5G-FOUM - 5G based Flexible OR Use and Monitoring

Abstract

Mit der zunehmenden Integration medizinischer Geräte in den klinischen Alltag stellt die fehlende Interoperabilität eine zentrale Herausforderung dar. Zur Lösung dieses Problems wurde 2019 die ISO/IEEE 11073 SDC (Service-oriented Device Connectivity) Standardfamilie eingeführt, die eine herstellerunabhängige, offene Vernetzung medizinischer Geräte ermöglicht. Aufgrund der nicht-deterministischen, TCP-basierten Kommunikation ist der Standard jedoch für zeitkritische Anwendungsfälle wie Closed Loop-Steuerungen oder die chirurgische Navigation nicht geeignet. Im Rahmen des Projekts 5G-FORUM wurde daher untersucht, inwiefern sich die SDC-Standards mit drahtloser, echtzeitfähiger Kommunikation mittels 5G-Campusnetzen und Time-Sensitive Networking (TSN) kombinieren lassen. Ziel war die Demonstration eines interoperablen, drahtlosen Kommunikationssystems unter Einbindung neuer Anwendungen wie Augmented Reality (AR) zur Unterstützung neurochirurgischer Eingriffe. Der gewählte Anwendungsfall fokussierte sich auf die zervikale Dekompression mit navigierter Fixierung, bei der Wirbelkörperanteile entfernt und durch eine Stützstruktur ersetzt werden. Im Projektkontext wurde die bisher TCP-basierte HTTP-Kommunikation durch eine auf UDP basierende QUIC-Übertragung ersetzt, um die Echtzeitfähigkeit zu ermöglichen. Darüber hinaus wurden drahtlose medizintechnische Geräte und AR-basierte Interaktionssysteme, unter anderem zur Robotersteuerung, entwickelt und integriert. Die Evaluation im 5G-Campusnetz zeigte weiteres Optimierungspotenzial, bestätigte jedoch die grundsätzliche Machbarkeit und bildet die Basis für weiterführende Forschung und Entwicklung. With the increasing integration of medical devices into everyday clinical practice, the lack of interoperability is a key challenge. To solve this problem, the ISO/IEEE 11073 SDC (Service-oriented Device Connectivity) standard family was introduced in 2019, which enables manufacturer-independent, open networking of medical devices. However, due to the non-deterministic, TCP based communication, the standard is not suitable for time-critical applications such as closed-loop controls or surgical navigation. The 5G-FORUM project therefore investigated the extent to which SDC standards can be combined with wireless, real-time communication using 5G campus networks and Time-Sensitive Networking (TSN). The aim was to demonstrate an interoperable, wireless communication system with the integration of new applications such as augmented reality (AR) to support neurosurgical interventions. The selected use case focused on cervical decompression with navigated fixation, in which parts of the vertebral body are removed and replaced with a support structure. In the project context, the previously TCP-based HTTP communication was replaced by a UDP-based QUIC transmission to enable real-time capability. In addition, wireless medical devices and AR based interaction systems, including for robot control, were developed and integrated. The evaluation in the 5G campus network showed further potential for optimization, but confirmed the fundamental feasibility and forms the basis for further research and development.