Im Rahmen des 180jährigen Jubiläums der technischen Universität Chemnitz fand am 28. April 2016 das zweite Studierendensymposium der Fakultät Informatik statt. Das Studierendensymposium Informatik richtete sich inhaltlich an alle Themen rund um die Informatik und ihre Anwendungen: Ob Hardware oder Software, ob technische Lösungen oder Anwenderstudien, ob Programmierung oder Verwendung, ob Hardcore-Technik oder gesellschaftliche Fragestellungen – alles, was mit informatischen Lösungen zu tun hat, war willkommen. Das Studierendensymposium Informatik war dabei weder auf die Fakultät Informatik noch auf die TU Chemnitz begrenzt. Es wurden explizit Einreichungen aus thematisch angrenzenden Fächern beworben und Hochschulen der Region in die Planung und Organisation eingebunden. Der Tagungsband enthält die 21 Beitrage, die auf dem Symposium vorgestellt wurden. / In the course of the 180 year anniversary of the Technische Universität Chemnitz the Department of Computer Science held the second Students Symposium on April 18, 2016. The symposium addressed topics related to computer science and its applications: Whether hardware or software, whether technical solutions or user studies, whether programming or use, whether hardcore technology or social issues - everything concerned with computational solutions was welcomed. The Students Symposium included explicitly submissions from thematically adjacent departments and involved universities in the region in planning and organization. The proceedings contain the 21 papers (full and short), which were presented at the symposium.

Das Arbeitsumfeld und die Arbeitsabläufe im Operationssaal werden durch die Einführung neuer technischer Systeme zunehmend komplexer. Dies resultiert in einem erhöhten Aufwand für Konfiguration und Informationssuche und kann den Arbeitsprozess des Chirurgen langwieriger und fehleranfälliger gestalten. Ein situationsangepasstes Verhalten der technischen Systeme kann zur Reduktion dieses zusätzlichen Arbeitsaufwands führen. Chirurgische Arbeitsprozesse sind jedoch durch eine hohe Varianz und schwer quantifizierbare Einflüsse, wie z.B. Patientenanatomie und -pathologie, gekennzeichnet. Im Rahmen der Dissertation werden die Workflowmanagementkonzepte auf die Anforderungen in der Chirurgie angepasst und damit ein Beitrag zur Weiterentwicklung des Operationssaals zu einer kooperativen technischen Arbeitsumgebung geleistet. Informationen über den aktuellen Verwendungskontext eines Medizingerätes, insbesondere über den chirurgischen Arbeitsprozess, sind für die Implementierung von intelligentem Verhalten technischer Systeme erforderlich. Im Fokus der Dissertation stehen dabei drei relevante Aufgabenbereiche für die Umsetzung situationsbezogener Konfiguration der technischen OP-Umgebung: Die formale Modellierung chirurgischer Arbeitsabläufe und ihrer Varianz, die intraoperative Verarbeitung von Prozessinformationen und, basierend darauf, die Implementierung geeigneter Assistenzfunktionen für den Chirurgen und das OP-Personal. Zur Umsetzung eines situationsangepassten Systemverhaltens von Medizingeräten wird ein Workflowinformationssystem (WIS) konzipiert und implementiert. Das WIS stellt prozessbezogene Informationen taxonomisch strukturiert im OP-Netzwerk bereit. Im Rahmen der Arbeit werden basierend darauf Implementierungsstrategien für eine regelbasierte Adaption von Medizingeräten vorgeschlagen. Die entwickel\ten Modellformen und Algorithmen werden anhand klinischer Anwendungsfälle aus der Augen-, der HNO- und der Neurochirurgie mit insgesamt rund zweihundert Aufzeichnungen chirurgischer Prozesse evaluiert. Außerdem werden exemplarische Anwendungen der entwickelten Technologien in Szenarien aus der HNO-Chirurgie im Rahmen eines realitätsnahen Demonstrators umgesetzt. Die Dissertation kombiniert und adaptiert Methoden aus den Bereichen maschinelles Lernen, Workflowmanagement und wissensbasierte Systeme, um Strategien zur Implementierung von workflow-gestützten Mehrwertfunktionen in vernetzten Operationssälen aufzuzeigen. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf der formalen Repräsentation chirurgischer Abläufe und ihrer Varianzen sowie der Realisierung von regelbasiertem, situationsabhängigem Systemverhalten unter Berücksichtigung des erforderlichen Risiko\-managements für Medizingeräte.:1 Introduction 1 1.1 Scopes and aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Background 7 2.1 Today's operating rooms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 Digital operating rooms and integration infrastructures . . . . . . . . . . 10 2.3 Workflows and process modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.1 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.2 Business process modeling approaches . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.3 Workflows in the surgical domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.4 Surgical workflow recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 Knowledge-based systems and context-awareness . . . . . . . . . . . . . 20 2.5 Clinical use cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.1 Eye cataract surgery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.2 Functional Endoscopic Sinus Surgery . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.3 Lumbar discectomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.4 Intracranial tumor removal procedures . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.6 Positioning of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3 Modeling of surgical procedures 31 3.1 General modeling approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.1 Requirements of modeling and intraoperative tracking of surgical procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.2 Multi-perspective workflow modeling . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2 Process instance models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3 Generalized surgical process models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.1 State-transition models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.2 Surgical Workflow Trace Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.3 Adaptive Trace Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Abstract surgical process models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.4.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.2 Modeling method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.3 Technical resource usage modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.5 Discussion on modeling of surgical procedures . . . . . . . . . . . . . . . 54 4 Intraoperative processing and contextual information 57 4.1 Modeling of surgical situations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.1 Model network processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.2 Evaluation of the situation classification . . . . . . . . . . . . . . 59 4.1.3 Discussion of situation classification . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.2 Prediction of forthcoming work steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2.1 Process projection in graph-based models . . . . . . . . . . . . . 68 4.2.2 Evaluation of projection results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.3 Additional information entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.1 Surgical procedure meta information . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.2 Prediction of remaining intervention time . . . . . . . . . . . . . 77 4.4 Surgical process context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5 Framework for workflow-driven surgical assistance 91 5.1 Design of workflow-driven assistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.1.1 System environment and requirements . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.1.2 Risk management considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.1.3 Distributed assistance functionalities . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.2 Workflow Information System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.2.1 Conceptualization of a Workflow Information System . . . . . . . 96 5.2.2 System design and implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2.3 Discussion of the Workflow Information System concept . . . . . 101 5.3 Rule-based automation of OR configuration . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3.1 Infrastructure and interaction patterns . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.3.2 Representation of rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.3.3 OR configuration profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6 Demonstration applications 109 6.1 Process-related data analysis tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.2 Example clinical use case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.2.1 Simulated procedures in the demonstrator . . . . . . . . . . . . . 111 6.2.2 Demonstration setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.3 Workflow recognition under laboratory conditions . . . . . . . . . . . . . 113 6.4 Implemented assistance functionalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.4.1 Information presentation and documentation support . . . . . . . 118 6.4.2 Context-aware adaptation of OR equipment . . . . . . . . . . . . 125 6.5 Distributed context-aware automation in an integrated surgical working environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 6.5.1 Validation of the context-aware applications . . . . . . . . . . . . 131 6.5.2 Example assisted surgical procedure . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7 Conclusion and Outlook 143 7.1 Modeling of surgical procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 7.2 Intraoperative processing and contextual information . . . . . . . . . . . 145 7.3 Context-aware assistance technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Fahrer von motorisierten Zweirädern (MZR) sind im Straßenverkehr besonders gefährdet. Die UDV hat in mehreren Projekten das Unfallgeschehen von MZR untersucht und dabei festgestellt, dass die technischen Möglichkeiten, Mofa-, Moped- und Motorradunfälle zu verhindern oder abzuschwächen, bislang sehr begrenzt sind. Deshalb hat die UDV untersucht, welche zukünftigen technischen Entwicklungen sich positiv auf das Unfallgeschehen auswirken könnten. In der Fachwelt wird in diesem Zusammenhang von Intelligenten Verkehrssystemen (IVS), Intelligent Transport Systems (ITS) oder auch Vehicle-to-X (V2X) Systemen gesprochen. Darunter versteht man alle Systeme der Informations- und Kommunikationstechnologie im Straßenverkehrssektor, die einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Umweltleistung, der Effizienz und der Straßenverkehrssicherheit leisten. Im Rahmen dieser Untersuchung werden darunter intelligente Sicherheitssysteme verstanden, die u. a. mit der Umwelt Informationen austauschen können, um die Sicherheit von MZR zu erhöhen. MZR sind hier alle Arten von motorisierten Zweirädern, vom Mofa über das Moped bis zum Motorrad. Hierzu werden ausgehend vom Unfallgeschehen der amtlichen Statistik die Unfälle mittels der Unfalldatenbank der Versicherer detailliert auf ihre Schwerpunkte hin analysiert. In einem nächsten Schritt werden denkbare intelligente Sicherheitssysteme definiert und den Unfallschwerpunkten per Einzelfalluntersuchung zugeordnet. Abschließend erfolgt eine Bewertung der vielversprechendsten Systeme für MZR. Stellt man die Getötetenstatistik nach Wahl des Verkehrsmittels aus den Jahren 1996 und 2016 gegenüber (Abb. 1), so wird klar, dass der Anteil der getöteten MZRNutzer um nahezu 70 % stieg. Bei den getöteten Pkw- Nutzern hat sich der Anteil im gleichen Zeitraum um etwa 15 Prozentpunkte verringert. Betrachtet man die absolute Anzahl der Getöteten beider Gruppen, so kann man bei den Pkw-Nutzern einen Rückgang von 73 % verzeichnen, während bei MZR-Nutzern ein Rückgang von nur 38 % registriert werden kann. Abb.

Im Rahmen des 180jährigen Jubiläums der technischen Universität Chemnitz fand am 28. April 2016 das zweite Studierendensymposium der Fakultät Informatik statt. Das Studierendensymposium Informatik richtete sich inhaltlich an alle Themen rund um die Informatik und ihre Anwendungen: Ob Hardware oder Software, ob technische Lösungen oder Anwenderstudien, ob Programmierung oder Verwendung, ob Hardcore-Technik oder gesellschaftliche Fragestellungen – alles, was mit informatischen Lösungen zu tun hat, war willkommen. Das Studierendensymposium Informatik war dabei weder auf die Fakultät Informatik noch auf die TU Chemnitz begrenzt. Es wurden explizit Einreichungen aus thematisch angrenzenden Fächern beworben und Hochschulen der Region in die Planung und Organisation eingebunden. Der Tagungsband enthält die 21 Beitrage, die auf dem Symposium vorgestellt wurden. / In the course of the 180 year anniversary of the Technische Universität Chemnitz the Department of Computer Science held the second Students Symposium on April 18, 2016. The symposium addressed topics related to computer science and its applications: Whether hardware or software, whether technical solutions or user studies, whether programming or use, whether hardcore technology or social issues - everything concerned with computational solutions was welcomed. The Students Symposium included explicitly submissions from thematically adjacent departments and involved universities in the region in planning and organization. The proceedings contain the 21 papers (full and short), which were presented at the symposium.

Die stetige Entwicklung intelligenter Sensorsysteme erlaubt die Automatisierung und Verbesserung komplexer Prozess- und Geschäftsentscheidungen in vielfältigen Anwendungsszenarien. Sensoren können zum Beispiel zur Bestimmung optimaler Wartungstermine oder zur Steuerung von Produktionslinien genutzt werden. Ein grundlegendes Problem bereitet dabei die Sensordatenqualität, die durch Umwelteinflüsse und Sensorausfälle beschränkt wird. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Datenqualitätsmodells, das Anwendungen und Datenkonsumenten Qualitätsinformationen für eine umfassende Bewertung unsicherer Sensordaten zur Verfügung stellt. Neben Datenstrukturen zur effizienten Datenqualitätsverwaltung in Datenströmen und Datenbanken wird eine umfassende Datenqualitätsalgebra zur Berechnung der Qualität von Datenverarbeitungsergebnissen vorgestellt. Darüber hinaus werden Methoden zur Datenqualitätsverbesserung entwickelt, die speziell auf die Anforderungen der Sensordatenverarbeitung angepasst sind. Die Arbeit wird durch Ansätze zur nutzerfreundlichen Datenqualitätsanfrage und -visualisierung vervollständigt.

Die stetige Entwicklung intelligenter Sensorsysteme erlaubt die Automatisierung und Verbesserung komplexer Prozess- und Geschäftsentscheidungen in vielfältigen Anwendungsszenarien. Sensoren können zum Beispiel zur Bestimmung optimaler Wartungstermine oder zur Steuerung von Produktionslinien genutzt werden. Ein grundlegendes Problem bereitet dabei die Sensordatenqualität, die durch Umwelteinflüsse und Sensorausfälle beschränkt wird. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Datenqualitätsmodells, das Anwendungen und Datenkonsumenten Qualitätsinformationen für eine umfassende Bewertung unsicherer Sensordaten zur Verfügung stellt. Neben Datenstrukturen zur effizienten Datenqualitätsverwaltung in Datenströmen und Datenbanken wird eine umfassende Datenqualitätsalgebra zur Berechnung der Qualität von Datenverarbeitungsergebnissen vorgestellt. Darüber hinaus werden Methoden zur Datenqualitätsverbesserung entwickelt, die speziell auf die Anforderungen der Sensordatenverarbeitung angepasst sind. Die Arbeit wird durch Ansätze zur nutzerfreundlichen Datenqualitätsanfrage und -visualisierung vervollständigt.

Wir stehen im fächerübergreifenden Dialog inner- und außerhalb der Universität und sind auch Ansprechpartner zu den wichtigen Fragestellungen der Zukunft – sei es in Lehre und Studium, in der Forschung, in der Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses oder im Transfer von Wissen und technologischem Know-how in Wirtschaft und Gesellschaft. Exemplarische Einblicke in die Chemnitzer Arbeit zu Themengebieten, die auf deutscher und europäischer Ebene als zukunftsweisend diskutiert werden, gibt diese Broschüre. / We invite you with this brochure to join us in the dialogue about our shared future.

Die Informatik ist von besonderer Bedeutung für die Gestaltung unser alltäglichen Lebensumstände und ist eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Die Fakultät für Informatik vertritt dieses Fachgebiet umfassend und kompetent mit anwendungsorientierten Schwerpunktsetzungen. In unseren Forschungsschwerpunkten - Eingebettete selbstorganisierende Systeme - Intelligente multimediale Systeme - Parallele verteilte Systeme bieten wir international wettbewerbsfähige Forschung und Entwicklung zu aktuellen Problemstellungen. Unsere Lehre basiert auf dem Leitmotiv der beständigen Erneuerung aus der Forschung. Hieraus abgeleitet bieten wir zeitgemäße Bachelor- und Masterstudiengänge mit hervorragenden Studienbedingungen. Die Fakultät hat den Anspruch eines möglichst persönlichen Umgangs zwischen Lehrkörper und Studenten. Mit der Schriftenreihe „Chemnitzer Informatik Berichte“ geben wir Einblicke in die Forschungspraxis der Fakultät. Dabei werden unterschiedliche Forschungsthemen aus den drei Forschungsschwerpunkten und allen Professuren der Fakultät vorgestellt. / Computer science, as a key technology of the 21th century, has an exceptional impact on our everyday life and living standards. The Faculty of Computer Science represents this scientific field in a comprehensive and proficient manner with an application-orientated choice of topics. In the fields of - Embedded and self-organizing systems - Intelligent multimedia systems - Parallel and distributed systems we offer research and development for current problems and challenges on an internationally competitive level. The guiding principle of our education is the continuous innovation through advances in research. Consequently, we are able to provide modern Bachelor and Master programs with excellent academic conditions. The faculty strives to provide a maximally personal interaction between students and staff. With the series of publications „Chemnitz Computer Science Reports“ we give insigths into the reasearch practice of the faculty. We present different subjects of research from the tree research fields and all of the professorships of the Faculty of Computer Science.

Die Informatik ist von besonderer Bedeutung für die Gestaltung unser alltäglichen Lebensumstände und ist eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Die Fakultät für Informatik vertritt dieses Fachgebiet umfassend und kompetent mit anwendungsorientierten Schwerpunktsetzungen. In unseren Forschungsschwerpunkten - Eingebettete selbstorganisierende Systeme - Intelligente multimediale Systeme - Parallele verteilte Systeme bieten wir international wettbewerbsfähige Forschung und Entwicklung zu aktuellen Problemstellungen. Unsere Lehre basiert auf dem Leitmotiv der beständigen Erneuerung aus der Forschung. Hieraus abgeleitet bieten wir zeitgemäße Bachelor- und Masterstudiengänge mit hervorragenden Studienbedingungen. Die Fakultät hat den Anspruch eines möglichst persönlichen Umgangs zwischen Lehrkörper und Studenten. Mit der Schriftenreihe „Chemnitzer Informatik Berichte“ geben wir Einblicke in die Forschungspraxis der Fakultät. Dabei werden unterschiedliche Forschungsthemen aus den drei Forschungsschwerpunkten und allen Professuren der Fakultät vorgestellt. / Computer science, as a key technology of the 21th century, has an exceptional impact on our everyday life and living standards. The Faculty of Computer Science represents this scientific field in a comprehensive and proficient manner with an application-orientated choice of topics. In the fields of - Embedded and self-organizing systems - Intelligent multimedia systems - Parallel and distributed systems we offer research and development for current problems and challenges on an internationally competitive level. The guiding principle of our education is the continuous innovation through advances in research. Consequently, we are able to provide modern Bachelor and Master programs with excellent academic conditions. The faculty strives to provide a maximally personal interaction between students and staff. With the series of publications „Chemnitz Computer Science Reports“ we give insigths into the reasearch practice of the faculty. We present different subjects of research from the tree research fields and all of the professorships of the Faculty of Computer Science.

Wir stehen im fächerübergreifenden Dialog inner- und außerhalb der Universität und sind auch Ansprechpartner zu den wichtigen Fragestellungen der Zukunft – sei es in Lehre und Studium, in der Forschung, in der Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses oder im Transfer von Wissen und technologischem Know-how in Wirtschaft und Gesellschaft. Exemplarische Einblicke in die Chemnitzer Arbeit zu Themengebieten, die auf deutscher und europäischer Ebene als zukunftsweisend diskutiert werden, gibt diese Broschüre. / We invite you with this brochure to join us in the dialogue about our shared future.