This interdisciplinary study examined the relationship between bone density and drilling forces required during trans-pedicular access to the vertebra using fresh–frozen thoraco-lumbar vertebrae from two female body donors (A, B). Before and after biomechanical examination, samples underwent high-resolution CT-quantification of total bone density followed by software-based evaluation and processing. CT density measurements (n = 4818) were calculated as gray values (GV), which were highest in T12 for both subjects (GVmaxA = 3483.24, GVmaxB = 3160.33). Trans-pedicular drilling forces F (Newton N) were highest in L3 (FmaxB = 5.67 N) and L4 (FmaxA = 5.65 N). In 12 out of 13 specimens, GVs significantly (p < 0.001) correlated with force measurements. Among these, Spearman correlations r were poor in two lumbar vertebrae, fair in five specimens, and moderately strong in another five specimens, and highest for T11 (rA = 0.721) and L5 (rB = 0.690). Our results indicate that CT-based analysis of vertebral bone density acquired in anatomical specimens is a promising approach to predict the drilling force appearance as surrogate parameter of its biomechanical properties by e.g., linear regression analysis. The study may be of value as basis for biomechanical investigations to improve planning of the optimal trajectory and to define safety margins for drilling forces during robotic-assisted trans-pedicular interventions on the spine in the future.

Zusammenfassung Produktbezogene Dienstleistungen sind wichtige Alleinstellungsmerkmale der deutschen Industrie im globalen Wettbewerb. Dazu zählt die professionelle Instandhaltung von komplexen Industrieanlagen. Das Servicepersonal ist bei dieser Tätigkeit mit hohen Anforderungen an technisches Know-how, Handlungskompetenz und Mobilität sowie daraus resultierenden physischen und psychischen Belastungen konfrontiert. Digitale Assistenzsysteme (AS) haben großes Potenzial zur Unterstützung der Beschäftigten und ermöglichen die Interaktion mit tätigkeitsrelevanten Informationen direkt am Arbeitsort. Diese Systeme müssen allerdings so beschaffen sein, dass sie echte Mehrwerte bieten und von den Anwendern akzeptiert werden. Das interdisziplinäre Projekt ArdiAS beschäftigte sich mit der Fragestellung, wie Assistenzsysteme zu gestalten sind, damit Beschäftigte im technischen Service bei ihrer Tätigkeit entlastet werden und der Arbeitsprozess effizienter abläuft.

Information processing systems with some form of machine-learned component are making their way into the industrial application and offer high potentials for increasing productivity and machine utilization. However, the systematic engineering approach to integrate and manage these machine-learned components is still not standardized and no reference architecture exist. In this paper we will present the building block of such an architecture which is developed with the ML4P project by Fraunhofer IFF.

Kurzfassung Der Digitale Zwilling (DZ) einer Anlage umfasst die Inhalte der Lebenslaufakte (Strukturen und Dokumente) sowie Schnittstellen zu Zustandsdaten. Dieses Verständnis wird im Beitrag erläutert und von der Verwaltungsschale abgegrenzt. Eine zentrale Herausforderung bei der Verwendung von DZ ist die nachhaltige und wirtschaftliche Nutzung im Anlagenlebenszyklus. Daher werden Wege vorgestellt, um ihn begleitend zum Engineering zu erstellen, im Betrieb effektiv zu nutzen sowie zu aktualisieren, mit Ausblick auf den Bedarf nach Austausch des Digitalen Zwillings zwischen Unternehmen.

Manufacturers have to face challenges to structure and use the data of manufacturing units. Sensory data is currently focus of specifications, but using the data requires also structural knowledge from the machine that is created during manufacturing but maintained during operational phase. We present the engineering model linking used to support designers and programmers during engineering. Current challenges require to rethink this approach, thus we also present an ontology linking as work in progress to maintain multiple needs and views.

BACKGROUND:Spine metastases (MTS) can be treated via Radiofrequency Ablation (RFA) electrodes. To bring these electrodes into vertebral MTS, pathways have to be created. This can be done via transpedicular hammering or drilling. However, this is challenging due to spatial constraints, and because MTS can alter bone density considerably.METHOD:In this work a two-step method is presented that intends to offer cognitive and physical assistance. Step 1 comprises two visualization methods that depict safety margins between and in risk structures. For Step 2, the correlation between Hounsfield Units (HUs) and drilling forces was analyzed to support manual and robot-assisted RFAs.RESULTS:In-depth descriptions of two clinical cases and detailed feedback from the local clinic of neuroradiology are used to present the capabilities of the proposed method. Furthermore, a stiffness criterion is presented to predict drilling force changes from the local distribution and homogeneity of HUs with an inaccuracy of less than 1 mm.CONCLUSIONS:The combination of visualization and drilling force prediction shows potential to support manual and robot-assisted spine RFAs. However, limitations have to be addressed in the future. For example, it has to be carefully evaluated to which extent the proposed method can speed up the planning process and increase intervention safety.

Digital data can be used to optimize manufacturing and create new business models. Becoming a digitally operating business not only requires introducing software but also making extensive process changes. This paper presents a design approach to participatory technology development that is human-centered in terms of changes required of users, their collaboration partners and organizational challenges confronting a company. The method was developed in a research project that implemented a complex cognitive assistance system in different manufacturing companies.

Radiofrequency Ablations (RFAs) can be employed for the treatment of spine metastases. Instruments are therefor inserted through the vertebra’s pedicle into cancerous tissue within the vertebral body. This requires high precision during interventions. We present a two-step method to increase risk awareness during intervention planning and execution of manual and robot-assisted spine RFAs. Three medical experts evaluated our method and stated that it yields two advantages: First, improved visualizations for manual interventions and second, increased safety in hand-guided, robot-assisted setups.

The digital twin is a synchronized digital representation of a production system and a major aspect of the current challenges in industrial digitalization. Once considered from beginning of engineering it can be created aside the production system and can produce benefits in engineering and operations. We present a virtual engineering method that utilizes the digital twin and allows required disciplines to work already in parallel in early phases of engineering. This reduces risks in later phases but also requires more coordination, design matching, and changes traditional processes. Therefor we present a hybrid management concept based on a combination of the V-Model and agile management. The goal of the concept is to support the implementation of virtual engineering and the required change process using virtual engineering as an example of the digital transformation.

Wireless positioning and ranging methods are being worked upon for traditional indoor locations. We apply WiFi and Bluetooth (BLE 4.0) tracking, categorically for industrial applications, by utilizing handheld mobile devices. Both are tested and evaluated in industrial environments varying in difficulty level. A 2D-positioning is performed using trilateration on WiFi signal transmitters. For Bluetooth tracking the fingerprint method on Received Signal Strength (RSS) is used. Fingerprinting of Bluetooth signals outperforms trilateration of WiFi signals by reducing latency, and enhancing accuracy, confidence on the system and flexibility to place the transmitters with a little economical cost.

The digital twin is a synchronized digital representation of a production system and a major aspect of the current challenges in industrial digitalization. Once considered from beginning of engineering it can be created aside the production system and can produce benefits in engineering and operations. We present a virtual engineering method that utilizes the digital twin and allows required disciplines to work already in parallel in early phases of engineering. This reduces risks in later phases but also requires more coordination, design matching, and changes traditional processes. Therefor we present a hybrid management concept based on a combination of the V-Model and agile management. The goal of the concept is to support the implementation of virtual engineering and the required change process using virtual engineering as an example of the digital transformation.

In this work we propose three applications towards an augmented reality-based machine operator assistance system. The application context is worker training in motor vehicle production. The assistance system visualizes information relevant to any particular procedure directly at the workplace. Mobile display devices in combination with augmented reality (AR) technologies present situational information. Head-mounted displays (HMD) can be used in industrial environments when workers need to have both hands free. Such systems augment the user’s field of view with visual information relevant to a particular job. The potentials of HMDs are well known and their capabilities have been demonstrated in different application scenarios. Nonetheless, many systems are not user-friendly and may lead to rejection or prejudice among users. The need for research on user-related aspects as well as methods of intuitive user interaction arose early but has not been met until now. Therefore, a robust prototypical system was developed, modified and validated. We present image-based methods for robust recognition of static and dynamic hand gestures in real time. These methods are used for intuitive interaction with the mobile assistance system. The selection of gestures (e.g., static vs. dynamic) and devices is based on psychological findings and ensured by experimental studies.

When physicians want to treat vertebral body metastasis with radiofrequency ablations they have to consider many patient-speci c factors, such as the metastasis count and their localization. There is a high interest in robotic-assisted approaches for this type of therapy, because they are hard to plan and execute. In this paper, we present our software prototype to support the planning and intervention execution stages of this therapy. Our work provides a list of nine application requirements, which we derived from interviewing our clinical and technical colleagues. Those requirements, while being tailored to a given setup, are constructed as general as possible to be reusable for di erent con gurations. We focused on three intervention stages, namely image exploration, therapy planning, and intervention execution and mapped them to a systematic application usage design. From there, we combine multiple image and direct volume renderers with superimposed risk structure segmentations and applicator geometry. As a result, we designed a prototype to ful ll our requirements including a discussion of required visualizations and functionalities.

In this paper, a mobile assistance-system is described which supports users in performing manual working tasks in the context of assembling complex products. The assistance system contains a head-worn display for the visualization of information relevant for the workflow as well as a video camera to acquire the scene. This paper is focused on the interaction of the user with this system and describes work in progress and initial results from an industrial application scenario. We present image-based methods for robust recognition of static and dynamic hand gestures in realtime. These methods are used for an intuitive interaction with the assistance-system. The segmentation of the hand based on color information builds the basis of feature extraction for static and dynamic gestures. For the static gestures, the activation of particular sensitive regions in the camera image by the user’s hand is used for interaction. An HMM classifier is used to extract dynamic gestures depending on motion parameters determined based on the optical flow in the camera image.

Wahrend einer neurochirurgischen Intervention muss es dem Operateur moglich sein diagnostische Bilder zu aktualisieren. Bei dem hier verwendeten neurochirurgischen Mikroskop konnen diagnostische Bilder als virtuelle Modelle und Schnittbilder eingeblendet werden, um einen Sichtwechsel zwischen Patient und externen Bildschirmen zu vermeiden. Um eine intraoperative Aktualisierung der Modelle zu ermoglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit das Mikroskop an eine C-Arm-Angiographieanlage uber einen PACS-Server angebunden. Auserdem wird ein effizienter Workflow vorgestellt, der u. a. die Modellgenerierung aus den DICOM-Bildern mit Hilfe der Entwicklungsumgebung MeVisLab vorsieht. Unter Laborbedingungen durchgefuhrte Experimente ergaben eine mittlere Dauer der Modellaktualisierung von maximal 18,5 ± 2,5 min. Die Abweichung der virtuellen Uberlagerung von realen Strukturen im Mikroskop liegt im Wesentlichen im Submillimeterbereich. Das Mikroskopsystem bildet mit diesem Workflow eine solide Forschungsgrundlage fur zukunftige Projekte im Bereich der neurochirurgischen Navigation. Schlusselworte: Augmented Reality, Computer Assisted Surgery, Mikroskop

Die Etablierung neuer Operationsmethoden hangt unter anderem davon ab, welche chirurgischen Eingriffe mit dieser Methode erfolgen konnen und Vorteile fur den Patienten bieten. Eine zentrale Fragestellung bei minimalinvasiven Verfahren ist, ob das Operationsgebiet von einem geplanten Zugang aus erreicht werden kann und ob die dann dort verbleibenden Freiheitsgrade die notwendigen Prozeduren ermoglichen. Dieser Beitrag beschreibt eine Methode, mit der kritische Abstande zwischen Instrumenten und anatomischen Strukturen in Echtzeit bestimmt und quantitativ visualisiert werden konnen. Das Verfahren bildet einen Teil einer virtuellen Testumgebung, mit der Chirurgen zukunftig bei der Erprobung neuer Operationsmethoden und -instrumenten unterstutzt werden sollen. Schlusselworte: Chirurgiesimulation, Visualisierung, Abstandsberechnung 1 Problem Bei der minimal-invasiven Chirurgie (MIC) werden grundlegende fachliche Qualifikationen durch Fortbildungen erlangt, bei denen der Chirurg einem Experten bei MIC-Eingriffen assistiert. Sowohl der Experte als auch der Chirurg in der Fortbildung sind wahrend dieser Zeit im Krankenhausalltag eingebunden. Die Fortbildungszeit hangt damit von geeigneten MIC-relevanten Fallzahlen, aber auch von den Verfugbarkeiten des lernenden Chirurgen und des lehrenden Experten ab. Durch Computersimulatoren kann der Lernfortschritt gemessen und automatisiert bewertet werden [1]. Hierdurch kann die Fortbildungszeit verkurzt werden, da das Training motorischer Fahigkeiten patientenfern und vom Experten unabhangig erfolgen kann. Der primare Trend in der MIC besteht in der Verringerung von Traumata, wodurch die Genesungszeit verkurzt und das kosmetische Ergebnis verbessert werden. Bei der Single-Port Technik (SPT) werden, im Vergleich zur klassischen MIC, das Endoskop sowie die erforderlichen Instrumente nebeneinander durch einen Zugang (meist im Bauchnabel des Patienten) eingefuhrt. Bisher gibt es zur SPT vor allem Berichte einzelner Kliniken, wobei fur eine weite Etablierung die Machbarkeit und die Vorteile fur Patienten wissenschaftlich untersucht werden mussen [2]. Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei, ob durch einen geplanten Zugang das Zielgebiet der Operation erreicht werden kann und ob die dort verbleibenden Freiheitsgrade ausreichen um die notwendigen Prozeduren durchzufuhren. Bisher wird dies durch sukzessive Erweiterung bereits etablierter Operationen beantwortet, wobei die SPT ohne Verfahrenswechsel in eine konventionelle MIC oder in einen offen-chirurgischen Eingriff konvertiert werden kann. Um das Testen von Zugangen, alternativen Zugangswegen und Operationen mit neuen Methoden zu unterstutzen, wird eine VR-Simulation als Testumgebung entwickelt. Die Testumgebung soll den Chirurg bei der Beantwortung derartiger Fragestellungen unterstutzen und dabei potentielle Sicherheitsrisiken aufzeigen. In der Simulation besteht unter anderem die Moglichkeit, vorhandene Instrumente zu variieren, so dass der Chirurg prufen kann, ob Anpassungen vorhandener Instrumente Vorteile fur eine Operation bringen oder diese erst ermoglichen. Zu Beginn kann der Chirurg in der Testumgebung Zugange in einer Volumendarstellung der diagnostischen Bilddaten definieren und vergleichen. Die reine Volumendarstellung wird in weiteren Schritten mit 3-D Modellen der anatomischen Strukturen erganzt. Nach der Definition des Zugangs kann anhand statischer Modelle die Navigation in das Zielgebiet erprobt werden, um kritische Bereiche wahrend der Navigation zu identifizieren. Hierfur wird fur die Instrumente ein kritischer Abstand definiert. Beim Unterschreiten dieses Abstandes soll die noch verbleibende Distanz bis zu einem Kontakt in Echtzeit bestimmt und auf den Oberflachen der betroffenen anatomischen Strukturen visualisiert werden. Zur Bestimmung der Abstande eignen sich keine Verfahren der Kollisionserkennung, da eine Annaherung von Eintreten