Knowledge-based support for surgical workflow analysis and recognition

par Olga Dergachyova

Thèse de doctorat en Traitement du signal et télécommunications

Sous la direction de Xavier Morandi et de Pierre Jannin.

  • Titre traduit

    Assistance fondée sur les connaissances pour l'analyse et la reconnaissance du flux de travail chirurgical


  • Résumé

    L'assistance informatique est devenue une partie indispensable pour la réalisation de procédures chirurgicales modernes. Le désir de créer une nouvelle génération de blocs opératoires intelligents a incité les chercheurs à explorer les problèmes de perception et de compréhension automatique de la situation chirurgicale. Dans ce contexte de prise de conscience de la situation, un domaine de recherche en plein essor adresse la reconnaissance automatique du flux chirurgical. De grands progrès ont été réalisés pour la reconnaissance des phases et des gestes chirurgicaux. Pourtant, il existe encore un vide entre ces deux niveaux de granularité dans la hiérarchie du processus chirurgical. Très peu de recherche se concentre sur les activités chirurgicales portant des informations sémantiques vitales pour la compréhension de la situation. Deux facteurs importants entravent la progression. Tout d'abord, la reconnaissance et la prédiction automatique des activités chirurgicales sont des tâches très difficiles en raison de la courte durée d'une activité, de leur grand nombre et d'un flux de travail très complexe et une large variabilité. Deuxièmement, une quantité très limitée de données cliniques ne fournit pas suffisamment d'informations pour un apprentissage réussi et une reconnaissance précise. À notre avis, avant de reconnaître les activités chirurgicales, une analyse soigneuse des éléments qui composent l'activité est nécessaire pour choisir les bons signaux et les capteurs qui faciliteront la reconnaissance. Nous avons utilisé une approche d'apprentissage profond pour évaluer l'impact de différents éléments sémantiques de l'activité sur sa reconnaissance. Grâce à une étude approfondie, nous avons déterminé un ensemble minimum d'éléments suffisants pour une reconnaissance précise. Les informations sur la structure anatomique et l'instrument chirurgical sont de première importance. Nous avons également abordé le problème de la carence en matière de données en proposant des méthodes de transfert de connaissances à partir d'autres domaines ou chirurgies. Les méthodes de ''word embedding'' et d'apprentissage par transfert ont été proposées. Ils ont démontré leur efficacité sur la tâche de prédiction d'activité suivante offrant une augmentation de précision de 22%. De plus, des observations pertinentes


  • Résumé

    Computer assistance became indispensable part of modern surgical procedures. Desire of creating new generation of intelligent operating rooms incited researchers to explore problems of automatic perception and understanding of surgical situations. Situation awareness includes automatic recognition of surgical workflow. A great progress was achieved in recognition of surgical phases and gestures. Yet, there is still a blank between these two granularity levels in the hierarchy of surgical process. Very few research is focused on surgical activities carrying important semantic information vital for situation understanding. Two important factors impede the progress. First, automatic recognition and prediction of surgical activities is a highly challenging task due to short duration of activities, their great number and a very complex workflow with multitude of possible execution and sequencing ways. Secondly, very limited amount of clinical data provides not enough information for successful learning and accurate recognition. In our opinion, before recognizing surgical activities a careful analysis of elements that compose activity is necessary in order to chose right signals and sensors that will facilitate recognition. We used a deep learning approach to assess the impact of different semantic elements of activity on its recognition. Through an in-depth study we determined a minimal set of elements sufficient for an accurate recognition. Information about operated anatomical structure and surgical instrument was shown to be the most important. We also addressed the problem of data deficiency proposing methods for transfer of knowledge from other domains or surgeries. The methods of word embedding and transfer learning were proposed. They demonstrated their effectiveness on the task of next activity prediction offering 22% increase in accuracy. In addition, pertinent observations about the surgical practice were made during the study. In this work, we also addressed the problem of insufficient and improper validation of recognition methods. We proposed new validation metrics and approaches for assessing the performance that connect methods to targeted applications and better characterize capacities of the method. The work described in this these aims at clearing obstacles blocking the progress of the domain and proposes a new perspective on the problem of surgical workflow recognition.


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