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Die
Erfindung betrifft ein Simulationssystem mit einem anatomisch nachgebildeten
realen Trainings- und Testphantom für die Human- und Veterinärmedizin
zur Verwendung bei der Ausbildung von Chirurgen und zur Erprobung
von komplizierten operativen Eingriffen vor der eigentlichen Operation
zur Erhöhung
der Erfolgschancen eines operativen Eingriffs in verschiedenen chirurgischen
Disziplinen.
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Bekannte
Lösungen
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Zur
Ausbildung von Chirurgen und zum vorherigen Erproben von komplizierten
chirurgischen Eingriffen vor der eigentlichen Operation sind verschiedene
Evaluations- und
Trainingsverfahren bekannt, bei denen Phantome verwendet werden.
Diese Phantome werden auf Grund ihres Aufbaus in Systeme mit einem
hauptsächlich
rein technischen und einem vorzugsweise anatomischen Charakter unterschieden.
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1. Phantom-Systeme mit
rein technischem Charakter
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Weltweit
existiert eine Vielzahl von Phantom-Systemen, die einen rein technischen
Charakter besitzen. Es handelt sich dabei um anwendungsspezifische
Insellösungen,
da sie meist nur für
ein spezielles Aufgabengebiet konzipiert wurden. Diese Phantome
werden für
die Evaluation von chirurgischen Instrumenten und Technologien eingesetzt
und sind insbesondere für
die Messung von Genauigkeiten geeignet.
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Aus
Hassfeld, S.; Mühling,
J.: "Comparitive examination
of the accuracy of a mechanical and an optical system in CT and
MRT based instrument navigation" In:
Int. Journal Oral Maxillofac. Surg. (2000), Nr. 29, S. 400–407, ist
ein Kunststoff-Phantom zur Evaluation der Genauigkeit von optischen
und mechanischen Navigationssystemen bekannt. Für die Evaluation der Navigationsgenauigkeit
wurden sowohl verschiedene Computertomographie- und Magnetresonanztomographie-Protokolle
verwendet, als auch unterschiedliche Registrierungsmethoden (Titan-Schrauben,
Klebemarker) betrachtet. In dem Phantom sind zylindrische Körper angebracht,
deren Spitzen die Zielpunkte eines navigiert geführten Instruments darstellen.
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Um
die Registriergenauigkeit zu evaluieren, werden drei Marker verwendet,
die nahe aneinander liegen und drei weitere Marker, deren Abstand
größer ist.
Für die
Evaluation der Navigationsgenauigkeit werden in drei Ebenen die
maximalen Abweichungen des Fadenkreuzes von den Zylinderspitzen
gemessen und auf einem Monitor angezeigt.
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Aus
Strauß,
G; Koulechov, K.; Richter, R.; Dietz, A.; Meixensberger, J.; Trantakis,
C.; Lüth,
T.: Navigated Control: Ein neues Konzept für die Computer-Assistierte-HNO-Chirurgie. In: Oto-Rhino-Laryngologie,
unpublished, ist weiterhin eine Lösung mit einer Evaluation eines
navigiert-kontrollierten Shavers bekannt. Diesem Projekt liegt die
Idee zugrunde, ein mechatronisches System für die FESS (Functional endoscopic
sinus surgery) in der HNO-Chirurgie zu implementieren. Bei diesem
Verfahren wird der Antrieb eines Shavers in Abhängigkeit von der aktuellen
Shaver-Position gesteuert. Das präoperativ geplante Volumen wird
mit 5 technischen Kunststoff-Modellen überprüft, in denen vorher Blumensteckmasse
als zu entfernendes Material eingebracht wurde. Das Ist-Volumen
wurde mit einer 3D-Koordinatenmeßmaschine (Faro-Arm von Faro Technologies
Inc.) vermessen.
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Die
Nachteile dieser Phantom-Systeme mit technischem Charakter bestehen
vor allem darin, dass sie speziell für ein Anwendungsgebiet entwickelt
wurden. Dabei handelt es sich zumeist um Insellösungen. Es existieren weltweit
keine standardisierten Phantome, mit denen Untersuchungsreihen von
klinischen Einrichtungen verglichen werden können. Beim Einsatz von Phantom-Systemen
mit rein technischem Charakter kann aufgrund der nicht-anatomischen
Darstellung des OP-Situs der chirurgische Eingriff nicht unter realen
Umgebungsbedingungen durchgeführt
werden (z.B. Lage auf dem OP-Tisch, Handhabung der Instrumente usw.).
Außerdem
können
während
des Eingriffs keine Aussagen über möglicherweise
verletzte Risikostrukturen getroffen werden. Da das Phantommaterial
nicht die mechanischen Eigenschaften des Gewebes besitzt, entsprechen
Bohr- oder Fräsprozesse
nicht den realen Bedingungen. Ein weiterer Nachteil der fehlenden
anatomischen Darstellung ist das nicht Vorhandensein anatomischer
Landmarken zur räumlichen
Orientierung.
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2. Phantom-Systeme
mit anatomischem Charakter
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Um
chirurgische Eingriffe so realistisch wie möglich zu simulieren, werden
vereinzelt auch Phantom-Systeme verwendet, welche die Anatomie hinreichend
genau nachbilden. Auch bei diesen Systemen handelt es sich meist
um punktuelle Lösungskonzepte,
die einen überregionalen
Vergleich von Untersuchungsreihen nicht zulassen.
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So
ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 88/06329 ein Augenphantom
für das
Training operativer Techniken zur Entfernung der Augenlinse und
Einbringung einer künstlichen
Linse bekannt. Die modularen Komponenten dieses ophthalmologischen
Systems wurden aus gewebeäquivalenten Kunststoffen
gefertigt.
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Weiterhin
ist aus der Patentschrift
US 6,780,016
B1 ein Operationstrainer bekannt, der einzelne Gewebsschichten
und Organe simuliert. Er besteht aus 3 Bereichen für die Durchführung bestimmter
chirurgischer Aufgaben. Dazu gehören
der abdominale Bereich, der Thorax und der Nacken. Organe können mit
Flüssigkeit
gefüllt
werden, um reale Bedingungen zu simulieren.
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Zur
Verbesserung der Hand-Auge Koordination ist außerdem aus der Druckschrift
US 5,403,191 ein Endoskopie-Trainer
bekannt. Der Grundkörper
ist eine Plastik-Box, in die Objekte eingebracht werden, die wiederum
menschliche Organe nachbilden. Endoskopische Instrumente, mit denen
ein operativer Eingriff simuliert wird, werden in die Box eingeführt. Die
Darstellung des Endoskopbildes erfolgt über einen Monitor oder über reflektierende
Spiegel.
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Eine
andere Versuchsanordnung ist nach Lüth, T.; Heissler, E.; Bier,
J.: Navigations- und
Robotersysteme als Führungshilfen.
In Peter M. Schlag (Ed.), Tele- und computergestützte Chirurgie, Springer-Verlag,
1998, bekannt. Die darin offenbarte Versuchsanordnung dient der
Evaluation der technischen und applikationsspezifischen Genauigkeit beim
Plazieren einer Hyperthermie-Nadel mit einem Manipulator am Kopf-Phantom, der aus
Styropur besteht. Im Anschluss an die mittels eines Manipulators durchgeführte Punktion,
wird in postoperativen Bildern die Parallelität und der Abstand der Nadeln
bewertet.
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Bei
einer weiteren bekannten Lösung
nach Sieb, Michael; Reto, Bale: Multimodale präzises Schädelphantom und Durchführung einer
Genauigkeitsstudie über
computerunterstützte
Punktionen, CURAC 2004: 3. Jahrestagung der deutschen Gesellschaft
für Computer-
und Roboterassistierte Chirurgie e.V., München, Germany, October 2004,
kann ein Kunststoff-Schädelphantom
zur Evaluation von Punktionen und Biopsien je nach Aufnahmemodalität mit speziellen
Markern gefüllt
werden (CT, MRT, SPECT, PET). Ein solches Phantom wird mit hoher mechanischer
Präzision
hergestellt. Mit einem CT wird das Phantom digitalisiert. Anschließend wird
der Zielpunkt definiert und die Punktion mit Unterstützung eines
Navigationssystems durchgeführt.
Die Auswertung erfolgt an postoperativen CT-Bildern.
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Für die Evaluation
der geometrischen Genauigkeit eines Roboter-Systems für die CAS-THR (computer assisted
surgery – total
hip replacement) wurde nach Schneider, Jörg; Kalender, W. A. (Hrsg): Berichte
aus dem Institut für
Medizinische Physik: Risikomanagement in der Medizin. Bd. 2. Aachen:
Shaker Verlag, 2000, ein anderes höchst präzises anatomisches Phantom
entwickelt.
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Das
THR-Phantom ist für
die realistische Darstellung des Operationsgebietes modular aufgebaut.
Es wurde mit AutoCad entworfen und mit CAM-Maschinen exakt umgesetzt.
Spezielle Kunststoffe mit gewebeäquivalenten
Hounsfield Einheiten wurden für
das Phantom benutzt (z.B. Kortikalis 800 HU, Spongiosa 150 HU).
Jede Einzelkomponente wurde mit einer CNC-Maschine gefräst. Die
Planung des Fräsvolumens
erfolgte durch den Chirurgen. Den intraoperativen Fräsvorgang
führt der
Roboter durch. Nach dem Fräsvorgang
wird die Ist-Position der Kavität
mit einer Koordinatenmessmaschine bestimmt. Die Soll-Position wird
von einer Prothese der Firma Howmedic abgeleitet (model: Osteolock,
size 3, sleeve 14). Anschließend
wird die Abweichung von Ist- und Soll-Position analysiert.
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Weiterhin
ist aus der Druckschrift
US 5,295,694 eine Übungsapparatur
für Operationen
bekannt, die als Spiel zum Training des Geschicks des Chirurgen
ausgelegt ist. Dazugehörige
Spielkarten beschreiben die Aufgabenstellung einer OP-Disziplin.
Das System besteht aus einer transparent gewölbten Abdeckung mit zwei Öffnungen.
Unter der Abdeckung befindet sich der Arbeitsraum, in dem mehrere
anatomisch geformte Elemente in Hohlräumen angeordnet sind. Ein Instrument
simuliert ein laparoskopisches Instrument, mit dem die anatomische
Struktur gegriffen und angehoben werden kann, ohne den Hohlraum
zu berühren.
Die Berührung
des Hohlraums wird visuell durch ein Lichtsignal und akustisch durch
einen Signalton dargestellt. Ein zweites Instrument wird für die Extraktion
genutzt. Die Berührungen
anatomischer Strukturen sind bei diesem Spiel nicht detektierbar.
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Dieses
System eignet sich nur zum Training der Geschicklichkeit. Es ist
keine Evaluation chirurgischer Methoden und Instrumentarien möglich. Abgesehen
vom elektrisch leitfähigen
Hohlraum sind keine Risikostrukturen mit anatomisch oder physiologisch realistischen
Eigenschaften nachgebildet, die für operative Eingriffe relevant
sind.
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Die
Nachteile dieser Phantom-Systeme mit anatomischem Charakter bestehen
vor allem darin, dass sie nur für
eine chirurgische Disziplin ausgelegt sind. Eine Aussage über mögliche Verletzungen
von Risikostrukturen während
des Engriffs ist nicht möglich.
Auch bei diesen Systemen handelt es sich meist um punktuelle Lösungskonzepte,
die einen überregionalen
Vergleich von Untersuchungsreihen nicht zulassen.
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Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Simulationssystem mit
einem anatomisch nachgebildeten realen Trainings- und Testphantom
für die Human-
und Veterinärmedizin
zur Verwendung bei der Ausbildung von Chirurgen und zur Erprobung
von komplizierten operativen Eingriffen vor der eigentlichen Operation
zur Erhöhung
der Erfolgschancen eines operativen Eingriffs in verschiedenen chirurgischen
Disziplinen zu schaffen, das die Berücksichtigung von Risikostrukturen
wie Nervenstränge,
Arterien, Sehnen und weitere ermöglicht,
der Verlauf und das Ergebnis des chirurgischen Eingriffs erfasst
und dargestellt werden können
und ein Vergleich von unabhängig
voneinander durchgeführten
Untersuchungsreihen möglich
ist.
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Lösung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Simulationssystem mit chirurgischen Phantomen
für den
Einsatz in der Human- und Veterinärmedizin in unterschiedlichen
chirurgischen Disziplinen gelöst,
das nach dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs aufgebaut ist.
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Das
Phantom dient sowohl der Simulation (Training) als auch dem Test
( Evaluation) von chirurgischen Eingriffen und dessen chirurgischen
Equipment, welches die realen anatomischen und funktionellen Bedingungen
am Patienten während
eines chirurgischen Eingriffes nachbildet. Ein solches Phantom stellt
den menschlichen oder tierischen Körper anatomisch präzise dar,
und es lassen sich unterschiedliche Areale mit unterschiedlichen
Funktionen belegen. Insbesondere können „erlaubte" Bereiche und „verbotene" Zonen (Risikobereiche) innerhalb des
Phantoms festgelegt werden, welche von den Instrumentarien in unterschiedlich
restriktiven Abstufungen berührt
bzw. durchdrungen werden dürfen
und welche nicht. Zu jedem Phantom zugehörig sind ein oder mehrere Protokolle,
die den spezifischen chirurgischen Ablauf in den einzelnen Arbeitsschritten
des Chirurgen (Workflow) abbilden. Jedes Protokoll beinhaltet zusätzlich die
zu messenden Parameter während
eines Eingriffs an einem bestimmten Phantom.
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Das
Phantom wird aus medizinischen Bildmaterialien im Computer als Modell
generiert und nachbearbeitet. Anschließend wird das Modell mittels
eines Rapid Prototyping Verfahrens erzeugt. Um während der Simulation des chirurgischen
Eingriffes Zonen zu differenzieren und Risikostrukturen bei Berührung oder
Durchdringung zu detektieren, bezieht sich die Erfindung darauf,
die unterschiedlichen Organe durch verschiedene Materialien auszugestalten,
sodass Berührungen
oder Schädigungen
bestimmter Strukturen detektierbar sind. Dies lässt sich insbesondere durch
die Ausführung
mittels elektrisch leitfähiger
(Metalle, elektrolytische Flüssigkeiten
etc.) oder lichtleitenden Materialien erreichen.
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Für die Ausbildung
von Chirurgen können damit
die zu erlernenden chirurgischen Szenarien gemäß den Ablauf-Protokollen an
den Phantomen trainiert werden. Auf der Grundlage dieser Ablauf-Protokolle
werden Parameter (Durchführungsdauer,
economy of hand-movement, Verletzung von funktionell wichtigen anatomischen
Arealen, den sogenannten „verbotenen
Zonen", etc.) festgelegt,
die über
die Qualität
des geübten
Eingriffes und damit bei mehreren Tests über den Lernerfolg Auskunft
geben.
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Neben
der Überprüfung von
Probanden bei der Ausführung
von chirurgischen Tätigkeiten,
können
solche Phantome dazu dienen, chirurgische Instrumente oder chirurgische
Abläufe
mit chirurgischem Equipment zu analysieren, zu testen und zu evaluieren.
Dies ist insbesondere für
die Formgestaltung und das Prototyping in der Medizintechnik von herausragender
Bedeutung. Dabei können
Parameter gemessen werden, die anschließend Auskunft über die
Qualitäten
der Instrumente bzw. chirurgischen Systeme und Eingriffstechniken
geben. Insbesondere können
Handhabung, Ergonomie, Gebrauchstauglichkeit, Zuverlässigkeit,
Sicherheit für computer-assistierte
chirurgische Assistenzsysteme bewertet werden.
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Das
Prinzip der Erfindung besteht darin, dass während der Simulation eines
chirurgischen Eingriffs am realen Phantommodell, das eine wirklichkeitsnahe
Simulation von Operationsszenarien für den Auszubildenden, Trainierenden
oder den Systemtester erlaubt, Risikostrukturen bei Berührung oder
Verletzung detektiert werden können.
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Dazu
wird dem 2. Patentanspruch ein anatomisch korrektes Modell (Phantom)
mit realen Gewebeeigenschaften erzeugt. Dieses Phantom wird so ausgebildet,
wie es für die
Simulation des jeweiligen chirurgischen Eingriffs erforderlich ist.
Es besteht im Wesentlichen aus Nachbildungen der betreffenden Körperstrukturen
und wird für
die Ausbildung und das Training von Chirurgen als Standard-Phantom
ausgebildet. Dazu gehören
nicht nur die betreffenden Knochenbereiche, sondern auch die dort
befindlichen Risikostrukturen wie Nervenstränge, Sehnen, Arterien, innere
Organe und weitere. Außerdem
ist es vorgesehen, die unterschiedlichen Phantomteile hinsichtlich
ihrer bei einer Operation relevanten tatsächlichen Gewebeeigenschaften
wie die Originale auszubilden, um möglichst gleiche Bedingungen
zu schaffen.
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Für die Systemtestung
vor einer komplizierten Operation am Patienten wird ein anatomisch
korrektes Modell angefertigt, das die realen Gewebeeigenschaften
des Patienten aufweist. Das hat den Vorteil, dass bei der simulierten
Operation zur Systemtestung nahezu die gleichen Bedingungen wie bei
der später
stattfindenden Operation vorhanden sind und so Fehler vermieden
werden und der angestrebte Erfolg der Operation mit großer Wirklichkeitsnähe erreicht
werden kann.
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Die
detektierbaren Risikostrukturen können alternativ elektrisch-
und/oder lichtleitende Strukturen sein. Sie werden durch Gießverfahren,
Spritzverfahren, manuelles Einbringen von Strukturen oder andere
Verfahren hergestellt.
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Die
erfassten Daten werden auf einem Computerbildschirm dargestellt.
Dabei erfolgt eine genaue Lagebestimmung des im Einsatz befindlichen chirurgischen
Instruments im Phantom durch Ortsdetektierung und durch Eindringtiefenbestimmung
in die Risikostruktur infolge Tiefendetektierung.
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Das
Prinzip der elektrisch leitfähigen
Risikostrukturen des Phantoms besteht darin, dass zur Darstellung
der Risikostrukturen elektrisch leitfähige Materialien wie z.B. Metalle
wie niedrig schmelzende Legierungen (Wood'sches Metall), Blech, Folie, Drähte, Kunststoff-Verbundwerkstoffe
oder Kunststoffschläuche,
gefüllt
mit elektrisch leitenden Flüssigkeiten
verwendet werden.
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Die
elektrisch leitfähigen
Risikostrukturen sind mit einem Schaltkreis verbunden. Das chirurgische
Instrument fungiert in diesem Schaltkreis als Schalter. Bei Berührung einer
Risikostruktur wird der elektrische Stromkreis geschlossen. Das
Ereignis des Schalterschlusses wird z.B. mittels eines PC's, in dem sich eine
Datenakquisitionskarte (DAQ) befindet mit einer Auswertesoftware
registriert und weiterverarbeitet.
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Als
lichtleitfähige
Risikostrukturen des Phantoms werden lichtleitfähige Materialien wie z.B. Lichtleitkabel
aus PMMA oder Glasfaserkabel verwendet. So kann z.B. ein Nerv durch
ein Lichtleitkabel dargestellt werden. Die Quelle zur Einkopplung
des Lichts in die Lichtleitkabel können z.B. Dioden, die direkt
an die Lichtleitkabel angeschlossen sind. Wird bei der Simulation
des chirurgischen Eingriffes eine Risikostruktur verletzt d.h. ein
Lichtleitkabel beschädigt, verändert sich
die Beleuchtungsstärke
am Ende der Lichtleitkabel. Die Beleuchtungsstärke wird durch einen Sensor
wie z.B. einer Photodiode, Solarzelle, einem Phototransistor, einem
integriertem Photosensor oder einem Photowiderstand erfasst. Die
Beleuchtungsstärke
ist von der Eindringtiefe abhängig.
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Für die Steuerung,
Messung und Auswertung der chirurgischen Simulation wird ein speziell
für diese
Erfindung entwickeltes Programm verwendet.
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Im
Simulations-Phantom können
zur wirklichkeitsnahen Gestaltung eines Modells die elektrisch-
und lichtleitenden Detektionsprinzipien kombiniert angewandt werden.
Größere Kanäle und flächige Areale
sind besser mit elektrisch leitenden Strukturen umsetzbar, für schmale
Kanäle
hingegen eignet sich die Lichtleitung besser. Durch die kombinierte
Anwendung ist für
jede spezielle Struktur die passende Detektierung möglich.
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Die
elektrischen Impulse als Endinformation infolge der Berührung bzw.
Verletzung der Risikostrukturen beider Detektionsprinzipien werden über die
Eingangskanäle
der Datenakquisitionskarte registriert. Da jede Risikostruktur an
einen separaten Eingangskanal angeschlossen ist, kann ermittelt
werden, welche Risikostruktur berührt bzw. verletzt wurde. Weiterhin
kann der Grad der Verletzung; d.h. die Tiefe der Verletzung ermittelt
und angezeigt werden.
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Die
Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass sie universell für viele
Anwendungsgebiete geeignet ist. Es werden Phantome geschaffen, die
mit ihren Risikostrukturen wirklichkeitsnah gestaltet sind. Die
Testergebnisse und Untersuchungsreihen von auszubildenden und sich
weiter bildenden Chirurgen an den gleichermaßen ausgestalteten Simulationssystemen
können
auch von verschiedenen klinischen Einrichtungen miteinander verglichen
und bewertet werden. Die chirurgischen Eingriffe können unter
realen Bedingungen wie die Lage des Patienten auf dem OP-Tisch,
die Handhabung der Instrumente durch den Chirurgen usw. durchgeführt werden.
Bereits während
des Eingriffs können
möglicherweise
verletzte Risikostrukturen angezeigt und in ihren Ausmaßen dargestellt
werden. Da das Phantommaterial nahezu die mechanischen Eigenschaften
des Gewebes besitzt, entsprechen Schneid, Bohr- oder Fräsprozesse
den realen Bedingungen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die
gute räumliche
Orientierung des Chirurgen bei seinem Eingriff durch die maßstabsgetreue
anatomische Darstellung. Von den Probanten können an Hand ihrer durchgeführten operativen
Eingriffe Lernkurven erstellt werden, die den Fortschrittsprozess
ihrer Fertigkeiten dokumentieren und mögliche Schwächen aufzeigen.
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Komplizierte
Operationen können
vor dem eigentlichen Eingriff beim Patienten an einem maßstabsgerechten
und hinsichtlich der Risikostrukturen und der Gewebeeigenschaften
realistisch nachgebildeten Phantom geprobt werden.
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Ausführungsbeispiele
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Die
Erfindung wird nachstehend an Hand von 3 Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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1. Ausführungsbeispiel
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Das
1. Ausführungsbeispiel
betrifft ein anatomisch korrektes System für die Simulation und Evaluation
chirurgischer Eingriffe und des chirurgischen Equipments für die Lehre
und Ausbildung in der Human- und Veterinärmedizin. Die dazugehörigen Zeichnungen
zeigen
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1 den
prinzipiellen Aufbau des Simulationssystem für chirurgische Eingriffe an
Hand eines anatomisch korrekten, an die Messschaltung angeschlossenen
Rapid-Prototyping-Modells (Felsenbein),
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2 eine
Messschaltung, bestehend aus einer Datenakquisitionskarte (DAQ)
und einem Stromkreis mit integrierten elektrisch- und lichtleitenden
Risikostrukturen und
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3 einen
Messaufbau zur Bestimmung der Kalibrierfunktion für die Tiefenbestimmung
bei durch Lichtleitkabel repräsentierten
anatomischen Risikostrukturen.
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Im
Rahmen ihrer Ausbildung führen Ärzte chirurgische
Eingriffe an als Phantome bezeichneten Übungsobjekten durch, bevor
sie Operationen am Menschen praktizieren dürfen. Je realistischer ein solches
Phantom gestaltet ist und je genauer ein solcher Eingriff durch
eine Messschaltung erfasst und mittels einer elektronischen Auswerteeinheit
dargestellt und ausgewertet werden kann, desto schneller werden
Ausbildungsfortschritte erreicht. Auf Grund der Komplexität einer
solchen Einrichtung wird sie als Simulationssystem bezeichnet.
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Das
Simulationssystem besteht nach 1 aus dem
Phantom 1, dem chirurgischen Werkzeug 2, der elektrischen
Schaltung 3 und der elektronischen Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit 4.
Das Phantom 1 ist bei diesem Anwendungsfall ein Felsenbeinpräparat und
für die
Ausbildung von HNO-Ärzten
vorgesehen. Es besteht aus dem Mastoid 10, der Pars tympanica 11,
der arteria carotis intema 12 und dem nervus facialis 13.
Die letzten beiden nachgebildeten Bestandteile arteria carotis interna 12 und
nervus facialis 13 gehören
zu den Risikostrukturen, die während des
chirurgischen Eingriffs nicht beschädigt werden dürfen. Sie
sind während
der Simulation des operativen Eingriffs detektierbar. Das Prinzip
der Detektierung beruht bei der arteria carotis interna 12 auf
elektrischer Leitung und beim nervus facialis 13 auf Lichtleitung.
Dazu ist die arteria carotis interna 12 im Inneren mit
einem elektrischen Leiter 18 und der nervus facialis 13 mit
einem Lichteitkabel 14 versehen.
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An
diesem Phantom 1 sollen Übungen mit einem als Fräser ausgebildeten
chirurgischen Instrument 2 durchgeführt werden.
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Bei
der Herstellung der Modelle ist es möglich, Patientendatensätze mit
unterschiedlichen Erkrankungsbildern zugrunde zu legen. Dazu werden mit
einer speziellen Software die Bereiche markiert (segmentiert), die
von Interesse sind.
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Der
Datensatz wird anschließend
an einen 3D-Drucker gesendet. Mit diesem Drucker ist es möglich auf
Gips- oder Stärkebasis
anatomisch korrekte 3D-Modell zu erzeugen und durch Infiltration mit
speziellen Harzen die Materialeigenschaften dahingehend zu beeinflussen,
dass reale Gewebeeigenschaften nachgebildet werden können.
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Die
als erste Risikostruktur deklarierte arteria carotis interna 12 wurde
als Kanal gestaltet, damit die Struktur nach dem Druckprozeß mit einer
niedrigschmelzenden Legierung (Wood-Metall) gefüllt werden kann und somit elektrisch
leitfähig
ist.
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In
den Gang des nervus facialis 13 als zweite Risikostruktur
wurde ein Lichtleitkabel 14 eingebracht.
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Die
elektrisch leitfähige
arteria carotis interna 12 ist nach 2 in einem
elektrischen Schaltkreis mit dem Ein- und Ausgang einer Datenakquisitionskarte
(DAQ-Karte) verbunden. Durch diesen Schaltkreis fließt über den
analogen Ausgang eine Gleichspannung von Ua = 0,5 V. Vor die arteria
carotis interna 12 wurde ein Widerstand 15 von
10 kΩ eingebracht.
Die daraus resultierende Stromstärke
von 50 μA
in der Risikostruktur ist physiologisch unbedenklich für den Anwender.
Der Fräser,
der bei dieser Anwendung als chirurgisches Instrument 2 eingesetzt wird,
ist an die Masse der DAQ-Karte angeschlossen und fungiert im elektrischen
Schaltkreis als Schalter. Bei Verletzung der arteria carotis interna 12,
fließt
der Strom nicht mehr über
den analogen Eingang, sondern über
das chirurgische Instument 2 nach Masse ab. Am analogen
Eingangskanal der Risikostruktur arteria carotis interna 12 liegt
somit keine Eingangsspannung Ue2 mehr an.
Dieses Ereignis wird mit einem zur elektronischen Steuer-, Mess-
und Auswerteeinheit 4 gehörenden PC, in dem sich eine
Datenakquisitionskarte (DAQ) befindet, mit einer Auswertesoftware
registriert und weiterverarbeitet. Es wurde außerdem eine Totzeit festgelegt,
so dass eine kurze mehrfache Berührung,
die z.B. durch Zittern erzeugt werden könnte, ausgeschlossen und nur
ein Ereignis registriert wird. Des Weiteren wird die Dauer der Simulation
abgespeichert. Anhand der Informationen von Fehleranzahl (Beschädigung der
Risikostruktur) und Simulationszeit werden Lernkurven erstellt.
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Bei
der zweiten Risikostruktur, dem nervus facialis 13, wird
das Prinzip der Lichtleitung zur Detektion der Beschädigung angewandt.
Der nervus facialis 13 wird durch ein Lichtleitkabel 14 repräsentiert, das
in eine Messschaltung integriert ist. Mit einer LED 16 wird
Licht in das Lichtleitkabel 14 eingeleitet. Die Versorgungsspannung
der LED 16 wird über
den analogen Ausgang der Datenakquisitionskarte mit Ua = 5 V Ausgangs-Wechselspannung zur
Verfügung
gestellt. Am anderen Ende des Lichtleitkabels 14 befindet
sich eine Photodiode 17, die das Licht erfasst und in elektrischen
Strom umwandelt. Die daraus resultierende Eingangsspannung Ue1 wird am analogen Eingang gemessen. Wird
beim chirurgischen Eingriff die Risikostruktur nervus facialis 13 beschädigt, verändert sich
die auf die Photodiode 17 einfallende Beleuchtungsstärke und
damit der durch die Photodiode 17 erzeugte Strom. Dieses
Ereignis wird mit der Datenakquisitionskarte registriert und weiterverarbeitet.
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Die
Beleuchtungsstärke
ist dabei von der Eindringtiefe des chirurgischen Instruments 2 in
das Lichtleitkabel 14 abhängig. Somit ist man in der
Lage, Informationen über
die Eindringtiefe des chirurgischen Instruments 2 in die
Risikostruktur abzuleiten.
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Für die Angabe
der Eindringtiefe des Instruments 2 in das Lichtleitkabel 14 ist
eine Kalibrierfunktion notwendig, die auf die gemessenen Daten angewandt
wird. Die Werte für
die Kalibrierfunktion werden mit einer speziellen Versuchsanordnung
und -durchführung
ermittelt. Die Versuchsanordnung 5 besteht nach 3 aus
einer LED 50, einem Lichtleitkabel 51 und einer
Photodiode 52, die in eine Messschaltung integriert sind.
An die elektrische Schaltung ist eine Datenakquisitionskarte angeschlossen,
die zum einen die LED 50 mit einer Wechselspannung versorgt
und zum anderen den durch das Licht erzeugten Strom bestimmt. Die
Kalibrierfunktion, welche die Abhängigkeit des Stromes zur Eindringtiefe
beschreibt, wird mit dem Messaufbau der Versuchsanordnung 5 ermittelt.
Während
der Versuchsdurchführung
bleibt die Intensität
der LED 50 konstant. Mit einem Schneidinstrument 53,
dessen Bewegungsrichtungen durch einen Doppelpfeil angegeben sind,
wird eine definierte Dicke des Materials von dem Lichtleitkabel 51 abgetragen.
Das Schneidinstrument 53, das an einer Haltevorrichtung 54 befestigt
ist, wird mit einer Messspindel 55 mit definiertem Vorschub
durch das Lichtleitkabel 51 bewegt. Die Messung der elektrischen
Größe erfolgt
in jeder Position. Nach der Messwertaufnahme liegt eine Funktion
vor, die den Zusammenhang zwischen einfallendem Licht auf die Photodiode 52 und
der Eindringtiefe beschreibt. Die aufgenommenen Messwerte werden
relativ angegeben, damit die Kalibrierfunktion von bestimmten Faktoren
wie z.B. der Lichtstärke
oder Lichtleitkabellänge
unabhängig
ist.
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Mit
der Software LabView wurde ein Programm erstellt, dass die Ein-
und Ausgangs-Kanäle der Datenakquisitionskarte überwacht,
die Signale registriert, verarbeitet und auswertet. Die Daten des operativen
Eingriffs können
somit statistisch ausgewertet und Lernkurven erstellt werden.
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Zu
Beginn der Simulation des chirurgischen Eingriffs wird ein Benutzerprofil
durch die Software angelegt. Danach werden Anzahl und Name der Risikostrukturen
festgelegt.
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Wird
während
der chirurgischen Simulation eine Risikostruktur verletzt, wird
dieses Ereignis der entsprechenden Risikostruktur zugeordnet registriert,
visuell und akustisch dargestellt und softwareintern weiterverarbeitet.
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Des
Weiteren wird die Dauer der Simulation abgespeichert. Anhand der
Informationen von Fehleranzahl (Beschädigung der Risikostruktur)
und Simulationszeit werden Lernkurven erstellt. Die erstellten Lernkurven
ergeben vergleichbare Information über Erfolge in der Ausbildung.
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2. Ausführungsbeispiel
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Das
2. Ausführungsbeispiel
betrifft die Fertigung eines standardisierten Phantoms 1 St zum Vergleich verschiedener chirurgischer
Geräte,
Instrumente 2 und Operationstechniken.
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Das
in der Erfindung beschriebene System ermöglicht die Herstellung identischer
anatomisch korrekter reproduzierbarer Modelle, die an die Messschaltung
nach 2 angeschlossen werden. Mit den identischen Simulationssystemen
ist es somit möglich,
unter standardisierten Bedingungen den simulierten chirurgischen
Eingriff durchzuführen.
Somit ist man in der Lage verschiedene Geräte für die gleiche chirurgische
Applikation zu evaluieren. Daraus kann ermittelt werden, welche
Instrumentarien 2 sich besser für die spezifische Anwendung
eignen. Dies ist innerhalb der Entwicklungsphase neuer medizinischer
Geräte
oder Instrumente 2 von großer Bedeutung, da schon rechtzeitig
in den Entwicklungsprozess eingegriffen werden kann. Neben der Evaluierung
medizinischer Geräte
und Instrumente 2 können auch
verschiedene chirurgische Techniken für ein und dieselbe Zielstellung
evaluiert werden.
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3. Ausführungsbeispiel
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Das
3. Ausführungsbeispiel
betrifft die Fertigung eines Spezial-Phantoms 1 Sp für
die individuelle OP-Planung eines Patienten, mit dem schwierige operative
Eingriffe geplant und trainiert werden können (z.B. Planung des idealen
Zugangs zum Zielvolumen). Mit der daraus resultierenden Verringerung des
Risikos möglicher
Komplikationen kann die Behandlungsqualität verbessert und die Liegezeit
des Patienten verringert werden.
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Der
Planung und Modellerstellung liegen dabei die aktuellen Computertomographie- oder Magnetresonanztomographieaufnahmen
zugrunde. Zur Simulation des speziellen operativen Eingriffs kann das
Modell an die im 1. Ausführungsbeispiel
beschriebene Messschaltung angeschlossen werden.
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Das
Modell dient außerdem
als Grundlage für
Fachgespräche
und Diskussionen zwischen den Ärzten
angrenzender chirurgischer Disziplinen zur verbesserten Operationsplanung.
Die dreidimensionale Modellabbildung eignet sich für die tagtägliche Planung
komplexer Eingriffe, wie sie besonders an Nerven und Gefäßen in der
Nähe zur
Schädelbasis vorkommen.
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Diese
3 Ausführungsbeispiele
beziehen sich auf ein sehr begrenztes Gebiet des Wirkungsbereiches
von HNO-Ärzten.
Tatsächlich
kann die Erfindung auf nahezu allen Gebieten der Human- und Veterinärmedizin
angewendet werden.