DE102020121910A1

DE102020121910A1 - Device for simulating, training, teaching and/or evaluating surgical techniques

Info

Publication number: DE102020121910A1
Application number: DE102020121910.5A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2022-02-24
Also published as: WO2022037748A1; DE112021004385A5

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, umfassend, zumindest eine menschliche oder tierische Gewebe nachahmende Matrix, ein aus zumindest zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, insbesondere ein Knochenmodell, welches in der Matrix eingebettet ist, und wenigstens ein optisches Erfassungssystem, wobei das optische Erfassungssystem eine Bewegung der Komponenten, insbesondere bei einem manuellen Eingriff in das Anatomiemodell, verfolgt und auf zumindest einem Anzeigegerät visualisiert.The present invention relates to a device for simulating, training, teaching and/or evaluating surgical techniques, in particular for spinal surgery, comprising at least one matrix imitating human or animal tissue, an anatomy model composed of at least two components, in particular a bone model, which in embedded in the matrix, and at least one optical detection system, with the optical detection system tracking a movement of the components, in particular during manual intervention in the anatomy model, and visualizing it on at least one display device.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, umfassend, zumindest eine menschliche oder tierische Gewebe nachahmende Matrix, ein aus zumindest zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, insbesondere ein Knochenmodell, welches in der Matrix eingebettet ist, und wenigstens ein optisches Erfassungssystem, wobei das optische Erfassungssystem eine Bewegung der Komponenten, insbesondere bei einem manuellen Eingriff in das Anatomiemodell, auf zumindest einem Anzeigegerät visualisiert nach Anspruch 1 sowie ein Trainingskit zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken nach Anspruch 10.The present invention relates to a device for simulating, training, teaching and/or evaluating surgical techniques, in particular for spinal surgery, comprising at least one matrix imitating human or animal tissue, an anatomy model composed of at least two components, in particular a bone model, which in is embedded in the matrix, and at least one optical detection system, wherein the optical detection system visualizes a movement of the components, in particular during a manual intervention in the anatomy model, on at least one display device according to claim 1 and a training kit for simulation, for training, teaching and/or Evaluating surgical techniques according to claim 10.

Das klinische Umfeld stützt sich vorwiegend auf anatomische Ausbildungs- und Lehrmodelle. In der Wirbelsäulenchirurgie zeigt sich die zunehmende Prävalenz von chronischen Rückenschmerzen aufgrund von Bandscheibendegenerationen, skoliotischen Deformitäten oder Frakturen, welche operative Stabilisierungen der Wirbelsäule durch beispielsweise die Platzierung von Pedikelschrauben erforderlich machen. Auch Indikationen wie offene Frakturen mit Weichteilschädigungen, Trümmerfrakturen, Luxationen (Ellbogen, Knie), Arthrodesen, z. B. am Kniegelenk als gelenkübergreifender Fixateur externe, Frakturen der Halswirbelsäule (Halofixateur) oder Kallusdistraktion, evtl. mit Segmenttransport Knochenfrakturen des Skelettsystems machen die Stabilisierung mittels eines Fixateur externe mittels der Durchführung von Pins durch die Haut in den Knochen notwendig.The clinical environment relies primarily on anatomical training and teaching models. In spinal surgery, there is an increasing prevalence of chronic back pain due to disc degeneration, scoliotic deformities or fractures, which necessitate surgical stabilization of the spine, for example by placing pedicle screws. Indications such as open fractures with soft tissue damage, comminuted fractures, dislocations (elbows, knees), arthrodeses, e.g. B. at the knee joint as a joint external fixator, fractures of the cervical spine (halo fixator) or callus distraction, possibly with segment transport Bone fractures of the skeletal system require stabilization with an external fixator by inserting pins through the skin into the bones.

Insbesondere bei der gegenwärtigen thorakolumbalen Pedikelschrauben-Stabilisierung, bei der hauptsächlich Freihand-, Durchleuchtungsführung und stereotaktische Navigation eingesetzt werden, ist die Platzierung von Thorakal-Pedikelschrauben aufgrund der schmälsten Pedikel in der Höhe (T3-T9) und des verringerten Raums zwischen der medialen Grenze des Pedikels und dem Rückenmark mit einem extrem großen Risiko für den Patienten verbunden. Erschwerend kommt hinzu, dass individuell für jeden Patienten die Anatomie des Pedikels beispielsweise durch Skoliose oder eine asymmetrische Kompression der Wirbel gegenüber der normalen Anatomie erheblich verändert sein kann, was eine hohe Herausforderung für die Schraubenplatzierung darstellt. Das Gleiche gilt bei anatomischen Fehlstellungen des gesamten Skelettsystems.In particular, in the current thoracolumbar pedicle screw stabilization, which mainly uses freehand, fluoroscopic guidance and stereotactic navigation, the placement of thoracic pedicle screws is difficult due to the narrowest pedicles in height (T3-T9) and the reduced space between the medial border of the pedicle and the spinal cord are associated with an extremely high risk for the patient. A further complication is that the anatomy of the pedicle can be significantly altered compared to the normal anatomy for each patient, for example due to scoliosis or asymmetric compression of the vertebrae, which poses a great challenge for screw placement. The same applies to anatomical malpositions of the entire skeletal system.

Chirurgen haben daher nur einen relativ geringen Spielraum für Fehler, da insbesondere im Bereich der Wirbelsäule fehlgeleitete Schrauben das Rückenmark und die Gefäße verletzen können. Anhand der standardisierten anatomischen Ausbildungs- und Lehrmodelle sind anatomische Fehlstellungen des Skelettsystems und insbesondere der Wirbelsäule nicht abbildbar, weshalb sich die bekannten Ausbildungs- und Anatomiemodelle nur bedingt bei der Vorbereitung auf einen operativen Eingriff, bei dem Pins oder Schrauben durch die Haut in den Knochen geführt werden, eignen. Zudem ist bei den bekannten Anatomiemodellen nachteilig, dass diese nach einem Trainingseingriff kostenintensiv wieder aufbereitet werden müssen, oder diese sogar nur für das einmalige Training geeignet sind.Surgeons therefore have relatively little room for error, since misguided screws can injure the spinal cord and blood vessels, particularly in the area of the spine. Anatomical malpositions of the skeletal system and in particular the spine cannot be depicted using the standardized anatomical training and teaching models, which is why the known training and anatomy models are only of limited use in preparing for an operative intervention in which pins or screws are inserted through the skin into the bone become, own. In addition, the known anatomy models have the disadvantage that they have to be reprocessed after a training intervention, which is costly, or that they are even only suitable for one-time training.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannten Simulationsmodelle zumindest teilweise zu verbessern. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein operativer Eingriff mittels Durchführung von beispielsweise Schrauben oder Pins durch die Haut in den Knochen individuell geplant und geübt werden kann, wobei insbesondere Deformationen des Skelettapparates berücksichtigt werden können. Zudem ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein wiederverwendbares und damit kostengünstiges Simulationsmodell zu schaffen.It is therefore the object of the present invention to at least partially improve the known simulation models. In particular, the object of the present invention is to create a device with which an operative intervention can be individually planned and practiced by passing screws or pins through the skin into the bones, for example, with deformations of the skeletal apparatus being able to be taken into account in particular. In addition, it is the object of the present invention to create a reusable and therefore cost-effective simulation model.

Die voranstehende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Trainingskit mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.The above object is achieved by a device having the features of claim 1 and by a training kit having the features of claim 10. Further advantages, features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie gemäß Anspruch 1 ermöglicht es dem Chirurgen, ohne Strahlenbelastung zu trainieren und zwar unter annähernd mit der geplanten Operation an einem Patienten identischen Bedingungen. Dies wird erreicht zum einen durch die menschliche oder tierische Gewebe nachahmende Matrix und zum anderen durch ein aus zumindest zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, welches vorteilhaft der Anatomie des Skelettsystems des Patienten individuell nachgebildet.The device according to the invention for simulating, training, teaching and/or evaluating surgical techniques, in particular for spinal surgery according to claim 1, enables the surgeon to train without exposure to radiation under conditions that are approximately identical to the planned operation on a patient. This is achieved on the one hand by the matrix imitating human or animal tissue and on the other hand by an anatomy model composed of at least two components, which advantageously individually reproduces the anatomy of the patient's skeletal system.

Im Sinne eines „Anatomiemodells“ soll gemäß der vorliegenden Erfindung ein Knochenmodell, beispielsweise ein Wirbelsäulenmodell mit oder ohne Bandscheiben verstanden werden. Vorzugsweise ist das Anatomiemodell individuell erstellt, nämlich anhand von bildgebenden Untersuchungsergebnissen am Patienten, beispielsweise durch MRT-, CT-, Röntgen- oder Szintigraphieuntersuchungen. Anhand dieser Untersuchungsergebnisse kann vorzugsweise das individuelle Anatomiemodell erstellt werden, wobei natürlich Deformationen und Fehlstellungen des Skelettapparates abgebildet werden können. Das Anatomiemodell kann beispielsweise in einem 3D-Druckverfahren unter Zugrundelegung der Bilddateien aus den bildgebenden Untersuchungen erstellt und in die gewebenachahmende Matrix eingelegt werden. Die Matrix kann unterschiedliche Konsistenzen und/oder Stoffeigenschaften aufweisen, und in mehreren Schichten erstellt werden, so dass beispielsweise eine obere Hautschicht und eine darunter liegende Gewebeschicht durch die Matrix nachgeahmt werden, um dem Operateur oder dem Schüler die zwischen diesen Schichten unterschiedlichen Widerstände beim Ein- und Durchführen von Schrauben oder Pins plastisch, d.h. originalgetreu, nämlich der Haptik des zu operierenden Patienten entsprechend, vermitteln zu können.According to the present invention, a bone model, for example a spinal column model with or without intervertebral discs, is to be understood as an “anatomical model”. The anatomy model is preferably created individually, namely on the basis of imaging examination results on the patient, for example by MRI, CT, X-ray or scintigraphy examinations. The individual anatomy model can preferably be created on the basis of these examination results, in which case deformations and malpositions of the skeletal apparatus can of course be depicted. The anatomy model can be created, for example, in a 3D printing process based on the image files from the imaging examinations and inserted into the tissue-simulating matrix. The matrix can have different consistencies and/or material properties and can be created in several layers, so that, for example, an upper skin layer and an underlying tissue layer are imitated by the matrix in order to show the surgeon or the student the different resistances between these layers when and the insertion of screws or pins in a plastic manner, ie true to the original, namely in accordance with the haptics of the patient to be operated on.

Um die Führung der Schrauben oder Pins und die Bewegung des Anatomiemodells bei dem trainierten Eingriff auf einem Anzeigegerät darstellen zu können, sind an den Komponenten vorteilhaft Marker angeordnet. Im Falle eines Wirbelsäulen-Anatomiemodells ist an jeder knöchernen Wirbelsäulenkomponente, nämlich an den einzelnen Wirbeln jeweils ein Stab angeordnet, so dass vorteilhaft an jedem Dornfortsatz jedes Wirbels ein Marker angeordnet ist, wobei die Marker sowohl komplett mit dem Anatomiemodell in die Matrix eingebettet sein können oder diese teilweise aus der Matrix nach posterior herausragen können. Die Marker werden vorzugsweise von wenigstens einem optischen Erfassungssystem erfasst, so dass über das Erfassungssystem eine Bewegung der Komponenten, insbesondere bei einem manuellen Eingriff in das Anatomiemodell, anhand der Marker verfolgt und auf zumindest einem Anzeigegerät, wie beispielsweise einem Monitor oder einem Display eines mobilen Gerätes visualisiert werden. Als optisches Erfassungssystem kann beispielsweise eine Kamera eines mobilen elektronischen Gerätes, wie beispielweise die Kamera eines Smartphones oder eines Tablets dienen. Vorteilhaft eignet sich ein Tiefenkamerasystem, über das die Bewegung jeder einzelner knöcherner Wirbelsäulenkomponenten verfolgt werden kann. Es können aber auch mehrere Tiefenkameras aus verschiedenen Positionen relativ zum Anatomiemodell Bilder aufnehmen und im Sinne der vorliegenden als optisches Erfassungssystem umfassend wenigstens zwei Kameras bezeichnet werden. Die Verarbeitung und Visualisierung der gewonnenen Daten kann auf dem mobilen Gerät selbst erfolgen oder über Kabel, Wi-Fi oder andere Datenübertragungswege auf einen externen Monitor gespiegelt werden. Es ist auch denkbar ein externes Kamera- oder Tiefenkamerasystem zu verwenden, das mit einem Computer verbunden ist, und die Anzeige auf dem Monitor des Computers oder auf einem Monitor eines mit dem Computer über ein Netzwerk verbundenen Computers erfolgt, wodurch vorteilhaft ein Training oder eine Simulation an der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch über einem externen Arbeitsplatz verfolgt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch ohne Marker verwendet werden, um ein dreidimensionales physisches Röntgenbild durch Durchleuchtung der transparenten Wirbelsäule in der transparenten Matrix zu erzeugen. Mittels Software Bildnachbearbeitung oder Farbpigmentierung der Matrix oder des Wirbelsäulenmodells kann der Röntgeneffekt noch verstärkt werden. Ohne Marker ist zwar keine virtuelle beliebige im Raum ausgerichtete Ansicht (z.B. axial) bei lediglich beispielsweiser lateraler Aufnahme mittels Kamera möglich, es ist ohne Marker jedoch auch möglich von oben (posterior nach anterior) auch ohne die Kameraaufnahme von oben die Schraubenposition oder Pinposition zu sehen und am Bildschirm die laterale Position zu verfolgen.In order to be able to display the guidance of the screws or pins and the movement of the anatomy model during the trained intervention on a display device, markers are advantageously arranged on the components. In the case of a spinal column anatomy model, a rod is arranged on each bony spinal column component, namely on the individual vertebrae, so that a marker is advantageously arranged on each spinous process of each vertebra, with the markers being either completely embedded in the matrix with the anatomy model or these can partially protrude posteriorly from the matrix. The markers are preferably detected by at least one optical detection system, so that a movement of the components, in particular during manual intervention in the anatomy model, is tracked via the detection system using the markers and on at least one display device, such as a monitor or a display of a mobile device be visualized. For example, a camera of a mobile electronic device, such as the camera of a smartphone or a tablet, can serve as the optical detection system. A depth camera system is advantageously suitable, via which the movement of each individual bony spinal column component can be tracked. However, several depth cameras can also record images from different positions relative to the anatomy model and, in the sense of the present invention, can be referred to as an optical detection system comprising at least two cameras. The data obtained can be processed and visualized on the mobile device itself or mirrored to an external monitor via cable, Wi-Fi or other data transmission paths. It is also conceivable to use an external camera or depth camera system connected to a computer and displaying on the monitor of the computer or on a monitor of a computer connected to the computer via a network, thereby advantageously training or simulating can be followed on the device according to the invention via an external workstation. The device according to the invention can also be used without markers in order to generate a three-dimensional physical X-ray image by transillumination of the transparent spine in the transparent matrix. The x-ray effect can be further intensified by means of software image post-processing or color pigmentation of the matrix or the spinal column model. Without a marker, it is not possible to have any virtual spatially oriented view (e.g. axial) with only an example lateral recording using a camera, but without a marker it is also possible to see the screw position or pin position from above (posterior to anterior) even without the camera recording from above and follow the lateral position on the screen.

Vorzugsweise besteht die Matrix aus zumindest einem reversibel verflüssigbaren und aushärtenden farblosen oder farbigen Material oder einer Kombination aus zumindest zwei der zuvor genannten Materialien. Um eine Wiederverwendung der Matrix nach einem Trainingseingriff, nämlich der Vorbereitung auf eine Operation und zum Zwecke der Schulung, wiederverwenden zu können und um aus der das menschliche oder tierische Gewebe nachahmenden Matrix das verwendete Anatomiemodell entfernen und dieses durch ein neues Modell ersetzen können, ist vorteilhaft zumindest ein Material reversibel verflüssigbar, beispielsweise durch Zufuhr von Hitze oder durch die Zugabe einer Substanz die eine Verflüssigung der Matrix bewirkt. Nach dem Einsetzen des neuen Modells ist das zuvor verflüssigte Material der Matrix vorteilhaft wieder aushärtbar, beispielsweise durch Entzug von Wärme oder durch eine Substanz, die eine Vernetzung oder eine Aushärtung der Matrix bewirkt. Um eine Durchleuchtung der Matrix zu gewährleisten sollte das ausgehärtete Material zumindest teilweise transparent sein. Als weitere Materialien die ergänzend zu dem genannten Material zur Bildung der Matrix eingesetzt werden können sollen die nicht abschließend aufgezählten folgenden Materialien genannt werden, wie beispielsweise Farbpigmente, Stabilisatoren, Weichmacher und beispielsweise Vernetzer.The matrix preferably consists of at least one reversibly liquefiable and hardening colorless or colored material or a combination of at least two of the aforementioned materials. It is advantageous to be able to reuse the matrix after a training intervention, namely to prepare for an operation and for the purpose of training, and to be able to remove the anatomy model used from the matrix imitating human or animal tissue and replace it with a new model at least one material can be reversibly liquefied, for example by supplying heat or by adding a substance which causes the matrix to liquefy. After the new model has been inserted, the previously liquefied material of the matrix can advantageously be hardened again, for example by removing heat or by using a substance that brings about crosslinking or hardening of the matrix. In order to ensure that the matrix is transilluminated, the cured material should be at least partially transparent. The following materials, which are not exhaustively listed, should be mentioned as further materials that can be used in addition to the material mentioned to form the matrix, such as color pigments, stabilizers, plasticizers and, for example, crosslinkers.

Vorzugsweise ist auch das Anatomiemodell zumindest abschnittweise transparent ausgestaltet, um dieses beispielsweise Durchleuchten zu können. Wie auch für die Matrix beschrieben, kann das Anatomiemodell aus einem transparenten Material oder einer Kombination aus zumindest zwei Materialien ausgestaltet sein, wobei zumindest ein Material transparent ist. Als Materialien für das Anatomiemodell eigenen sich in besonders bevorzugter Weise Materialien für den 3D-Druck wie beispielsweise ABS, FDM, Polymilchsäure oder PLA, welches im Gegensatz zu ABS biologisch abbaubar, da es aus nachwachsenden Rohstoffen (Maisstärke) hergestellt wird, PET, PETG, Polycarbonat (PC), Nylon, Hybride Materialien, Alumide, flexible Materialien oder eine Kombination aus den nicht abschließend hier aufgezählten Materialien, also insgesamt alle Materialien oder Kombinationen von Materialien, die für den 3D-Druck geeignet sind. Besonders bevorzugt eignet sich für die transparenten Modelle ein Epoxidharz gemischt mit einem Weichmacher/Flexibilisator. Für die nichttransparenten Knochenfarbigen Modelle kann auch ein Komposit aus farblosem Epoxidharz, Weichmacher und einer Calciumquelle in Pulverform verwendet werden. Für eine Marker getrackte Anwendung in farbiger oder farbloser Matrix spielt es allerdings keine Rolle ob das Wirbelmaterial transparent, milchig oder farbig ist, da sich jede Ansicht virtuell wiedergeben lässt. Ganz besonders vorteilhaft können auch UV aushärtende Flüssigkunststoffe(=Photopolymere) zur Herstellung des Anatomiemodells im 3D Druckverfahren eingesetzt werden, da die mit diesem Material hergestellten Modelle gegenüber den mit oben genannten Materialien hergestellten Modelle eine wesentlich bessere Transparenz aufweisen, wobei auch der massive Kern der mittels Photopolymeren hergestellten Modelle transparent ist. Natürlich ist es für standardisierte oder mittels Bildgebung individualisierte Anatomiemodelle zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch denkbar, dass die Modelle mittels Formgussverfahren oder beispielsweise in einem Fräsverfahren hergestellt werden. In besonderen Fällen kann das Anatomiemodell durchgehend nicht transparent sein, wobei dann anhand des marker trackings die Postion der Wirbelkörper, Instrumente und Implantate am Bildschirm visualisiert werden kann. In einem solchen Sonderfall kann auch die Matrix nicht transparent sein und Durchleuchtung ist nicht notwendig.The anatomy model is preferably also designed to be transparent, at least in sections, in order to be able to transilluminate it, for example. As also described for the matrix, the anatomy model can be made of a transparent material or a combination of at least two materials, with at least one material being transparent. As materials for the anatomy mo dell are particularly suitable for 3D printing materials such as ABS, FDM, polylactic acid or PLA, which in contrast to ABS is biodegradable because it is made from renewable raw materials (corn starch), PET, PETG, polycarbonate (PC) , nylon, hybrid materials, alumide, flexible materials or a combination of the materials not listed here exhaustively, i.e. all materials or combinations of materials that are suitable for 3D printing. An epoxy resin mixed with a plasticizer/flexibilizer is particularly suitable for the transparent models. A composite of colorless epoxy resin, plasticizer and a powdered source of calcium can also be used for the non-transparent bone-colored models. For a marker-tracked application in a colored or colorless matrix, however, it does not matter whether the vortex material is transparent, milky or colored, since every view can be reproduced virtually. UV-curing liquid plastics (= photopolymers) can also be used to particular advantage for the production of the anatomy model in the 3D printing process, since the models produced with this material have a significantly better transparency than the models produced with the materials mentioned above, whereby the solid core of the means Models produced with photopolymers is transparent. Of course, it is also conceivable for standardized or by means of imaging individualized anatomy models for use in the device according to the invention that the models are produced by means of a molding process or, for example, in a milling process. In special cases, the anatomy model may not be completely transparent, in which case the position of the vertebral bodies, instruments and implants can be visualized on the screen using marker tracking. In such a special case, the matrix cannot be transparent either, and transillumination is not necessary.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll der Begriff „Transparenz“ in Bezug auf die Ausbildung der Matrix und des Anatomiemodells vorzugsweise physikalisch verstanden werden, wobei die Durchlässigkeit in Bezug auf elektromagnetische Wellen, insbesondere von Licht verstanden werden soll. Daneben soll der Begriff „Transparenz“ im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als durchscheinend wirkende Elemente einer Bilddatei in einer Computergrafik verstanden werden. Wird anstelle oder zusätzlich zu dem optischen Erfassungssystem auch ein akustisches Erfassungssystem in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt, welches beispielsweise das Setzen der Schrauben oder Pins akustisch unterstützt, wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter dem Merkmal „Transparenz“ die Unterscheidbarkeit aufeinanderfolgender Töne verstanden.For the purposes of the present invention, the term “transparency” should be understood in relation to the design of the matrix and the anatomy model, preferably in a physical sense, with the permeability being understood in relation to electromagnetic waves, in particular light. In addition, the term “transparency” within the meaning of the present invention should also be understood as elements of an image file in a computer graphic that appear translucent. If, instead of or in addition to the optical detection system, an acoustic detection system is also used in the device according to the invention, which acoustically supports the setting of the screws or pins, for example, the “transparency” feature in the context of the present invention means the ability to distinguish between successive tones.

In vorteilhafter Weise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eine Lichtquelle, vorzugsweise eine RGB-LED-Lichtquelle, mit welcher zumindest die transparenten Abschnitte der Matrix oder die transparenten Abschnitte des Anatomiemodells durchleuchtet werden können. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes der transparenten Abschnitte des Anatomiemodells, der transparenten Abschnitte der Matrix und aufgrund der Lichtundurchlässigkeit verwendeter Implantate und Instrumente kann vorteilhaft ein dreidimensionales Röntgenbild des Anatomiemodells visualisiert werden, ohne das tatsächlich Röntgenstrahlen eingesetzt werden. Dies ermöglicht einem Operateur, der es gewohnt ist anhand von Röntgenaufnahmen Schrauben oder Pins zusetzen, in seinem gewohnten Modus zu bleiben, beziehungsweise diesen anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf eine Operation, beispielsweise unter einem Röntgen C-Bogen anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine optische Röntgen-Illusion eines greifbaren plastischen 3D-Anatomiemodells ermöglicht, vorzubereiten, beziehungsweise die Operation anhand der Vorrichtung zu trainieren. Neben der genannten RGB-LED-Lichtquelle können auch andere Arten von Lichtquellen, wie zum Beispiel Halogenlampen, Neonröhre oder andere Leuchtmittel, die das gesamte Farbspektrum aufweisen können, also weiße oder farbige Lichtquellen jeglicher Art, zur Durchleuchtung des Anatomiemodells und der Matrix verwendet werden.The device according to the invention advantageously comprises at least one light source, preferably an RGB LED light source, with which at least the transparent sections of the matrix or the transparent sections of the anatomy model can be transilluminated. Because of the different refractive indices of the transparent sections of the anatomy model, the transparent sections of the matrix and because of the opacity of the implants and instruments used, a three-dimensional X-ray image of the anatomy model can advantageously be visualized without actually using X-rays. This allows a surgeon who is used to using X-rays to insert screws or pins to remain in his usual mode, or uses the device according to the invention to prepare him for an operation, for example under an X-ray C-arm using the device according to the invention, which uses an optical X-ray -Illusion of a tangible plastic 3D anatomical model allows to prepare or train the operation using the device. In addition to the RGB LED light source mentioned, other types of light sources, such as halogen lamps, neon tubes or other light sources that can have the entire color spectrum, i.e. white or colored light sources of any kind, can also be used to x-ray the anatomy model and the matrix.

Zur Verstärkung des optischen Röntgeneffekts kann die Visualisierung auf einem Monitor oder Display vorteilhaft nach vorheriger Bildnachbearbeitung mittels einer Softwarelösung noch verstärkt werden. Soll ein verstärkter optischer Röntgeneffekt bereits im Anatomiemodell bei dessen Durchleuchtung sichtbar sein, ist die Matrix vorteilhaft mittels Farbmitteln gefärbt. Um die bekannten Röntgenaufnahmen naturgetreu nachahmen zu können, ist die Matrix besonders bevorzugt mittels schwarzem Farbmittel geschwärzt oder mittels blauem Farbmittel eingefärbt. Grundsätzlich lassen sich sämtliche kontrastreiche kräftige Farben einsetzen um den Röntgeneffekt noch zu verstärken. Insbesondere auch aufgrund der Softwarenachbearbeitung ist jegliche Färbung der Matrix denkbar, da mittels der Software die Farbe erkennbar und diese einfach virtuell ausgetauscht werden kann. Auch können gefärbte Bereiche der Matrix mittels der Software ausgeblendet werden und durch andere Bildbestandteile oder Hintergründe ersetzt werden.In order to intensify the optical x-ray effect, the visualization on a monitor or display can advantageously be further intensified after prior image post-processing using a software solution. If an intensified optical X-ray effect is already to be visible in the anatomy model when it is transilluminated, the matrix is advantageously colored by means of colorants. In order to be able to imitate the known x-ray images true to nature, the matrix is particularly preferably blackened using a black colorant or colored using a blue colorant. In principle, all high-contrast strong colors can be used to enhance the X-ray effect. Any coloring of the matrix is conceivable, in particular also due to the software post-processing, since the color can be recognized by the software and this can easily be exchanged virtually. Colored areas of the matrix can also be hidden using the software and replaced with other image components or backgrounds.

Um die Herstellung der Matrix für den Anwender zu erleichtern, wird die Matrix vorteilhaft aus einem vorkonfektionierten Stoffgemisch angeboten. Das Stoffgemisch kann dann vorzugsweise durch Zugabe von Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, zu einer Suspension verarbeitet werden, die beispielsweise in einen Wärmebehälter gegossen wird, um dann mittels Energiezufuhr und anschließender Energieabfuhr den Aggregatzustand der Suspension zur Ausbildung der Matrix zu verändern. Natürlich kann der Aggregatzustand der Suspension in die das Körpergewebe nachahmende geleeartige Matrix auch beispielsweise durch Zugabe zumindest eines die Suspension vernetzenden Stoffes oder eines Stoffgemisches und/oder in Verbindung mit einem Weichmacher erfolgen.In order to make it easier for the user to produce the matrix, the matrix is advantageously made of a prefabricated mixture of substances The mixture of substances can then be processed into a suspension, preferably by adding liquid, preferably water, which is poured into a heating container, for example, in order to then change the aggregate state of the suspension to form the matrix by supplying energy and subsequently dissipating energy. Of course, the aggregate state of the suspension in the jelly-like matrix imitating body tissue can also be brought about, for example, by adding at least one substance or a mixture of substances that crosslinks the suspension and/or in conjunction with a plasticizer.

Um eine Wiederverwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ermöglichen, kann das Anatomiemodell bei einer ersten Verwendung der Vorrichtung in die Suspension eingelegt und dann durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen zur Veränderung des Aggregatzustandes der Suspension in die Matrix eingebettet werden. Nach dem Trainieren an dem Anatomiemodell kann dieses vorteilhaft im Ganzen oder auch nur teilweise aus der durch Energiezufuhr oder durch andere Maßnahmen verflüssigten Matrix wieder gehoben und ein neues Anatomiemodell oder teilweise verwendete Teile des zuvor verwendeten Anatomiemodells ausgetauscht und in die verflüssigte Matrix eingelegt werden, um diese dann für ein weiteres Training wieder mit dem eingelegten Anatomiemodell zu verwenden. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden, so dass durch die Wiederverwendung der Matrix die Kosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber den Kosten für die bekannten Vorrichtungen erheblich gesenkt werden können.In order to enable the device according to the invention to be used again, the anatomy model can be placed in the suspension when the device is used for the first time and then embedded in the matrix by the measures described above for changing the aggregate state of the suspension. After training on the anatomy model, this can advantageously be lifted in whole or in part from the matrix liquefied by the supply of energy or by other measures, and a new anatomy model or partially used parts of the previously used anatomy model can be exchanged and placed in the liquefied matrix in order to avoid them can then be used again for further training with the inserted anatomy model. This process can be repeated as often as desired, so that the costs of the device according to the invention can be significantly reduced compared to the costs for the known devices by reusing the matrix.

Ein weiterer Erfindungsaspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Trainingskit zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend wenigstens

- ein oder mehrere Form- und/oder Wärmebehälter,
- zumindest ein aus wenigstens zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, wobei die Komponenten zumindest abschnittsweise aus einem transparenten und/oder farbigen Material ausgestaltet sind,

und

- zumindest eine menschliche oder tierische Gewebe nachahmende transparente Matrix, insbesondere in Form eines Stoffgemisches mit vorgegebenen Mischungsverhältnis.

A further aspect of the present invention is a training kit for simulating, for training, teaching and/or evaluating surgical techniques, in particular for spinal surgery, with the device according to the invention, comprising at least

- one or more mold and/or heat containers,
- at least one anatomy model composed of at least two components, the components being made of a transparent and/or colored material at least in sections,

and

at least one transparent matrix imitating human or animal tissue, in particular in the form of a mixture of substances with a predetermined mixing ratio.

Als Wärmebehälter können beispielsweise bekannte Speisenwärmer verwendet werden oder Wärmebehälter, die wie die bekannten Speisenwärmer aufgebaut sind. Ein Aushärten der verflüssigten Matrix oder der angesetzten Suspension kann vorzugsweise in den Wärmebehälter oder durch Umgießen der verflüssigten Matrix oder der erwärmten Suspension in einen Formkasten in diesem erfolgen. In beiden Fällen ist das Anatomiemodell in dem Wärmebehälter oder in dem Formkasten in die verflüssigte Matrix oder die Suspension eingelegt und wird durch deren Aushärten in die Matrix eingebettet.Known food warmers, for example, or heat containers that are constructed like the known food warmers can be used as warming containers. The liquefied matrix or the prepared suspension can preferably be cured in the heating container or by pouring the liquefied matrix or the heated suspension into a mold box in the latter. In both cases, the anatomy model is inserted into the liquefied matrix or the suspension in the heating container or in the molding box and is embedded in the matrix as it hardens.

Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Trainingskit Marker, die an den Komponenten des Anatomiemodells angeordnet werden können, so dass die Position jeder Komponente anhand eines Erfassungssystems, welches die Marker erfasst, spezifisch anhand des an der Komponente angeordneten Markers bestimmt werden kann.The training kit according to the invention preferably comprises markers which can be arranged on the components of the anatomy model, so that the position of each component can be determined specifically based on the marker arranged on the component using a detection system which detects the markers.

Ein zusätzlicher Erfindungsaspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Anatomiemodell individuell anhand von bildgebenden Untersuchungen hergestellt und in eine das menschliche oder tierische Gewebe nachahmende Matrix eingelegt werden kann. Die Matrix mit dem darin eingelegten Anatomiemodell, also die erfindungsgemäße Vorrichtung, kann vorzugsweise wie folgt hergestellt werden:

In einem ersten Schritt wird ein Wärmebehälter, beispielsweise ein Speisenwärmer, in welchen vorteilhaft auch die Form für die Matrix mit dem darin eingelegten Anatomiemodell platziert wird mit Wasser befüllt. Diese Form, beispielsweise ein Gastrobehälter ist vorteilhaft der Größe des Anatomiemodells angepasst und wird so mittels Wasserbad erhitzt. In einem weiteren Schritt wird diese Form mit dem entsprechenden Anteil an Wasser befüllt, der für das gewünschte Matrixvolumen notwendig ist. Anschließend wird das Stoffgemisch zur Herstellung der Matrix mit dem Wasser in der Form zu einer Suspension verrührt, erhitzt, bis vorteilhaft auf 85°C, und in die noch flüssige Suspension das Anatomiemodell eingelegt. Zur Darstellung des Liquor- oder Spinalkanals in einem Wirbelsäulenmodell, kann im Bereich des Rückenmarks in das Wirbelsäulenmodell noch ein Silikonschlauch, der vorteilhaft mit Flüssigkeit unter Überdruck befüllt ist, geschoben werden. Der Silikonschlauch ist Teil des erfindungsgemäßen Trainingskits bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn als Anatomiemodell ein Wirbelsäulenmodell verwendet wird. Durch Abkühlung der Suspension ändert sich deren Aggregatzustand aus einer flüssigen Suspension in eine gelee- oder galertartige Matrix, die das menschliche oder tierische Gewebe nachahmt. Ist die Matrix aus mehreren Schichten aufgebaut, wird in vorteilhafter Weise auf die mit dem eingebetteten Anatomiemodell verfestigte Matrix eine oder weitere Schichten verflüssigter Matrix aufgetragen und diese aushärten gelassen. Vorteilhaft kann anstelle einer flüssigen zweiten bspw. „Hautschicht“, diese Schicht auch separat in einem eigenen Formkasten oder separat in einem Wärmebehälter hergestellt werden, um diese dann nach dem Aushärten auf eine mit dem eingebetteten Anatomiemodell hergestellte Matrix aufzulegen. Nach der Simulation oder dem Training an dem Anatomiemodell kann dann die separat aufgelegte Schicht wieder abgenommen werden, um die Matrix mit dem darin eingebetteten Modell zu verflüssigen, um das Modell zu ersetzen. Dies hat den Vorteil für den Austausch des Modells, das sich beim Verflüssigen der Matrix sich die aufeinanderfolgenden Schichten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften sich nicht vermischen, wodurch die Matrix und die darauf liegende Schicht mehrmals verwendet werden können. Anstelle der thermischen Einwirkung auf die Suspension bzw. auf die Matrix, kann diese auch wie oben beschrieben chemisch in die unterschiedlichen Aggregatzustände überführt werden. Mit dem in die Matrix eingebetteten Anatomiemodell ist dieses für Trainings- oder Simulationszwecke im Sinne der vorliegenden Erfindung bereit. Nach dem Training, nämlich nach dem Setzen von beispielsweise Pedikelschrauben oder Pins in das Anatomiemodell, kann das zumindest teilweise „verbrauchte“ Anatomiemodell oder auch nur Teile davon durch Verflüssigung der Matrix, wie oben beschrieben, aus der Matrix herausgehoben und durch eine neues Anatomiemodell oder durch neue Komponenten ersetzt werden und die Matrix erneut verwendet werden. Dieser Vorgang findet vorzugsweise in dem Wärmebehälter statt, alternativ kann aber auch eine Formkasten verwendet werden, in den die verflüssigte Matrix oder die Suspension zum Aushärten mit dem darin eingelegten Anatomiemodell gegossen wird. Ist der Formkasten, der Formbehälter oder der Wärmebehälter transparent ausgestaltet, kann die Matrix mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell in diesem verbleiben, um an diesem zu trainieren und um die genannten Röntgeneffekte darzustellen zu können. Ist die Matrix in einem Edelstahl Wärmebad oder Edelstahl Behälter hergestellt, ist es vorteilhaft die Matrix mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell aus dem Bad oder dem Behälter zu nehmen, um daran zu trainieren.

An additional aspect of the present invention is a method for producing the device according to the invention, in which case the anatomy model can be produced individually on the basis of imaging examinations and can be placed in a matrix imitating human or animal tissue. The matrix with the anatomy model inserted therein, i.e. the device according to the invention, can preferably be produced as follows:

In a first step, a heating container, for example a food warmer, in which the mold for the matrix with the inserted anatomy model is advantageously also placed, is filled with water. This shape, for example a gastro container, is advantageously adapted to the size of the anatomy model and is thus heated by means of a water bath. In a further step, this mold is filled with the proportion of water required for the desired matrix volume. The mixture of substances for producing the matrix is then mixed with the water in the mold to form a suspension, heated to advantageously 85° C., and the anatomy model is placed in the still liquid suspension. In order to represent the liquor or spinal canal in a spinal column model, a silicone tube, which is advantageously filled with liquid under overpressure, can be pushed into the spinal column model in the area of the spinal cord. The silicone tube is part of the training kit according to the invention or the device according to the invention if a spinal column model is used as the anatomy model. As the suspension cools, its physical state changes from a liquid suspension to a jelly- or jelly-like matrix that mimics human or animal tissue. If the matrix is made up of several layers, one matrix is advantageously placed on top of the matrix solidified with the embedded anatomy model or further layers of liquefied matrix applied and allowed to harden. Instead of a liquid second e.g. “skin layer”, this layer can advantageously also be produced separately in a separate molding box or separately in a heating container, in order then to place it on a matrix produced with the embedded anatomy model after hardening. After the simulation or training on the anatomy model, the separately applied layer can then be removed again in order to liquefy the matrix with the model embedded therein in order to replace the model. This has the advantage for the exchange of the model that when the matrix liquefies, the successive layers with different physical properties do not mix, which allows the matrix and the layer on top to be used several times. Instead of the thermal action on the suspension or on the matrix, this can also be chemically converted into the different aggregate states as described above. With the anatomy model embedded in the matrix, it is ready for training or simulation purposes within the meaning of the present invention. After the training, namely after placing pedicle screws or pins in the anatomy model, for example, the at least partially "used" anatomy model or just parts of it can be lifted out of the matrix by liquefying the matrix, as described above, and replaced by a new anatomy model or by new components are replaced and the matrix is reused. This process preferably takes place in the heating container, but alternatively a molding box can also be used, into which the liquefied matrix or the suspension is poured for hardening with the anatomy model inserted therein. If the molding box, the mold container or the heating container is designed to be transparent, the matrix with the anatomy model embedded therein can remain in it in order to train on it and to be able to display the X-ray effects mentioned. If the matrix is made in a stainless steel heating bath or stainless steel container, it is advantageous to remove the matrix with the embedded anatomy model from the bath or container in order to train on it.

Um einem Anwender die Herstellung der Matrix zu erleichtern, besteht diese vorteilhaft aus einem vorgefertigten Stoffgemisch, bzw. aus einer Auswahl an Stoffgemischen, welche lediglich in den zuvor mit Wasser befüllten Formbehälter, welcher sich in dem mit Wasser befüllten Wärmebehälter befindet, geschüttet werden müssen. Dabei ist lediglich das Volumenverhältnis des Wassers zu dem Stoffgemisch vom Anwender zu beachten. Das Stoffgemisch muss kurzzeitig in kaltem Wasser oder in kühler Umgebung aufgrund von quellendem Inhaltsstoff aufquellen. Das Quellen kann vorzugsweise wie oben beschrieben durch thermische Einwirkung in einem Wärmebehälter stattfinden. Zusammengefasst muss der Anwender das vorgefertigte Stoffgemisch mit kaltem Wasser vermischen, dieses kurz quellen lassen und dann in selbigem Behälter/Speisenwärmerbehälter erhitzen bis Verflüssigung eintritt. Danach kann das neue Modell eingesetzt werden. Wird die Matrix aus einem transparenten elastischen Kunststoff hergestellt ist diese kühle Umgebung/kühles Wasser selbstredend nicht notwendig. Vorteilhaft, da besonders anwenderfreundlich, kann die fertige Matrix auch direkt geliefert werden mit einem darin eingebetteten ersten Modell. Auf diese Weise erspart sich der Anwender die Erstverarbeitung mit dem Stoffgemisch. Um an deformierten Anatomiemodellen trainieren zu können, können von dem Trainingskit bzw. von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereits verschiedene Pathologiemodelle umfasst sein, wie beispielsweise Pathologiewirbelsäulen mit Osteophyten, Frakturen, Wirbelgleiten oder Skoliosen. Um einen Austausch einzelner Wirbelkörper zu ermöglichen und diese mit den verbleibenden Komponenten des Anatomiemodells zu verbinden, eignen sich vorteilhaft elastische Klebeverbindungen der einzelnen Wirbelkörper an deren Facettengelenken.In order to make it easier for a user to produce the matrix, it advantageously consists of a prefabricated mixture of substances, or a selection of mixtures of substances, which only have to be poured into the mold container previously filled with water, which is located in the water-filled heating container. The user only has to consider the volume ratio of the water to the mixture of substances. The substance mixture must swell briefly in cold water or in a cool environment due to the swelling ingredient. The swelling can preferably take place as described above by thermal action in a heat container. In summary, the user must mix the prefabricated substance mixture with cold water, let it swell briefly and then heat it in the same container/food warmer container until it liquefies. Then the new model can be used. If the matrix is made of a transparent elastic plastic, this cool environment/cool water is of course not necessary. Advantageously, since it is particularly user-friendly, the finished matrix can also be delivered directly with a first model embedded in it. In this way, the user saves the initial processing with the mixture of substances. In order to be able to train on deformed anatomy models, the training kit or the device according to the invention can already include various pathology models, such as pathological spines with osteophytes, fractures, spondylolisthesis or scoliosis. In order to enable an exchange of individual vertebral bodies and to connect them to the remaining components of the anatomy model, elastic adhesive connections of the individual vertebral bodies at their facet joints are advantageously suitable.

Schließlich ist ein weiterer Erfindungsaspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Trainingskits.Finally, a further aspect of the present invention is a method for simulating, training, teaching and/or evaluating surgical techniques using the device according to the invention and/or the training kit according to the invention.

Um hier Wiederholungen bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Trainingskits verwiesen und es wird vollumfänglich auf die Offenbarung durch diese Beschreibung zurückgegriffen und umgekehrt.In order to avoid repetitions here with regard to the advantages of the method according to the invention, reference is made to the description of the advantageous configurations of the device according to the invention and of the training kit according to the invention and the disclosure is fully referred to by this description and vice versa.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele:Preferred embodiments:

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele nur beschreibenden Charakter haben und diese nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.Further measures improving the invention are presented in more detail below with the description of preferred exemplary embodiments of the invention with reference to the figures. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination. It should be noted that the exemplary embodiments shown in the figures are only of a descriptive nature and these are not included are intended to limit the invention in any way.

Es zeigen:

1 in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit in einer Matrix eingebetteten Wirbelsäulenmodell der unteren Wirbelsäule mit Beckengürtel,
2 in einer perspektivischen Darstellung A von vorne und B schräg in Draufsicht von vorne eine Komponente mit Marker, und
3 in einer perspektivischen Ansicht ein verwendetes Trainingskit, dass in einem Wärmebehälter recycelt wird.

Show it:

1 in a perspective view an embodiment of a device according to the invention with a spinal column model of the lower spine with pelvic girdle embedded in a matrix,
2 in a perspective representation A from the front and B obliquely in plan view from the front, a component with a marker, and
3 in a perspective view a used training kit that is recycled in a heat container.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 in Form eines chirurgischen Trainingssimulators. Der chirurgische Trainingssimulator besteht aus einem transparenten oder farbigen Wirbelsäulenanatomie-/Pathologiemodell 1, das in eine transparente oder farbig transparente, menschliches Gewebe nachahmende Matrix 2 eingebettet ist. Jede knöcherne Wirbelsäulenkomponente 7 des Anatomiemodells 1 weist einen Stab auf, an dessen Dornfortsatz 3 jeweils ein Marker 3 (s. Detailansicht 2) angeordnet ist und der Wirbelsäulenkomponente 7 spezifisch zugeordnet werden kann. Die Marker 3 ragen teilweise aus der Matrix 2 nach posterior heraus. Entgegen der Darstellung können die Marker 3 auch in anterior Lage an den Wirbelsäulenkomponenten 7 angeordnet werden. Grundsätzlich ist jede Lage der Marker 3 an der Wirbelsäulenkomponente 7 denkbar, soweit der Marker 3 optisch erfasst werden kann und sich aus der bekannten Position des Markers 3 an der Komponente 7 andere Ansichten der Komponente 7 errechnen und visualisieren lassen. Wie in 2 dargestellt, wird der Marker 3 beispielsweise wie in 2 A mit der Lage der Komponente 7 erfasst bzw. getrackt und diese kann dann wie in der in 2 B dargestellten Position oder Drehung visualisiert werden. Dabei ist jegliche Visualisierung der anhand des Markers 3 getrackten Komponente 7 darstellbar bzw. mittels Software berechenbar. Die Marker 3 sind vorteilhaft durch einen QR-Code oder ein anderes Bildzeichen individualisiert. Ein Tiefenkamerasystem als optisches Erfassungssystem 4 in Form eines mobilen Endgerätes, vorliegend in Form eines Smartphones, ist auf einem Stativ 5 vor dem in die Matrix 2 eingebetteten Anatomiemodell 1 angeordnet. Alternativ zu einem fest positionierten Stativ 5 ist die Anordnung einer auf einer Schiene verfahrbaren Kamera denkbar (hier nicht dargestellt). Mit dem Tiefenkamerasystem 4 kann die Bewegung jeder einzelnen knöchernen Wirbelsäulenkomponente 7 und die Bewegung eines mit einem Marker 3 versehenen Instruments, beispielsweiser einer Schraube oder eines Pins verfolgt werden. Neben dem einen Tiefenkamerasystem 4 können auch weitere Tiefenkameras 4, beispielsweise in Form von mehreren Smartphones montiert werden, die gemeinsam die Bilder der Wirbelsäulenkomponenten 7 und/oder des Instruments anhand der daran angeordneten Marker 3 liefern. 1 shows a device 10 according to the invention in the form of a surgical training simulator. The surgical training simulator consists of a transparent or colored spinal column anatomy/pathology model 1 embedded in a transparent or colored transparent matrix 2 imitating human tissue. Each bony spinal column component 7 of the anatomy model 1 has a rod on whose spinous process 3 there is a marker 3 (see detailed view 2 ) is arranged and can be assigned specifically to the spinal column component 7 . The markers 3 partially protrude from the matrix 2 in a posterior direction. Contrary to what is shown, the markers 3 can also be arranged in an anterior position on the spinal column components 7 . In principle, any position of the marker 3 on the spinal column component 7 is conceivable as long as the marker 3 can be detected optically and other views of the component 7 can be calculated and visualized from the known position of the marker 3 on the component 7 . As in 2 shown, the marker 3 is shown, for example, as in 2 A recorded or tracked with the position of the component 7 and this can then be used as in 2 B shown position or rotation can be visualized. Any visualization of the component 7 tracked using the marker 3 can be displayed or calculated using software. The markers 3 are advantageously individualized by a QR code or another icon. A depth camera system as an optical detection system 4 in the form of a mobile terminal device, in the present case in the form of a smartphone, is arranged on a tripod 5 in front of the anatomy model 1 embedded in the matrix 2 . As an alternative to a fixed stand 5, the arrangement of a camera that can be moved on a rail is conceivable (not shown here). With the depth camera system 4, the movement of each individual bony spinal column component 7 and the movement of an instrument provided with a marker 3, for example a screw or a pin, can be tracked. In addition to the one depth camera system 4, further depth cameras 4, for example in the form of several smartphones, can also be installed, which together supply the images of the spinal column components 7 and/or the instrument using the markers 3 arranged thereon.

Eine Verarbeitung und Visualisierung der gewonnenen Daten kann auf dem Smartphone-Gerät selbst erfolgen oder über Kabel oder Wi-Fi auf einen externen Monitor gespiegelt werden. Alternativ kann die Visualisierung auf einem Computer mit externer Kamera oder Tiefenkamera erfolgen.The data obtained can be processed and visualized on the smartphone device itself or mirrored to an external monitor via cable or Wi-Fi. Alternatively, the visualization can be done on a computer with an external camera or depth camera.

Die Aufnahmen durch die Tiefenkameras 4 folgen dem nachfolgend beschriebenen Grundprinzip. Die oder mehrere Kameras 4 nehmen die laterale Ansicht des Wirbelsäulenmodells auf und tracken die den Wirbelsäulenkomponenten 7 zugeordneten Marker 3 und geben auf dem Anzeigegerät dazu passend eine virtuelle axiale Ansicht der gewünschten Wirbelsäulenkomponente 7 aus.The recordings by the depth cameras 4 follow the basic principle described below. The one or more cameras 4 record the lateral view of the spine model and track the markers 3 assigned to the spine components 7 and output a matching virtual axial view of the desired spine component 7 on the display device.

Diese Umsetzung der lateralen Ansicht in die axiale Ansicht ermöglicht ein besseres Abschätzen wo genau die Pedikelschraube oder ein Pin gesetzt werden müssen. Je nach Wunsch kann die virtuelle laterale oder axiale Ansicht des Wirbelkörper oder -komponenten 7 ein und ausgeblendet werden.This conversion of the lateral view into the axial view enables a better estimation of exactly where the pedicle screw or a pin needs to be set. The virtual lateral or axial view of the vertebral body or component 7 can be faded in and out as desired.

Die Marker 3 geben somit immer die Position eines Wirbelkörpers oder eines Instruments an, an dem vorteilhaft auch ein Marker 3 angeordnet ist. So kann beispielsweise, wie bereits oben beschrieben, auch an einer Pedikelschraube oder an einem Pin, oder an Instrumenten, mit denen ein Eingriff in das Anatomiemodell vorgenommen wird, ein Marker 3 angeordnet werden, der von dem Kamerasystem 4 getrackt werden kann und über ein dazu passendes virtuelles Modell auf dem Anzeigegerät oder einem Bildschirm wiedergegeben werden kann. Spezielle Software unterstütze Einstellungen, wie zum Beispiel die Option [X-Ray] sorgen für einen Schwarz-weiß Filter mit Rauschen und Vignettierung(=image post processing). Natürlich sind auch andere Filter oder Kombinationen von Filtern denkbar, um ein virtuelles Modell vorzugsweise mit visualierten Röntgeneffekt auf einem Anzeigegerät darzustellen.The markers 3 thus always indicate the position of a vertebral body or an instrument on which a marker 3 is advantageously also arranged. For example, as already described above, a marker 3 can also be arranged on a pedicle screw or on a pin, or on instruments with which an intervention in the anatomy model is carried out, which can be tracked by the camera system 4 and via a suitable virtual model can be reproduced on the display device or a screen. Settings supported by special software, such as the [X-Ray] option, ensure a black and white filter with noise and vignetting (=image post processing). Of course, other filters or combinations of filters are also conceivable in order to display a virtual model, preferably with a visualized X-ray effect, on a display device.

Über den Schwarz-weiß oder einen anderen kontrastreichen Filter kann in Kombination mit der transparenten Matrix und dem RGB-Led-Strahler 6 durch unterschiedliche Lichtbrechung zwischen der Matrix 2 und dem transparentem Wirbelsäulenmodell 1 ein realistischer Röntgeneffekt erzielt werden.A realistic X-ray effect can be achieved via the black and white or another high-contrast filter in combination with the transparent matrix and the RGB LED emitter 6 through different light refraction between the matrix 2 and the transparent spine model 1 .

Der Röntgeneffekt entsteht also vorteilhaft beim Durchleuchten der Gewebe nachahmenden Matrix 2 mit weißem, grünem oder blauem Licht und der zu der Brechung des Lichts an der Matrix 2 unterschiedlichen Lichtbrechung am transparenten Wirbelsäulenmodell 1. Wie bereits beschrieben ist dafür der Einsatz sämtlicher Lichtquellen, wie beispielsweise LED, RGB-LED, Halogen oder beispielsweise Neon oder eine Kombination aus den zuvor nicht abschließend aufgezählten Lichtquellen, also weiße oder farbige Lichtquellen jeglicher Art, möglich.The X-ray effect thus advantageously arises when the matrix 2 imitating tissue is illuminated with white, green or blue light and the refraction of the light at the matrix 2 is reduced different light refraction on the transparent spine model 1. As already described, the use of all light sources, such as LED, RGB-LED, halogen or neon, for example, or a combination of the light sources not listed above, i.e. white or colored light sources of any kind, is possible.

Um den Röntgeneffekt noch zu verstärken, kann die transparente Matrix 2 schwarz oder blau oder andersfarbig mittels Farbstoff getönt sein, d.h. schwarz oder blau oder andersfarbig getönt sein. Es können neben den genannten Tönungen sämtliche dunkle, kräftige Tönungen der Matrix 2, beispielsweise in grün oder violett eingesetzt werden. Eine schwarze, blaue oder violette Tönung der Matrix 2 hat den Vorteil, dass die Matrix 2 mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell auch ohne Bildnachbearbeitung und ohne kameraunterstützte Visualisierung wie ein dreidimensionales Röntgenbild zum Anfassen erscheint.In order to intensify the X-ray effect, the transparent matrix 2 can be tinted black or blue or another color by means of a dye, i.e. it can be tinted black or blue or another color. In addition to the shades mentioned, all dark, strong shades of the matrix 2, for example green or violet, can be used. A black, blue or violet tint of the matrix 2 has the advantage that the matrix 2 with the anatomy model embedded therein appears like a three-dimensional X-ray image to touch even without image post-processing and without camera-supported visualization.

Auch über einen bereits näher erläuterten X-Ray Kamera Filter kann ein Röntgeneffekt erzielt werden. In Kombination mit den zuvor genannten Methoden kann der Röntgeneffekt noch verstärkt werden.An x-ray effect can also be achieved using an x-ray camera filter, which has already been explained in more detail. In combination with the methods mentioned above, the X-ray effect can be intensified.

Es ist jedoch nicht zwingend notwendig, die Matrix 2 zu färben, um einen Röntgeneffekt zu erzielen, sondern die transparent ungefärbte Matrix 2 kann auch mittels bspw. lila oder dunkelblauem Licht durchleuchtet werden.However, it is not absolutely necessary to color the matrix 2 in order to achieve an X-ray effect; instead, the transparent, uncolored matrix 2 can also be transilluminated using, for example, purple or dark blue light.

Ein weiterer Röntgeneffekt kann dadurch erzeugt werden, indem der Formkasten, Formbehälter oder der Wärmebehälter dunkelgetönt und von einem LED-Strahler 6 oder einer anderen Lichtquelle durchleuchtet wird. Das in in dem Formkasten, Formbehälter oder Wärmebehälter in einer transparenten Matrix 2 eingebettete transparente Anatomiemodell 1 erscheint dann in einem 3D-Röntgeneffekt.A further X-ray effect can be produced by darkening the mold box, mold container or heating container and illuminating it with an LED emitter 6 or another light source. The transparent anatomical model 1 embedded in a transparent matrix 2 in the molding box, mold container or heat container then appears in a 3D x-ray effect.

Es sind also mehrere Röntgeneffekt-Variationen möglich, wobei eine Verstärkung des Röntgeneffekts vorteilhaft durch eine Kombination aus zumindest zwei der zuvor genannten Methoden zur Erzielung des Röntgeneffekts noch verstärkt werden kann. Zusammenfassend und erfindungsgemäß für die genannten Methoden ist die Tatsache, dass der Röntgeneffekt ohne den Einsatz von Röntgenstrahlung erzielt werden kann.A number of x-ray effect variations are therefore possible, with an intensification of the x-ray effect advantageously being able to be further intensified by a combination of at least two of the aforementioned methods for achieving the x-ray effect. In summary and according to the invention for the methods mentioned is the fact that the X-ray effect can be achieved without the use of X-rays.

Schließlich zeigt 3 das in 1 dargestellte und verwendete Ausführungsbeispiel, das nach dem Training oder der Simulation in einem Wärmebehälter 9 in einem Wasserbad 11 eingesetzten Form 8, die anders als in der Figur dargestellt, die Größe und die Form der Matrix 2 mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell 1 aufweist, recycelt wird. Für das Recycling bzw. die Wiederverwendung der Matrix 2 und das Ersetzen des Anatomiemodells 1 oder nur von einzelnen Komponenten 7, wird das Wärmebad 11 mittels des Wärmebehälters 9 erhitzt, wodurch sich die in den Formbehälter 8 eingelegte Matrix 2 verflüssigt. Nach dem Verflüssigen der Matrix 2, kann das Anatomiemodell 1 oder die verwendeten Komponenten 7 aus der verflüssigten Matrix 2 und dem Formbehälter 8 gehoben werden und können durch ein neues Modell 1 oder neue Komponenten 7 ersetzt werden, indem diese in die flüssige Matrix 2, d.h. in die zu einer Suspension verflüssigten Matrix 2, eingesetzt werden. Durch Beendigung des Erhitzens des Wasserbades 11 mittels des Wärmebehälters 9 oder durch Entfernen des Formbehälters 8 aus dem Wärmebehälter 9 ändert die Matrix 2 den Aggregatzustand von flüssig in fest, so dass das neue Anatomiemodell 1 oder die ausgetauschten Komponenten 7 in die verfestigte Matrix 2 eingebettet sind. Für das nächste Training oder eine Simulation kann nun die verfestigte Matrix 2 mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell 1 aus dem Formbehälter 8 genommen werden. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.Finally shows 3 this in 1 illustrated and used embodiment, which is used after training or simulation in a heat tank 9 in a water bath 11 form 8, which, unlike shown in the figure, has the size and shape of the matrix 2 with the anatomy model 1 embedded therein, is recycled . For the recycling or reuse of the matrix 2 and the replacement of the anatomy model 1 or just individual components 7, the heating bath 11 is heated by means of the heating container 9, as a result of which the matrix 2 placed in the mold container 8 liquefies. After the liquefaction of the matrix 2, the anatomy model 1 or the used components 7 can be lifted out of the liquefied matrix 2 and the mold container 8 and can be replaced by a new model 1 or new components 7 by placing them in the liquid matrix 2, ie in the matrix 2 liquefied to form a suspension. By ending the heating of the water bath 11 by means of the heating container 9 or by removing the mold container 8 from the heating container 9, the matrix 2 changes the state of aggregation from liquid to solid, so that the new anatomy model 1 or the replaced components 7 are embedded in the solidified matrix 2 . The solidified matrix 2 with the anatomy model 1 embedded therein can now be removed from the mold container 8 for the next training session or a simulation. This process can be repeated as often as you like.

Claims

Device (10) for simulating, training, teaching and/or evaluating surgical techniques, in particular for spinal surgery, comprising at least one matrix (2) imitating human or animal tissue, an anatomy model (1) composed of at least two components (7) , in particular a bone model, which is embedded in the matrix (2), and at least one optical detection system (4), wherein the optical detection system (4) a movement of the components (7), in particular during a manual intervention in the anatomy model (1) , tracked and visualized on at least one display device (4).

device after claim 1 , characterized in that markers (3) are arranged on the components (7), the movement of the components (7) being tracked via the detection system (4) using the markers and/or the position of the optical detection or at least one on a display device different positions can be visualized.

Device (10) after claim 1 or 2 , characterized in that the matrix (2) can be formed from at least one reversibly liquefiable and hardening colorless or colored material or a combination of at least two materials, wherein at least one material is reversibly liquefiable and hardenable, and is at least partially transparent, at least after curing.

Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the anatomy model (1) is made transparent at least in sections, in particular made of a transparent material or a combination of at least two materials, with at least one material being transparent.

Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the optical detection system (4) comprises at least one camera and/or a depth camera system, in particular in the form of a smartphone.

Device (10) according to one of the preceding claims, characterized by at least one light source (6) which illuminates the transparent sections of the matrix (2) and/or the transparent sections of the anatomy model (1) in such a way that due to the different refractive indices of the transparent sections of the anatomy model (1), the transparent sections of the matrix (2) and/or the opacity of implants and instruments, a visualized three-dimensional X-ray image of the anatomy model (1) is created.

Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the matrix (2) can be produced from a prefabricated mixture of substances by adding liquid to produce a suspension by supplying energy and subsequently dissipating energy by changing the state of aggregation of the suspension.

Device (10) after claim 7 , characterized in that the anatomy model (1) can be inserted into the suspension or into the matrix (2) liquefied by the supply of energy and/or the anatomy model (1) can be removed from the liquefied matrix (2) in order to replace it with a new one To replace the anatomy model (1) by inserting it into the liquefied matrix (2).

Device (10) after claim 6 , characterized in that the optical X-ray effect of the visualized X-ray image can be enhanced by image post-processing and/or the use of a transparent matrix (2) tinted by a dye.

Training kit for simulating, training, teaching and/or evaluating surgical techniques, in particular for spinal surgery, with at least one device (10) according to one of Claims 1 until 9 , comprising at least - one or more mold containers (8) and/or heat containers (9), - at least one anatomy model (1) composed of at least two components (7), the components (7) being made at least in sections of a transparent and/or colored Material are designed, - at least one human or animal tissue imitating transparent matrix (2), in particular in the form of a mixture of substances with a predetermined mixing ratio.

Training kit, additionally comprising markers (3) for arrangement on the components (7) of the anatomy model (1), the position of each component (7) using a detection system (4) which detects the markers (3), specifically based on the Component (7) arranged marker (3) can be determined and a desired view of the component (7) can be calculated and displayed.