Real-time acoustic sensing and artificial intelligence for error prevention in orthopedic surgery

doi:10.1038/s41598-021-83506-4

.2021年2月17日；11(1):3993.

doi:10.1038/s41598-021-83506-4。

实时声传感和人工智能在骨科手术差错预防中的应用

马蒂亚斯·塞博尔德^1 2, 史蒂文·莫勒^三, 阿曼多·霍赫^三, 帕特里克·津格^三, 马自达·法沙德^三, 纳西尔·纳瓦布⁴, 菲利普·范斯塔尔^5 三

附属公司

¹德国慕尼黑科技大学计算机辅助医疗程序（CAMP），85748。matthias.seibold@tum.de。
²瑞士苏黎世大学巴尔格里斯特校区巴尔格里斯特大学医院骨科计算机科学研究（ROCS）。matthias.seibold@tum.de。
^三瑞士苏黎世Balgrist大学医院，8008。
⁴德国慕尼黑科技大学计算机辅助医疗程序（CAMP），85748。
⁵瑞士苏黎世大学巴尔格里斯特校区巴尔格里斯特大学医院骨科计算机科学研究（ROCS）。

PMID： 33597615
预防性维修识别码：第7889943页
DOI（操作界面）： 10.1038/s41598-021-83506-4

实时声传感和人工智能在骨科手术差错预防中的应用

马蒂亚斯·塞博尔德等。科学代表. 2021.

.2021年2月17日；11(1):3993.

doi:10.1038/s41598-021-83506-4。

作者

马蒂亚斯·塞博尔德^1 2, 史蒂文·莫勒^三, 阿尔曼多·霍赫^三, 帕特里克·津格^三, 马自达·法沙德^三, 纳西尔·纳瓦布⁴, 菲利普·范斯塔尔^5 三

附属公司

¹德国慕尼黑科技大学计算机辅助医疗程序（CAMP），85748。matthias.seibold@tum.de。
²瑞士苏黎世大学巴尔格里斯特校区巴尔格里斯特大学医院骨科计算机科学研究（ROCS）。matthias.seibold@tum.de。
^三瑞士苏黎世Balgrist大学医院，8008。
⁴德国慕尼黑科技大学计算机辅助医疗程序（CAMP），85748。
⁵瑞士苏黎世大学巴尔格里斯特校区巴尔格里斯特大学医院骨科计算机科学研究（ROCS）。

PMID： 33597615
预防性维修识别码：项目管理委员会7889943
DOI（操作界面）： 10.1038/s41598-021-83506-4

勘误表in

作者更正：实时声学传感和人工智能在骨科手术中用于错误预防。
Seibold M、Maurer S、Hoch A、Zingg P、Farshad M、Navab N、Fürnstahl P。 Seibold M等人。科学报告，2021年4月29日；11(1):9638. doi:10.1038/s41598-021-89241-0。科学报告2021。 PMID：33927336 免费PMC文章。没有可用的摘要。

摘要

在这项工作中，我们开发并验证了一种能够稳健地检测钻孔突破事件的计算机方法，并展示了基于深度学习的声学传感在预防手术失误方面的潜力。骨钻孔是骨科手术的重要组成部分，在邻近软组织过度钻孔时，极有可能损伤重要结构。我们获得了一个数据集，该数据集由钻孔突破序列的结构化音频记录组成，使用定制压电接触式麦克风，在一个实验装置中使用六个人类尸体髋标本。在接下来的步骤中，我们开发了一种基于深度学习的方法，用于快速准确地自动检测钻井突破事件。我们评估了提议的网络的突破检测灵敏度和延迟。在总执行时间为139.29的情况下，性能最好的变体产生了[Formula:see text]%的钻穿检测灵敏度[Formula:see text]。我们解决方案的验证和性能评估表明，在实际实验中，通过基于声学的钻孔突破自动检测，在预防手术错误方面取得了很好的效果，同时速度比外科医生的反应速度快了数倍。此外，我们提出的方法是将基于声学的突破性检测转化为外科应用的一个重要步骤。

PubMed免责声明

利益冲突声明

作者声明没有相互竞争的利益。

数字

图2
使用人体尸体髋部标本的实验装置。两个麦克风用运动录像带固定在标本的皮肤表面，以允许并行同步记录。放置接触传感器(一)在*大转子*以及(b)切口旁边，在骨干位置。

图3
总长度约为1的突破序列 $秒$ ，取自尸体实验期间获得的数据集。通过应用矩形滑动窗口将原始波形分割成帧，并计算梅尔谱图特征。为了更好地说明，本图中的光谱图是使用彩色地图绘制的，然而，本工作实施中使用的特征仅为二维。此外，窗口长度是任意选择的，以获得更好的可视化效果，对于本工作中评估过的窗口来说，窗口长度并不具有代表性，并且要短得多。框架(一)至(**c（c）**)对应于框架中的非突破类(d日)在光谱图中可以看到突破事件。对特征进行了规范化和增强，这在“预处理、特征提取、数据增强”一节中进行了详细描述。在“深度学习模型和训练”一节中引入了一种改进的ResNet-18架构，用于从声谱图特征中对突破性事件进行分类。每个管道级的输出尺寸以红色表示。

图4
矩形滑动窗口长度的归一化混淆矩阵 $L（左） = 4410$ 对应于以下时间范围的样本 $100 毫秒$ ，记录在*大转子*位置。

图5
长度为矩形滑动窗口的归一化混淆矩阵 $L（左） = 4410$ 对应于以下时间范围的样本 $100 毫秒$ ，记录在骨干位置。

图6
流水线执行速度和检测性能与外科医生反应时间相比，测量值在313到358之间 $毫秒$ 随着年龄的增长而退化。执行次数63.84 $毫秒$ , 88.74 $毫秒$ 和139.29 $毫秒$ 对应窗口长度为25 $毫秒$ , 50 $毫秒$ 和100 $毫秒$ 如“窗长比较”一节所述。

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1. Sarker SK，Charles V.手术中的错误。《国际外科杂志》，2005年；3:75–81. doi:10.1016/j.ijsu.2005.04.003。-内政部-公共医学
1. Farshad M，Bauer DE，Wechsler C，Gerber C，Aichmair A.不同复杂性脊柱手术围手术期发病率的风险因素：对1009名连续患者的多变量分析。《脊柱杂志》2018；18:1625–1631. doi:10.1016/j.spinee.2018.02.003。-内政部-公共医学
1. Farshad M，Aichmair A，Gerber C，Bauer DE.脊柱手术围手术期并发症的分类。脊柱杂志2020；20:730–736. doi:10.1016/j.spinee.2019.12.013。-内政部-公共医学
1. Giswold，M.E.、Landry，G.J.、Taylor，L.M.和Moneta，G.L.医源性动脉损伤是动脉创伤日益重要的原因。北太平洋外科协会第90届年会（2003年，美国俄勒冈州波特兰）。
1. Moore AE，Stringer MD.医源性股神经损伤：系统综述。外科无线电。阿纳特。2011;33:649–658. doi:10.1007/s00276-011-0791-0。-内政部-公共医学

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[1] Sarker SK，Charles V.手术中的错误。《国际外科杂志》，2005年；3:75–81. doi:10.1016/j.ijsu.2005.04.003。-内政部-公共医学

[2] Sarker SK，Charles V.手术中的错误。《国际外科杂志》，2005年；3:75–81. doi:10.1016/j.ijsu.2005.04.003。-内政部-公共医学

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[4] Farshad M，Bauer DE，Wechsler C，Gerber C，Aichmair A.不同复杂性脊柱手术围手术期发病率的风险因素：对1009名连续患者的多变量分析。《脊柱杂志》2018；18:1625–1631. doi:10.1016/j.spinee.2018.02.003。-内政部-公共医学

[5] Farshad M，Aichmair A，Gerber C，Bauer DE.脊柱手术围手术期并发症的分类。脊柱杂志2020；20:730–736. doi:10.1016/j.spinee.2019.12.013。-内政部-公共医学

[6] Farshad M，Aichmair A，Gerber C，Bauer DE.脊柱手术围手术期并发症的分类。脊柱杂志2020；20:730–736. doi:10.1016/j.spinee.2019.12.013。-内政部-公共医学

[7] Giswold，M.E.、Landry，G.J.、Taylor，L.M.和Moneta，G.L.医源性动脉损伤是动脉创伤日益重要的原因。北太平洋外科协会第90届年会（2003年，美国俄勒冈州波特兰）。

[8] Giswold，M.E.、Landry，G.J.、Taylor，L.M.和Moneta，G.L.医源性动脉损伤是动脉创伤日益重要的原因。北太平洋外科协会第90届年会（2003年，美国俄勒冈州波特兰）。

[9] Moore AE，Stringer MD.医源性股神经损伤：系统综述。外科无线电。阿纳特。2011;33:649–658. doi:10.1007/s00276-011-0791-0。-内政部-公共医学

[10] Moore AE，Stringer MD.医源性股神经损伤：系统综述。外科无线电。阿纳特。2011;33:649–658. doi:10.1007/s00276-011-0791-0。-内政部-公共医学

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