation (IGN), unterstützt den Chirurgen bei der Navigation durch die unübersichtliche Patientenanatomie und bei der Erkennung von anatomischen Strukturen während eines chirurgischen Eingriffs. Das Prinzip der IGN besteht darin, die Lage von chirurgischen Instrumenten zu bestimmen und in Bilddaten wie den computertomographischen oder magnetresonanztomographischen Aufnahmen darzustellen. Darüber hinaus kann IGN den Chirurgen warnen (Distance Control, DC-System) oder sogar das Instrument automatisch abschalten (Navigated Control, NC-System), sobald das chirurgische Instrument sich einer anatomischen Struktur nähert, die nicht beschädigt werden darf. Somit können anatomische Strukturen vor unbeabsichtigten Schädigungen geschützt und die Patientensicherheit gesteigert werden. IGN und andere medizinische Computerassistenzsysteme können als Automation betrachtet werden, bei denen Teilaufgaben bzw. -funktionen des Chirurgen an den Computer delegiert werden. Entsprechend dem allgemeinen Rahmenmodell der Interaktion mit Automation nach Parasuraman et al. (2000) werden vier Arten der Automation unterschieden, die zu zwei Gruppen zusammengefasst werden können: Informationsautomation und Handlungsautomation. Informationsautomation unterstützt den Nutzer bei Informationsaufnahme und –analyse. Dieser Gruppe kann das DC-System (Informations-IGN) zugeordnet werden, weil es den Chirurgen über die Nähe zu kritischen Strukturen informiert. Handlungsautomation geht weiter und unterstützt den Chirurgen bei Entscheidungen, Handlungsauswahl und -ausführung. Das NC-System (Handlungs-IGN) gehört zu dieser Gruppe, weil es in die chirurgischen Handlungen eingreift, wenn ein Verletzungsrisiko der anatomischen Strukturen besteht. Die Ziele des Einsatzes der Automation im Allgemeinen sind Leistungsverbesserung und Erhöhung der Sicherheit. Viele Studien im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie in der Prozessindustrie haben aber gezeigt, dass die Vorteile der Automationsassistenz nicht immer realisiert werden können und die Automation auch mit Leistungsnachteilen verbunden sein und zu neuen Risiken und Problemen führen kann. Durch die häufige Nutzung des Autopiloten kann es bei Piloten zum Beispiel zu einer Entlastung kommen, gleichzeitig steigt aber die Gefahr, dass durch die Abgabe der manuellen Steuerung auch die Fähigkeit ein akkurates Verständnis der aktuellen Situation aufrechtzuerhalten abnimmt. Diese Erkenntnisse wurden in Bezug auf IGN-Systeme bisher nur unzureichend oder gar nicht untersucht. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Aufklärung der Vorteile aber auch möglicher Nachteile der IGN hinsichtlich der Leistung, der Beanspruchung und des Situationsbewusstsein des Chirurgen in Abhängigkeit vom Automationsgrad leisten. Dafür wurden drei experimentelle Studien durchgeführt. Als Modell für den chirurgischen Eingriff wurde ein simulierter Eingriff am Felsenbein (Mastoidektomie) gewählt. In den Experimenten 1 und 2 wurden die Auswirkungen von höhergradigen Handlungs-IGN auf unerfahrene sowie erfahrene HNO- (Hals-Nasen-Ohren) Chirurgen untersucht, die eine simulierte Mastoidektomie mit NC-System und eine ohne Computerassistenz durchführten. Parallel zum simulierten chirurgischen Eingriff arbeiteten alle Chirurgen an einer Sekundäraufgabe, um Rückschlüsse auf die Auslastung der Chirurgen durch die Ausführung des Eingriffs zu ziehen. Die Ergebnisse der beiden Experimente zeigten, dass das NC-System nicht nur positive, sondern auch negative Folgen auf Chirurgen hatte. Es wirkte sich positiv auf die Effektivität und auf den physiologischen Aufwand, aber negativ auf die Effizienz und die subjektive Beanspruchung aus. Außerdem scheint die NC-Assistenz die Leistung in der Sekundäraufgabe und das chirurgische Situationsbewusstsein besonders bei unerfahrenen Chirurgen zu beeinträchtigen. Der Grund für diese negativen Effekte wurde in der Art der Implementierung der Sicherheitsfunktion vermutet. Die automatischen Instrumentenabschaltungen haben die Versuchsteilnehmer in ihrem Arbeitsprozess unterbrochen, was sie frustriert und außerdem zu Zeitverzögerungen geführt hat. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde vermutet, dass weniger Automation, z. B. die Verwendung von Warnungen statt Instrumentenabschaltungen in der Nähe von kritischen Strukturen, die negativen Folgen verringern würde, gleichzeitig aber ausreichend sein würde, um die festgestellten Vorteile der höhergradigen NC-Unterstützung weiterhin zu erhalten. Diese Vermutung wurde im Experiment 3 überprüft, indem NC- und DC-System bezüglich der Auswirkungen auf Chirurgen miteinander verglichen wurden. Darüber hinaus wurde im Experiment 3 überprüft, ob sich die Ergebnisse bezüglich der Handlungsautomation auch auf Informationsautomation übertragen lassen. Dafür wurden die beiden durch IGN-unterstützten chirurgischen Eingriffe mit dem manuellen Vorgehen verglichen. Um die Annahmen zu überprüfen, führten die Versuchsteilnehmer im Rahmen eines Mastoidektomiekurses drei simulierte chirurgische Eingriffe durch: einmal mit dem NC-System, einmal mit dem DC-System und einmal ohne Computerassistenz. Die Versuchsteilnehmer waren Assistenz- und junge Fachärzte, die zwar Erfahrung mit chirurgischen Eingriffen, jedoch nicht mit Mastoidektomie hatten. Wie vermutet konnten durch die Reduktion des Automationsgrades die negativen Folgen bezüglich der Effizienz und der subjektiven Beanspruchung verringert werden. Die angenommenen positiven Effekte bezüglich der Effektivität gegenüber den manuell durchgeführten Eingriffen konnten in dieser Studie ebenfalls repliziert werden. Die Leistung in der Sekundäraufgabe blieb von dem Ausmaß der Automationsunterstützung unbeeinflusst, wurde aber im Vergleich zu Eingriffen ohne Computerassistenz beeinträchtigt. Darüber hinaus zeigte der Vergleich beider IGN-Systeme mit manuellen Eingriffen, dass die Automationsunterstützung zu generellen Effizienzeinbußen führt. Im Gegensatz dazu wurde die hohe subjektive Beanspruchung nur im Zusammenhang mit höhergradigem NC-System gefunden, während diese bei reiner Informationsunterstützung unverändert gegenüber den manuellen Eingriffen blieb. Das chirurgische Situationsbewusstsein blieb in allen drei Bedingungen annähernd gleich. Somit zeigt die vorliegende Arbeit, dass mittlerer Automationsgrad bisher die optimale Lösung für IGN darstellt. Diese Lösung zeigt Potenzial hinsichtlich der Effektivität und des physiologischen Aufwands. Die Nachteile hinsichtlich der Effizienz und der Leistung in der Sekundäraufgabe lassen sich möglicherweise auf die Notwendigkeit zurückzuführen, ein neues System zu bedienen und die Bilddaten zu interpretieren. Diese Nachteile würden sich vermutlich mit steigender Erfahrung im Umgang mit dem System reduzieren. Die vorliegende Dissertation ist die erste Arbeit, in der die Auswirkungen von IGN-Systemen auf die Chirurgen hinsichtlich ihrer Leistung, ihrer Beanspruchung und ihres Situationsbewusstseins umfassend untersucht wurden. Diese Arbeit bestätigt die Befunde hinsichtlich der Automationsfolgen aus der Luftfahrt und Prozessindustrie und zeigt ihre Übertragbarkeit auf die Medizin. Aus den Erkenntnissen können Hinweise zur Gestaltung von IGN-Systemen hinsichtlich des Ausmaßes der Automationsunterstützung abgeleitet werden.

Author dc:creator

• Luz, Maria

Advisors dc:contributor.advisor

• Manzey, Dietrich
• Kraft, Marc

Licence dc:rights.uri

• https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Language dc:language.iso

de

Identifier URI

http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6122

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/6681