Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen
virtuellen OP-Simulator der vorgenannten Art so weiterzubilden,
dass die Anforderungen an die Simulationsrechnereinheit bezüglich Rechnerleistung
herabgesetzt werden können, wobei
das Instrument innerhalb von zumindest vier Freiheitsgraden bewegbar
sein soll.
Diese
Aufgabe wird von dem eingangs genannten virtuellen OP-Simulator dadurch
gelöst, dass
eine Kontrollsteuereinheit vorgesehen ist, die mit der Simulationsrechnereinheit
und der Instrumenteneingabeeinheit verbunden ist, wobei die Kontrollsteuereinheit
eine erste Schnittstelle aufweist, die eine Kommunikation von Parametern
zwischen Kontrollsteuereinheit und Simulationsrechnereinheit mit einer
Geschwindigkeit im Bereich der Videobildfrequenz bereitstellt, und
eine zweite Schnittstelle aufweist, die eine Kommunikation von Parametern
mit der Instrumenteneingabeeinheit mit einer Geschwindigkeit bereitstellt,
die größer als,
insbesondere ein Vielfaches der Videobildfrequenz ist, und die Instrumenteneingabeeinheit
insgesamt vier Freiheitsgrade erlaubt, Bewegungen des Instruments
innerhalb dieser Freiheitsgrade erfasst, entsprechende Signale an die
Kontrollsteuereinheit liefert und Signale für die Kraft rückkoppelungseinheit
empfängt,
die zumindest teilweise von der Simulationsrechnereinheit generiert werden.
Im
Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff „Parameter" ein (möglicherweise
auch aus mehreren einzelnen Daten sich zusammensetzendes) Datum
zur Beschreibung eines Werts, bspw. Position des Instruments zu
verstehen.
D.h.
mit anderen Worten, dass die zu einem Parameter gehörenden Datensätze mit
einer Frequenz übertragen
werden, die der Videobildfrequenz bzw. einem Vielfachen entsprechen.
Mit
Hilfe der Kontrollsteuereinheit ist es möglich, die Simulationsrechnereinheit
zu entlasten, da eine geringere Menge an Daten pro Zeiteinheit an
die Kontrollsteuereinheit übertragen
werden muss. Das bedeutet dann auch weniger Rechenaufwand für die Erzeugung
dieser Daten. Bei diesen Daten handelt es sich im wesentlichen um
Kraftwerte, die zur Erzeugung der Kraftrückwirkung auf das Instrument
erforderlich sind.
Die
Datenübertragung
von der Kontrollsteuereinheit zu der Instrumenteneingabeeinheit
bzw. der Kraftrückkoppelungseinheit
erfolgt jedoch mit einer sehr viel höheren Geschwindigkeit, so dass
eine realitätsnahe
Kraftrückwirkung
dem Benutzer vermittelt werden kann.
Neben
diesem Vorteil der geringeren Anforderungen an die Simulationsrechnereinheit
besteht ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen virtuellen OP-Simulators
darin, dass das Instrument in zumindest vier Freiheitsgraden bewegt
werden kann, wobei alle Bewegungen von der Instrumenteneingabeeinheit
erfasst werden und für
jede Bewegung eine Kraftrückwirkung
erzeugt werden kann. Die vier Freiheitsgrade sind zwei Kippbewegungen
(x- und y-Richtung; auch „pitch" und „yaw" genannt), eine translatorische
Bewegung des Instruments in und aus der Instrumenteneingabeeinheit
hinein bzw. heraus (z-Richtung; „trans" genannt) und eine Drehbewegung des
Instruments um die eigene Längsachse (auch „roll" genannt).
Damit
lässt der
virtuelle OP-Simulator ein deutlich realitätsnäheres Training als die bekannten OP-Simulatoren
zu.
In
einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste Schnittstelle eine
serielle Schnittstelle, insbesondere eine USB-Schnittstelle.
Damit
ist es möglich,
die an einem PC standardmäßig vorhandene
USB-Schnittstelle zur Kommunikation mit der Kontrollsteuereinheit
zu verwenden. Darüber
hinaus reicht die Übertragungsgeschwindigkeit
einer seriellen Schnittstelle aus, um die erforderliche relativ
geringe Übertragungsgeschwindigkeit
zu erzielen.
Der
Vorteil liegt folglich darin, dass die Anforderungen an die Simulationsrechnereinheit
verringert werden können.
In
einer bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Schnittstelle eine
parallele Schnittstelle.
Dies
hat den Vorteil, dass gegenüber
einer seriellen Schnittstelle eine deutlich höhere Übertragungsgeschwindigkeit
möglich ist,
wobei durch Verwendung einer solchen standardisierten Schnittstelle der
Aufwand gering gehalten werden kann.
In
einer bevorzugten Weiterbildung ist das Instrument proximalseitig
einem Resektoskop mit Optik, Resektionsschlinge und Spülschaft
nachempfunden, und weist ein Stellelement, insbesondere ein Mikrostellelement,
auf, das der Kraftrückkoppelungseinheit
zugeordnet ist und in die axiale Schlingenbewegung eine Kraft einkoppelt,
die einen distalseitigen Gewebewiderstand gegenüber der Schlinge nachbildet.
D.h.
mit anderen Worten, dass mit Hilfe des Stellelements dem Benutzer
bei der Bedienung der Resektionsschlinge beim Berühren und
Greifen von Gewebe ein realitätsnaher
Widerstand vermittelt wird, der bei einer echten Operation durch
den Widerstand des berührten
bzw. des gegriffenen Gewebes ausgeübt werden würde.
Auch
hier ist der Vorteil darin zu sehen, dass eine weitere Steigerung
der "Realitätsnähe" des OP-Simulators
möglich
wird.
In
einer bevorzugten Weiterbildung sind am Spülschaft des Instruments Ventilhähne vorgesehen, die
mit Sensoren zur Erfassung der Ventilhahnbewegung versehen sind,
wobei die von den Sensoren erzeugten Signale über die Kontrollsteuereinheit
an die Simulationsrechnereinheit übertragen werden.
D.h.
mit anderen Worten, dass der erfindungsgemäße virtuelle OP-Simulator auch
die Simulation der Bedienung der Ventilhähne bzw. der diesen zugeordneten
Funktionen ermöglicht.
Die Betätigung eines
Ventilhahns kann beispielsweise die Simulationsrechnereinheit dazu
veranlassen, ein Spülen
zu simulieren und ent sprechend auf einem Monitor darzustellen. Gerade
bei endourologischen Eingriffen kommt es sehr häufig zu spontanen Blutungen,
welche die endoskopische Sicht extrem verschlechtern. Nur durch
eine aktive Spülung
kann die Sicht wieder hergestellt werden.
Auch
hier liegt der Vorteil darin, dass der virtuelle OP-Simulator ein noch
realitätsnäheres Training
erlaubt.
In
einer bevorzugten Weiterbildung sind die elektrischen Leitungen
zur Übertragung
von elektrischen Signalen zu bzw. von dem Instrument über den üblicherweise
vorgesehenen Lichtanschluss geführt. Von
dort aus werden sie entsprechend einem Lichtleiter in einem Schlauch
bis zur Kontrollsteuereinheit geführt.
D.h.
mit anderen Worten, dass die elektrischen Leitungen über den
an einem Instrument vorgesehenen Lichtanschluss in das Innere geführt werden,
so dass das Instrument keine zusätzlichen Öffnungen
etc. benötigt.
Der
Vorteil dieser Maßnahme
liegt darin, dass der Benutzer den Eindruck eines echten Instruments
mit Lichtleiter erhält,
da die Kabelführung,
das Gewicht, die Hebelverhältnisse
etc. dem Originalinstrument entspricht. Die Zuführung der Leitungen an anderen
Stellen würde
dazu führen,
dass die Handhabung des "Trainings"-Instruments sich
gegenüber dem
Original-Instrument verändern
würde.
In
einer bevorzugten Weiterbildung ist der Optik des Instruments ein
endoskopisches Kameradummy zugeordnet, das nach dem Pendelprinzip ausgeführt ist.
D.h.
mit anderen Worten, dass an der Optik des Instruments eine Vorrichtung
vorgesehen ist, die einer endoskopischen Kamera nachempfunden ist, ohne
jedoch optische Elemente aufzuweisen. „Pendelprinzip" heißt in diesem
Zusammenhang, dass der Kamerakörper
aufgrund der Schwerkraft stets nach unten zeigt, auch wenn das Instrument
in seiner Achse („roll") gedreht wird. Dies
führt dazu,
dass der endoskopische Horizont gleich bleibt. Die Anmelderin bietet
bspw. derartige Orginal-Pendelkameras unter der Produktnummer 22210032-3
oder 22210132-3 an.
Der
Vorteil dieser Maßnahme
liegt darin, dass eine weitere Steigerung der Realitätsnähe des OP-Simulators
erreicht wird.
In
einer bevorzugten Weiterbildung erzeugt das Kameradummy Steuersignale,
die der Kontrollsteuereinheit zugeführt werden und bestimmte Funktionen
einer Kamera, insbesondere Fokus, Zoom, betreffen.
Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass zusätzlich
Funktionen über
die Simulationsrechnereinheit simuliert werden können, die bei einer normalen Operation
von der endoskopischen Kamera bereitgestellt werden (es handelt
sich hierbei insbesondere um ein Fokussieren des Bildes und ein
Vergrößern oder
Verkleinern des Bildes).
Auch
mit dieser Maßnahme
lässt sich
vorteilhafterweise die Realitätsnähe des erfindungsgemäßen OP-Simulators
weiter steigern.
In
einer bevorzugten Weiterbildung arbeitet die erste Schnittstelle
mit einer Übertragungsrate
der einzelnen Parameter von 16 bis 60 Hz.
D.h.
mit anderen Worten, dass die Schnittstelle pro Parameter 16 bis
60 Datensätze
bzw. Werte pro Sekunde empfangen bzw. senden kann. Bevorzugt ist
jedoch ein Wert von 50 Hz, d.h. 50 Datensätze bzw. Werte pro Sekunde
und Parameter, was der üblichen
Videobildfrequenz entspricht. Sollen bspw. zwei Parameter übertragen
werden, hat die Schnittstelle insgesamt 100 Datensätze pro
Sekunde (jeweils 50 pro Parameter) zu übertragen
Als
Parameter werden bspw. vier diskrete Signale zur Einstellung der
Kraftrückkoppelung
für die vier
Freiheitsgrade, ein Datensatz für
die Drehrichtungsangabe der Kraftrückkoppelung und ein Datensatz über den
Zustand des Gesamtsystems von der Simulationsrechnereinheit zur
Kontrollsteuereinheit übertragen.
Von
der Kontrollsteuereinheit zur Simulationsrechnereinheit werden als
Parameter bspw. folgende Daten übertragen:
vier Datensätze
mit den Positionsdaten (für
die vier Freiheitsgrade), acht Datensätze aus Instrument und Kamera
und ein Datensatz mit Zustandsgrößen, wie
bspw. Zustand von drei Schaltern in dem Kameradummy, Zustand zweier Fußschalter,
Zustand eines Trokarmoduls der Instrumenteneingabeeinheit (Instrument
im Trokar).
Die
vorgenannten Angaben über
die zu übertragenden
Parameter sind rein beispielhaft und können natürlich verändert und an besondere Bedingungen
angepasst werden.
Der
Vorteil der erfindungsgemäßen geringen Übertragungsrate
liegt darin, dass die Simulationsrechnereinheit für die Datenübertragung
relativ geringe Rechenleistung bereitstellen muss, so dass gegenüber bisherigen
Systemen mehr Rechenleistung für
die eigentliche Simulation, d.h. die Darstellung auf einem Monitor
und die Berechnung von Kraftrückwirkungswerten,
zur Verfügung
steht. Insgesamt können
auf diese Art und Weise übliche
Standardcomputer (PCs) verwendet werden, die üblicherweise mit dem Betriebssystem "Windows" arbeiten, welches
eigentlich nicht für
Echtzeitanwendungen geeignet ist.
In
einer bevorzugten Weiterbildung arbeitet die zweite Schnittstelle
der Kontrollsteuereinheit mit einer Übertragungsrate von etwa 1000
Hz.
D.h.
mit anderen Worten, dass die Schnittstelle 1000 Werte pro Sekunde
an die Instrumenteneingabeeinheit bzw. die Kraftrückkoppelungseinheit übertragen
kann. Der Vorteil liegt darin, dass dem Benutzer ein realitätsnäherer taktiler
Eindruck vermittelt werden kann.
In
einer bevorzugten Weiterbildung ist die Kontrollsteuereinheit dazu
ausgelegt, von der Simulationsrechnereinheit eine Anzahl von Kraftwerten pro
Sekunde für
die Kraftrückkoppelungseinheit
zu empfangen und ein Vielfaches dieser Anzahl von Kraftwerten durch
Interpolation zu berechnen und an die Instrumenteneingabeeinheit
für die
Kraftrückkoppelungseinheit
zu senden.
D.h.
mit anderen Worten, dass die Kontrollsteuereinheit aus den von der
Simulationsrechnereinheit gelieferten Werten eine Viel zahl von Zwischenwerten
berechnet und an die Instrumenteneingabeeinheit übermittelt. Durch diese interpolierten Zwischenwerte
lässt sich
das taktile Empfinden bei der Bedienung des Instruments weiter verbessern.
In
einer bevorzugten Weiterbildung weist die Kraftrückkoppelungseinheit mehrere
Stellelemente auf, die der Instrumenteneingabeeinheit zugeordnet sind
und mit dem Instrument zusammenwirken.
D.h.
mit anderen Worten, dass mehrere Stellelemente vorgesehen sind,
um für
jeden möglichen Freiheitsgrad
der Bewegung des Instruments eine entgegengerichtete Kraft erzeugen
zu können.
Die entsprechenden Stellelemente sind entweder in der Instrumenteneingabeeinheit,
die das Instrument aufnimmt, vorgesehen, oder im Instrument selbst.
Dadurch,
dass für
jeden Freiheitsgrad eine Kraftrückwirkung
vorhanden ist, lässt
sich der OP-Simulator sehr realitätsnah bedienen bzw. lässt ein sehr
realitätsnahes
Training zu.
In
einer bevorzugten Weiterbildung sendet die Simulationsrechnereinheit
etwa 30 Sollkraftwerte pro Sekunde an die Kontrollsteuereinheit,
und die Kontrollsteuereinheit berechnet aus diesen etwa 30 Werten
ein Vielfaches (500–1000)
Werte und sendet diese an die Instrumenteneingabeeinheit.
Diese
Wahl der Einstellung hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft
herausgestellt, um einerseits die Rechenbelastung der Simulationsrechnereinheit
gering zu halten und andererseits die Bedienung des Instruments
so realitätsnah
wie möglich zu
gestalten.
In
einer bevorzugten Weiterbildung ist ein einziges Instrument vorgesehen,
und die Instrumenteneingabeeinheit weist eine einzige Aufnahme für ein Instrument
auf.
Auch
diese Maßnahme
hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Es ist jedoch zu erwähnen,
dass der erfindungsgemäße OP-Simulator
auch für
die Verwendung mehrerer Instrumente mit einer Instrumenteneingabeeinheit,
die mehrere Aufnahmen aufweist, oder mit mehreren Instrumenteneingabeeinheiten
einsetzbar ist.
Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen oder
der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die begleitende Zeichnung näher
beschrieben. Dabei zeigen:
1 ein
schematisches Blockschaltdiagramm eines erfindungsgemäßen virtuellen
OP-Simulators;
2 eine
schematische Darstellung eines Instruments; und
3 eine
schematische Darstellung einer Kamera.
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines virtuellen OP-Simulators
für das
Training von minimal-invasiven Operationen für endourologische Eingriffe
erläutert.
Es versteht sich jedoch, dass der erfindungsgemäße OP-Simulator nicht nur für endourologische
Eingriffe sondern auch für
die Simulation von anderen endoskopischen Eingriffen an menschlichen
oder tierischen Körpern
verwendbar ist. Darüber
hinaus wird nachfolgend als Instrument ein Resektoskop beschrieben,
wobei dies rein beispielhaft verwendet wird. Es versteht sich, dass
auch andere Instrumente einsetzbar sind.
In 1 ist
ein virtueller OP-Simulator für das
Training von minimal-invasiven Operationen für endourologische Eingriffe
in Form eines Blockschaltdiagramms dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet.
Der OP-Simulator 10 umfasst eine Simulationsrechnereinheit 12,
die mit einem oder mehreren Monitoren 14 verbunden ist.
Bei der Simulationsrechnereinheit 12 handelt es sich üblicherweise
um einen Standard-PC 13 und bei den Monitoren 14 um
TFT-Flachbildschirme 15.
Die
Simulationsrechnereinheit 12 umfasst die für den Betrieb
des OP-Simulators 10 erforderliche Software, die üblicherweise
unter dem Betriebssystem "Windows" läuft. Die
Software selbst besteht aus mehreren Modulen, die unterschiedliche
Funktionen erfüllen.
So ist beispielsweise ein Modul dafür zuständig, die Simulationsbilder
zu berechnen und entsprechende Signale an den bzw. die Monitore 14 zu
liefern. Ein anderes Modul ist dafür zuständig, Kraftrückkoppelungswerte
zu berechnen. Schließlich aber
nicht abschließend
ist ein Modul vorhanden, das Daten von realitätsnahen Modellen bestimmter
Organe enthält.
Daneben enthält
dieses Modul beispielsweise die Morphologie, die Position, die Größe sowie die
Anzahl von Tumoren, die nach dem Zufallsprinzip auswählbar sind.
Das Modul dient somit dazu, einen "virtuellen Patienten" zu simulieren. Es versteht sich, dass
die Software weitere Module, beispielsweise für die Datenerfassung bzw. Datenübertragung,
aufweist. Es soll hier jedoch nicht näher darauf eingegangen werden.
Die
Simulationsrechnereinheit 12 ist über eine serielle Datenleitung 17 mit
einer Kontrollsteuereinheit 20 verbunden, deren Funktion
später
im Detail beschrieben wird.
Der
OP-Simulator
10 umfasst ferner eine Instrumenteneingabeeinheit
30,
die zur Aufnahme eines Instruments
40 dient. Die Instrumenteneingabeeinheit
30,
die auch als aktives Trokarmodul (ATM) bezeichnet wird, ist über Datenleitungen
22 ebenfalls mit
der Kontrollsteuereinheit
20 verbunden. Die Instrumenteneingabeeinheit
30 selbst
dient dazu, das Instrument
40 aufzunehmen und eine Bewegung
des selben in eine Vielzahl von Richtungen (Freiheitsgrade) zu ermöglichen.
In
1 sind zur Verdeutlichung Richtungspfeile x, y,
z und r für
die im vorliegenden Fall vier Freiheitsgrade angegeben. Das Instrument
40 lässt sich
innerhalb der Instrumenteneingabeeinheit also in x- und y-Richtung Kippen,
in z-Richtung verschieben (in das Trokarmodul hinein bzw. aus diesem
heraus) und um die eigene Achse drehen (r-Richtung). Allgemein ist
der Aufbau einer solchen Instrumenteneingabeeinheit
30 beispielsweise
in
DE 10 055 294 C2 oder
10 055 292 A1 ausführlich
beschrieben. Zur Vereinfachung wird deshalb auf die vorgenannten
Druckschriften verwiesen und deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme
hiermit in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen.
Kurz
gesagt umfasst die Instrumenteneingabeeinheit eine Mechanikeinheit,
die die Bewegung des Instruments in vier Freiheitsgraden ermöglicht, mehrere
Stellelemente in Form von Motoren für die Kraftrückkoppelung
und Sensoren zur Erfassung der Bewegung des Instruments bzw. dessen
genaue Position. Üblicherweise
werden mehrere inkrementale Drehwinkelgeber als Sensoren verwendet.
Vorzugsweise werden vier Drehwinkelgeber für Rotation in x-Richtung (pitch),
Rotation in y-Richtung (yaw), Rotation in r-Richtung (roll) und
Translation in z-Richtung (trans) eingesetzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
kommen „roll" und „trans" nicht direkt aus
der Instrumenteneingabeeinheit, sondern werden als Funktion zweier
Drehwinkelgeber (DWG2 und DWG3) berechnet, als DWG3 – DWG4 =
roll, und DWG3 – DWG4
= trans.
Die
entsprechenden von den Sensoren erfassten Signale werden dann als
Pulsreihenfolge an die Kontrollsteuereinheit übertragen.
Der
in 1 gezeigte OP-Simulator weist ferner eine Kamera 50 auf,
die dem Instrument 40 zugeordnet ist und als Kameradummy
ohne echte optische Funktion dient. An dieser Stelle sei jedoch
angemerkt, dass die Verwendung einer solchen Kamera 50 in
dem OP-Simulator 10 optional erfolgen kann und kein notwendiger
Bestandteil des Simulators ist. Das Kameradummy 50 ist
einer Pendelkamera (Kamera nach dem Pendelprinzip) nachgebildet,
wie sie von der Anmelderin bspw. unter den Produktnummern 22210032-3 oder 22210132-3
angeboten wird. Zur genauen Erläuterung
der Funktionsweise einer solchen Pendelkamera wird der Einfachheit
wegen auf die entsprechenden druckschriftlichen Unterlagen zu diesen
Kameras verwiesen.
Schließlich umfasst
der OP-Simulator 10 eine Kraftrückkoppelungseinheit 60,
die eine Vielzahl von motorgestützten
Stellelementen aufweist, die in 1 nicht
gezeigt sind. Diese Stellelemente sind entweder in der Instrumenteneingabeeinheit 30 oder im
Instrument 40 selbst vorgesehen. Die eingezeichneten Pfeile 61 sollen
dies andeuten; bei den Pfeilen 61 handelt es sich im Gegensatz
zu den anderen Pfeilen nicht um Datenleitungen, sondern vielmehr um
Zuordnungspfeile.
Besonders
vorteilhaft ist es, für
jeden möglichen
Freiheitsgrad des Instruments 40 ein solches Stellelement
vorzusehen, um der Bewegung des Benutzers unabhängig von der Richtung eine
Kraft entgegenzustellen, um auf diese Weise eine realitätsnähere Simulation
zu ermöglichen.
Der grundsätzliche Aufbau
einer solchen auch als Force Feedback bezeichneten Vorrichtung ist
allgemein bekannt und soll an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt werden.
Die
Kraftrückkoppelungseinheit 60 respektive
die einzelnen Stellelemente empfangen Stellsignale von der Kontrollsteuereinheit 20.
Die
Kontrollsteuereinheit 20 wiederum empfängt Bewegungssignale von der
Instrumenteneingabeeinheit 30 in Form einer Pulsreihenfolge,
die von den Sensoren der Instrumenteneingabeeinheit erzeugt wurden.
Die Kontrollsteuereinheit berechnet auf der Grundlage dieser Pulsreihenfolge
die Position, Orientierung und Geschwindigkeit der Spitze des Instruments 40 und
führt anschließend eine
Koordinatentransformation für
pitch, yaw und trans (z) durch. Diese Positionsdaten (Kugelkoordinaten
und roll) benötigt
die Simulationsrechnereinheit 12, um entsprechende Bilder
für die
Darstellung auf dem Monitor 14 zu berechnen.
Für den Datenaustausch
ist die Kontrollsteuereinheit 20 mit einer ersten Schnittstelle 24 und
einer zweiten Schnittstelle 26 versehen. Die erste Schnittstelle 24 übernimmt
die Kommunikation mit der Simulationsrechnereinheit 12,
während
die zweite Schnittstelle 26 für die Kommunikation mit der
Instrumenteneingabeeinheit 30 und der Kraftrückkoppelungseinheit 60 zuständig ist.
Aufgrund
der hohen erforderlichen Rechenleistung für die eigentliche Simulation,
d.h. die Berechnung und Darstellung der Bilder auf dem Monitor, wird
die Datenübertragung
zwischen Simulationsrechnereinheit 12 und Kontrollsteuereinheit 20 möglichst
gering gehalten. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Datenübertragungsrate
gewählt,
die der Videobildfrequenz entspricht. D.h. mit anderen Worten, dass
bei einer angenommenen Videobildfrequenz von 50 Hz etwa 50 Werte
pro Sekunde und zu übertragenden
Parameter an die Kontrollsteuereinheit 20 übertragen
werden. Bei diesen Werten handelt es sich im Wesentlichen um den
Parameter „Kraftwerte", die für die Stellelemente
der Kraftrückkoppelungseinheit 60 bestimmt
sind.
Darüber hinaus
werden unter anderem ca. 50 Positionsdaten (Parameter „Position") pro Sekunde von
der Kontrollsteuereinheit 20 an die Simulationsrechnereinheit 12 übertragen,
so dass eine realitätsnahe
Darstellung der Bilder ermöglicht
wird.
Es
hat sich gezeigt, dass die USB-Schnittstelle eines herkömmlichen
PCs 13 als Simulationsrechnereinheit 12 geeignet
ist, die vorgenannten Vorgaben bezüglich der Übertragungsrate zu erfüllen. Somit
handelt es sich auch bei der ersten Schnittstelle 24 um
eine USB-Schnittstelle 25.
Da
die Übermittlung
von 30 bis 50 Kraftwerten für
die Stellelemente, insbesondere bei vier oder mehr Freiheitsgraden,
für ein
realitätsnahes
Training zu wenig ist, liefert die zweite Schnittstelle 26 die
Daten mit einer sehr viel höheren
Geschwindigkeit. Als besonders vorteilhaft haben sich beispielsweise 1000
Werte pro Sekunde herausgestellt, wobei selbstverständlich auch
andere Werte denkbar sind. Die Übertragung
der Werte erfolgt hierbei parallel, so dass solch höhere Übertragungsraten
ohne weiteres möglich
sind. Bei der zweiten Schnittstelle 26 handelt es sich
somit um eine parallele Schnittstelle 27.
Zur
Steuerung der Schnittstellen 24, 26 umfasst die
Kontrollsteuereinheit 20 ein Steuerelement 28,
das beispielsweise als Mikroprozessor ausgebildet sein kann. Wie
zuvor erwähnt,
ist die Anzahl der zu der Schnittstelle 24 gesendeten Daten
deutlich geringer als die von der Schnittstelle 26 gesendeten
Daten. Das Steuerelement 28 ist deshalb dafür vorgesehen,
für die
von der Schnittstelle 24 gelieferten Daten eine Vielzahl
von Zwischenwerten durch lineare Extrapolation als Funktion der
aktuellen Krafttendenz (Gradient) zu berechnen und der zweiten Schnittstelle 26 zur Übertragung
zuzuführen.
Diese Berechnung erfolgt auf einem FPGA, der Teil des Steuerelements 28 ist.
Eine
weitere Aufgabe des Steuerelements 28 besteht darin, die
der zweiten Schnittstelle 26 übermittelten Positionsdaten
der ersten Schnittstelle 24 zur weiteren Übertragung
an die Simulationsrechnereinheit 12 zu übermitteln, wobei die Daten
jedoch nicht bearbeitet oder verändert
werden. Selbstverständlich
ist denkbar, diese Daten bei Bedarf auch zu bearbeiten.
An
dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Anzahl der übertragenen
Daten von der Simulationsrechnereinheit 12 zu der Kontrollsteuereinheit 20 sehr
viel geringer ist als die Anzahl der Daten, die zur Steuerung der
Stellelemente der Kraftrückkoppelungseinheit 60 erforderlich
sind. Damit ist es erfindungsgemäß möglich, die
Simulationsrechnereinheit 12 zu entlasten, da der Aufwand
zur Berechnung der Kraftrückkoppelungswerte
reduziert wird. Die damit frei werdende Rechenleistung kann somit
für die
Simulation, d.h. die Bilderzeugung und -darstellung, verwendet werden.
Um
die Simulation insbesondere für
Operationen, wie z.B. Resektion in der Harnblase, so realistisch
wie möglich
zu gestalten, ist das Instrument 40 als proximaler Teil
eines Resektoskops nachgebildet. Eine entsprechende Darstellung
eines solchen Resektoskops ist in 2 enthalten.
Es versteht sich jedoch, dass der OP-Simulator 10 auch
mit anderen Instrumenten verwendet werden kann. Die Darstellung und
nachfolgende Beschreibung eines Resektoskops ist beispielhaft und
nicht beschränkend
gewählt. Auch
andere Instrumente können
mit dem OP-Simulator 10 verwendet werden.
Der
proximale Teil eines Resektoskops ist in 2 schematisch
dargestellt und mit dem Bezugszeichen 70 gekennzeichnet.
Das Resektoskop 70 weist eine Zahnstange 72 auf,
die in einen Trokar der Instrumenteneingabeeinheit 30 eingeführt werden kann.
Dabei greift ein Zahnrad der Instrumenteneingabeeinheit 30 in
die Zahnstange 72 ein und ermöglicht somit, die translatorische
Bewegung innerhalb des Trokars zu erfassen.
Am
proximalen Ende des Resektoskops 70 ist ein Okular 74 vorgesehen,
an das ein Kameragehäuse
anbringbar ist, was nachfolgend noch beschrieben werden wird. Innerhalb
des Okulars 74 ist eine Abtastschräge 76 vorgesehen,
die eine Erfassung der Position, d.h, der relativen Lage der Kamera zu
dem Resektoskop, zulässt.
Das
Resektoskop 70 umfasst ferner einen Schlitten 78,
der durch entsprechende Manipulation durch den Benutzer in Richtung
des Pfeils 79 bewegt werden kann. Eine solche Bewegung
würde bei
einem normalen Resektoskop beispielsweise zu einer Betätigung der
Resektionsschlinge führen.
Die
Bewegung des Schlittens 78 wird auf eine Achse 80 übertragen,
die Bestandteil eines Linear-Potentiometers 82 ist. Die
Bewegung der Achse 80 relativ zu dem Linear-Potentiometer 82 führt zu einer
Veränderung
eines Widerstands, was zur Erfassung der Position des Schlittens 78 verwendet
werden kann.
Der
Schlitten 78 ist ferner mit einer Zahnstange 84 verbunden,
die die Bewegung des Schlittens auf ein Zahnrad 86 überträgt.
Dieses
Zahnrad 86 ist mit einem Stellelement, d.h. einem Motor,
verbunden, der zu der Kraftrückkoppelungseinheit 60 gehört. Mit Hilfe
dieses Stellelements kann über
das Zahnrad 86 die Zahnstange 84 mit einer Kraft
beaufschlagt werden, die der Bewegung des Schlittens 78 entgegengerichtet ist.
Diese Kraft ist für
den Benutzer spürbar
und dient beispielsweise dazu, einen Gewebewiderstand, der einer
Resektionsschlinge entgegengebracht wird, zu simulieren.
Die
für die
Versorgung von Stellelement und Linear-Potentiometer erforderlichen
elektrischen Leitungen werden – in 2 nicht
gezeigt – über einen Lichtanschluss 88 geführt, der
bei jedem Resektoskop vorhanden ist und normalerweise Lichtwellenleiter
aufnimmt.
Das
in 2 gezeigte Resektoskop umfasst ferner eine Zulaufleitung 90 und
eine Ablaufleitung 92, die zum Zuführen bzw. Abführen von
Spülflüssigkeit
dienen. In diesen beiden Leitungen 90, 92 sind jeweils
Ventilhähne 94 bzw. 96 vorgesehen,
die bei einem normalen Resektoskop die Leitungen öffnen bzw.
schließen
können.
Bei dem vorliegenden Resektoskop 70 für den OP-Simulator 10 sind
den beiden Ventilhähnen 94, 96 Mikropotentiometer
zugeordnet, mit deren Hilfe eine Bewegung der Ventilhähne 94, 96 erfasst
werden kann. Die entsprechenden elektrischen Signale, die von diesen
Mikropotentiometern erzeugt werden, werden über die Kontrollsteuereinheit 20 der
Simulationsrechnereinheit 12 zur weiteren Auswertung zugeführt.
Wie
bereits erwähnt,
kann an das Okular 74 ein so genanntes Kameradummy angeschlossen werden.
Ein solches ist schematisch in 3 dargestellt
und mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet. Das Kameradummy 50 umfasst
einen Kamerakopf 102, an dem eine Okularaufnahme 104 drehbar angebracht
ist. Über
diese Okularaufnahme 104 lässt sich das Kameradummy 100 an
das Okular 74 des Resektoskops 70 anschließen. Innerhalb
der Okularaufnahme ist ein Abtaststift 106 vorgesehen,
der mit der Abtastschräge 76 zusammenwirkt.
Mit Hilfe dieses Abtaststiftes ist es möglich, die relative Lage der Kamera
zum Resektoskop zu detektieren.
Das
Kameradummy 50 umfasst ferner einen Fokusdrehknopf 108 sowie
insgesamt drei Drucktasten 110. Während der Fokusdrehknopf 108 im
Bereich des Kamerakopfes 102 vorgesehen ist, sind die drei
Drucktasten 110 im Bereich des Kameragehäuses 112 vorgesehen,
wobei das Kameragehäuse 112 drehbar
ist.
Über den
Fokusdrehknopf 108 sowie die Drucktasten 110 können Signale
erzeugt werden, die über
die Kontrollsteuereinheit 20 zur Simulationsrechnereinheit 12 übertragen
werden. Diese Signale können
zur Veränderung
des Bilds, beispielsweise Fokussieren oder Vergrößern/Verkleinern (Zoomen), verwendet
werden. Insgesamt dient das Kameradummy 50 dazu, die bei
einer Kamera vorhandenen Funktionen realitätsnah nachzubilden.
Bei
dem gezeigten Kameradummy handelt sich wie bereits erwähnt- um
eine Pendelkamera. Dieser Kameratyp ist so ausgebildet, dass das
Kameragehäuse
aufgrund der Schwerkraft stets nach unten zeigt, auch wenn das Instrument 40 in
seiner Achse (r-Richtung)
gedreht wird. Dies führt
dazu, dass der endoskopische Horizont gleich bleibt. Zur Erfassung
der relativen Position Kamera-Okular ist der Abtaststift 106 und
die Abtastschräge 76 vorgesehen.
Bei einer Drehung wird ein entsprechendes Positionsdatum erzeugt
und über
die Kontrollsteuereinheit an den Simulationsrechner übermittelt.
Dort wertet das entsprechende Softwaremodul das Datum aus und verändert in
Antwort darauf gegebenenfalls die Darstellung auf dem Monitor.
Im
Betrieb des in 2 gezeigten Resektoskops wird
eine Vielzahl von Parameter erfasst und zwischen den einzelnen Einheiten 12, 20 und 30 übertragen.
Zu diesen Parametern gehören
bspw.: Vier diskrete Signale zur Einstellung der Kraftrückkoppelung
der einzelnen Stellelemente für
die vier Freiheitsgrade, ein Datensatz für die Drehrichtungsangabe der
Stellelemente der Kraftrückkoppelung und
ein Datensatz über
den Zustand des Gesamtsystems. Diese Parameter werden von der Simulationsrechnereinheit 12 zur
Kontrollsteuereinheit 20 übertragen.
Von
der Kontrollsteuereinheit 20 zur Simulationsrechnereinheit 12 werden
als Parameter bspw. folgende Daten übertragen: vier Datensätze mit
den Positionsdaten (für
die vier Freiheitsgrade), acht Datensätze aus den Potentiometern
bzw. Erfassungselementen von Instrument, Kamera und Ventilhähnen, und
ein Datensatz mit Zustandsgrößen, wie
bspw. Zustand der drei Schalter 110 in dem Kameradummy, Zustand
zweier Fußschalter
(nicht in den Figuren gezeigt), Zustand eines Trokarmoduls der Instrumenteneingabeeinheit
(d.h. Information darüber,
ob ein Instrument im Trokarmodul eingeführt ist).
Weitere
Parameter sind selbstverständlich denkbar.
Ein solcher weiterer Parameter könnte
beispielsweise eine Angabe darüber
sein, welche Art von Instrument im Trokarmodul eingeführt ist.
Hierfür ist
es allerdings erforderlich, das die Instrumenteneingabeeinheit 30 mit
einer Instrumentenerkennung ausgestattet ist. Der in 1 gezeigte
OP-Simulator 10 kann jederzeit um eine solche Instrumentenerkennung
ergänz
werden. Aus Vereinfa chungsgründen
ist diese Möglichkeit
jedoch nicht bildlich dargestellt.
Die Übertragung
der einzelnen Parameter über
die erste Schnittstelle (USB-Schnittstelle) 24 kann in
unterschiedliche Weise erfolgen. In der Praxis hat sich jedoch folgender
Ablauf als besonders vorteilhaft herausgestellt:
Die Simulationsrechnereinheit 12 liest
und schreibt etwa 20 Mal pro Sekunde auf die zu der USB-Schnittstelle
gehörenden
Register. Die Register werden einzeln nacheinander gelesen und beschrieben,
wobei folgende Register in der angegebenen Reihenfolge gelesen werden:
- – Vier
16 Bit Datensätze
betreffend Positionsdaten, nämlich
0: pitch, 1: yaw; 2 – 3:
roll; 2 + 3: trans
- – Acht
16 Bit Datensätze
betreffend analoge Eingänge
(Analog Inputs), nämlich
0,1: Kamerawinkel; 2: Zoom; 3: Fokus; 7: Loop-Depth; 8: WatherFlush;
- – ein
8 Bit Datensatz betreffend digitale Eingänge (Digital input bits), nämlich 1:
is TrokarPlugged; 2: isBlueButton; 3: isWhiteButton; 4: isCuttingHigh; 5:
isCuttingLow.
Als
nächstes
beschreibt die Simulationsrechnereinheit folgende Register in der
angegebenen Reihenfolge:
- – vier 8 Bit Datensätze betreffend
Kraftrückkoppelungswerte
für die
Stellelemente (PWM);
- – ein
4 Bit Datensatz betreffend die Richtung der Kraftrückkoppelung
der einzelnen Stellelemente;
- – ein
4 Bit Datensatz betreffend „Power
Enable".
In
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine einzige
Instrumenteneingabeeinheit 30 vorgesehen. Alternativ ist
es jedoch auch denkbar, zumindest eine weitere Instrumenteneingabeeinheit vorzusehen,
die einen identischen Aufbau besitzen kann. Auf diese Weise könnte ein
Mehrportsystem realisiert werden, das die Simulation einer Operation mit
bspw. zwei Instrumenten ermöglicht.
Weiter
bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, die beiden Instrumenteneingabeeinheiten zueinander
verlagerbar zu halten, so dass der Abstand der beiden veränderbar
wäre. Entsprechend sind
Sensoren vorgesehen, die diesen Abstand erfassen und an die Kontrollsteuereinheit
und die Simulationsrechnereinheit zu übermitteln, so dass die Simulation
entsprechend darauf reagieren kann.
Bei
einem Einsatz von zwei Instrumenteneingabeeinheiten ist es auch
möglich,
eine Instrumentenkollision real zu erfahren, dann wenn die beiden Instrumente
miteinander kollidieren. Reagiert der Benutzer nicht auf diese Kollision
kann es bei entsprechender Krafteinwirkung auch zu Verformungen
der Instrumente kommen.