DE102005062610A1

DE102005062610A1 - Simulationsvorrichtung zum Simulieren von Eindringvorgängen

Info

Publication number: DE102005062610A1
Application number: DE200510062610
Authority: DE
Inventors: Rainer Burgkart; Robert Riener
Original assignee: Burgkart Rainer Dr med; Riener Robert Prof
Current assignee: Burgkart Rainer Dr med; Riener Robert Prof
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Simulationsvorrichtung zur Simulation von Eindringvorgängen, die mittels eines nadel- oder stiftartigen Instruments oder Werkzeugs ausgeführt werden, wobei die Simulationsvorrichtung aufweist: DOLLAR A - einen Handgriff (1), der mit dem Instrument (2) verschiebbar verbunden ist, wobei der Handgriff (1) von einem Operateur gehalten wird, DOLLAR A - eine Positionsermittlungsvorrichtung (7), die die Position des Instruments (2) bezüglich des Handgriffs (1) ermittelt und ein Positionssignal erzeugt, DOLLAR A - eine Kraftermittlungsvorrichtung (6), die die Kraft ermittelt, mit der das Instrument (2) mittels des Handgriffs (1) gegen den Körper (8) gedrückt wird, wobei die Kraftermittlungsvorrichtung (6) ein Kraftsignal erzeugt, DOLLAR A - eine steuerbare Antriebsvorrichtung zum Verschieben des Instruments (2) bezüglich des Handgriffs (1) und DOLLAR A - eine Rechen- und Steuereinheit, die signaltechnisch mit der Antriebsvorrichtung verbunden ist, wobei DOLLAR A - die Rechen- und Steuereinheit einen Speicher aufweist, in dem körperspezifische Einstechinformationen und ein Rechenprogramm abgelegt sind und ausgehend von den Positions- und Kraftsignalen die Antriebsvorrichtung so gesteuert wird, daß beim Druck des Instruments (2) gegen den Körper (8) gleiche haptische Empfindung entsteht wie bei der Handhabung eines realen Instruments, das in einen realen Körper eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Simulationsvorrichtung zur Simulation von Eindringvorgängen, die mittels eines nadel- oder stiftartigen Instruments oder Werkzeugs ausgeführt werden, wobei nachfolgend nur noch der Begriff Instrument verwendet wird.

Zum Beispiel im Bereich der Medizin ist die Einführung von Instrumenten wie Nadeln und Kathetern in einen menschlichen oder tierischen Körper eine der häufigsten Routinen im Klinikalltag. Die Durchführung solcher Routinen ist übungsbedürftig, da der Ausführende, d. h. der Operateur ohne zusätzliche Hilfsmittel keine visuelle Information über die Lage der Nadel- oder Katheterspitze bekommt, sondern sich nur auf seine haptische Empfindung verlassen muß.

Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Injektionssimulatoren bekannt, die für unterschiedliche Übungsfälle konstruiert sind, wie z. B. aus der DE 44 14 832 ein Modell zum Üben des Einstechens in Blutgefäße.

Es ist jedoch keine Simulationsvorrichtung für vorstehend genannte Zwecke bekannt, die eine universelle Anwendbarkeit aufweist, wobei darunter die Eigenschaft verstanden wird, bezüglich der Anwendbarkeit auch an lebenden Organen nahezu identische haptisches Empfindungen beim Operateur zu bewirken, wie bei einer realen Einwirkung, z. B. bei einer reale Injektion.

Insofern ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Simulationsvorrichtung bereitzustellen, die vorstehend genannte Anforderungen erfüllt.

Diese Aufgabe wird mit einer Simulationsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die Simulationsvorrichtung zum Simulieren von Eindringvorgängen eines Instruments in einen Körper hat einen Handgriff, mit dem die Simulationsvorrichtung von dem Operateur mit der Hand geführt wird. Das Instrument ist mit dem Handgriff verbunden, wobei das Instrument bezüglich des Handgriffs in einer vorbestimmten Verschieberichtung verschiebbar ausgebildet ist, d. h. wenn das Instrument gegen den Körper gedrückt wird, schiebt es sich in den Handgriff. Dadurch entsteht für einen Beobachter der optische Eindruck, als wenn das Instrument in den Körper eindringt, obwohl es in den Handgriff einfährt.

Es ist eine Positionsermittlungsvorrichtung vorgesehen, die die aktuelle Position des Instruments bezüglich des Handgriffs ermittelt und ein aktuelles Positionssignal erzeugt.

Es ist eine Kraftermittlungsvorrichtung vorgesehen, die die aktuelle Kraft ermittelt, mit der das Instrument mittels des Handgriffs gegen den Körper gedrückt wird, wobei die Kraftermittlungsvorrichtung ein aktuelles Kraftsignal erzeugt.

Es ist eine rechnergesteuerte Antriebsvorrichtung vorgesehen, die bewirkt, daß das Instrument nur gegen eine vorbestimmte Kraft in den Handgriff eingefahren werden kann. Diese Antriebsvorrichtung ist mit der Positionsermittlungsvorrichtung, der Kraftermittlungsvorrichtung und dem Rechner signaltechnisch verbunden.

Die Antriebsvorrichtung wird unter Auswertung des aktuellen Kraft- und Positionssignals gesteuert. Dazu wird ein Rechenprogramm eingesetzt, das die Materialeigenschaften des Körpers in Form von Steuersignalen für die Antriebsvorrichtung nachbildet. Dieser Zusammenhang wird nachfolgend noch näher beschrieben.

Die Antriebsvorrichtung ist entweder in dem Handgriff integriert, oder von außen über eine Koppelvorrichtung mit dem Handgriff verbunden. Als Koppelvorrichtung ist z. B. ein Hydraulikschlauch geeignet.

Nachfolgend sollen die Regelungsphilosophie so weit qualitativ beschrieben werden, daß ein Fachmann für Steuerungs- und Regelungstechnik die Simulationsvorrichtung aufbauen kann.

Es soll das Eindringen einer Nadel in einen menschlichen oder tierischen lebenden Körperabschnitt simuliert werden. Es soll simuliert werden, daß der Körperabschnitt an seiner Oberfläche mit einer Haut bedeckt ist, anschließend soll z. B. ein Fettgewebe folgen, dann soll eine Bindegewebsschicht durchstoßen werden, danach folgt ein dickes Muskelgewebe und dann ein festes Knochengewebe. Alle vorstehend genannten Gewebeabschnitte des Körpers sind aber fiktiv, d. h. nur als Softwaremodell in dem Rechner repräsentiert.

Da die Simulation dem Zweck dient, eine Eindringhandlung mit einem handgeführten Instrument in einen realen Körper zu üben, ist es zweckmäßig und dient dem Lernerfolg, wenn die Übung nicht nur an einem Modellkörper durchgeführt werden kann, sondern auch an einem lebenden Körper. Nur der Vollständigkeit wegen wird deshalb erwähnt, daß auch dann, wenn der Körperabschnitt aus einem harten Kunststoff bestehen würde, (z. B. ein anatomisches Modell), der haptische Effekt bei der Simulation der gleiche ist wie bei einem lebenden Körperabschnitt.

Wenn der Operateur die Simulationsvorrichtung an einen lebenden weichen Körperabschnitt drückt, dann muß verhindert werden, daß die Nadel tatsächlich in die Haut eindringt, d. h. die Nadelspitze muß so beschaffen sein, daß sie bei der Simulation nicht eindringen kann. Das wird erreicht, in dem die Fläche der Nadelspitze stark vergrößert wird. So ist es z. B. möglich, an der Nadelspitze eine kleine Kunststoffscheibe anzubringen.

Setzt der Operateur die Nadel mit der Scheibe auf die Hautoberfläche auf und drückt gegen die Haut, wird dieser Druck von der Kraftermittlungsvorrichtung ermittelt. Drückt der Operateur stärker, wird das Durchstoßen der Haut simuliert, indem die Antriebsvorrichtung die Nadel plötzlich ein Stück in den Handgriff einfährt, d. h. es wird das Durchdringen der Haut und des dahinterliegenden Fettgewebes simuliert, so daß anschließend die Nadel an dem simulierten Bindegewebe ansteht. Die Antriebsvorrichtung läßt ein weiteres Hineinschieben der Nadel in den Handgriff erst dann zu, wenn der Operateur die Nadel mit der in der Realität erforderlichen Durchstoßkraft gegen das relativ feste Bindegewebe drückt. Dann kommt das Muskelgewebe, dessen Durchdringen erneut durch ein spezifisches Einfahren der Nadel simuliert wird. Nun steht die Nadel an dem Knochengewebe, das nicht durchdrungen werden kann, so daß der Operateur auch bei stärkerem Drücken einen festen Widerstand spürt.

Wegen der besseren Anschaulichkeit wurde ein Simulationsbeispiel gewählt, bei dem die Nadel bzw. ein anderes Instrument oder Werkzeug Gewebeschichten mit unterschiedlicher Festigkeit durchdringt. Es ist klar, daß die gleiche Regelungsphilosophie auch für Gewebe und Materialien einsetzbar ist, die nur geringe oder keine Inhomogenitäten aufweisen. Außerdem ist klar, daß die benötigten Kräfte nicht nur von der Eindringtiefe, sondern auch von der Eindringgeschwindigkeit abhängig sind. Bei der Wiederaufnahme einer Eindringbewegung, z. B. nach einem Absetzen (Stoppen der Bewegung) können zudem größere Kräfte zum Überwinden der Haftreibung benötigt werden, d. h. es treten sogenannte „Stick-und-Slip-Effekte" auf, die ebenfalls simulierbar sind. Weiterhin ist dem Fachmann klar, daß gleichfalls die Form und die Beschaffenheit des Instruments in der Simulationssoftware berücksichtigt werden muß.

Die konkrete Ausbildung der einzelnen Komponenten der Simulationsvorrichtung, d. h. der Handgriff, das Instrument, die Führung des Instruments, die Positionsermittlungsvorrichtung, die Kraftermittlungsvorrichtung und die Antriebsvorrichtung wird vom Fachmann an Hand der geometrisch-konstruktiven Erfordernisse ausgewählt, die der Körper erfordert, wobei prinzipielle Ausführungsformen in den Unteransprüchen beansprucht sind.

Nach Anspruch 2 ist die Antriebsvorrichtung im oder am Handgriff angeordnet, wobei hier der Teil der Antriebsvorrichtung gemeint ist, der die Antriebskraft erzeugt. Es ist möglich, in dem Handgriff z. B. eine Spindel-Mutter-Anordnung vorzusehen, wobei die Spindel von einem Elektromotor angetrieben wird und die auf der Spindel laufenden Mutter mit der Nadel fest verbunden ist.

Nach Anspruch 3 ist die Positionsermittlungsvorrichtung im oder am Handgriff angeordnet. Es ist möglich, in dem Handgriff einen Winkelsensor so anzuordnen, das die Drehbewegung der Spindel nach Anspruch 2 erfaßt wird. Aus der aktuellen Stellung des Winkelsensors kann die aktuelle Nadelposition ermittelt werden.

Nach Anspruch 4 ist die Kraftermittlungsvorrichtung im oder am Handgriff angeordnet. Es ist möglich, in dem Handgriff einen Kraftsensor so anzuordnen, daß die Kraft, die mittels des Handgriffs beim Drücken des Instruments gegen den Körper erzeugt wird, auf den Kraftsensor übertragen wird. Der Kraftsensor ist somit bei einer Spindel-Mutter-Anordnung zwischen dem Instrument und der Mutter anzuordnen.

Nach Anspruch 5 ist eine Lageermittlungsvorrichtung vorgesehen, die die aktuelle räumliche Lage des Instruments bezüglich des Körpers ermittelt und ein elektrisches Lagesignal erzeugt, welches der Rechen- und Steuereinheit zugeführt wird. Derartige Lageermittlungsvorrichtungen sind dem Fachmann als Navigationssysteme bekannt, so daß lediglich die zum jeweiligen Anwendungsfall passende Lageermittlungsvorrichtung auszuwählen und signaltechnisch anzupassen ist. Durch diese Weiterbildung der Erfindung ist es z. B. möglich, richtungsabhängige Körpereigenschaften zu simulieren, oder es kann erlernt werden, das Instrument an dem medizinisch richtigen Punkt der Körperoberfläche (z. B. im Bereich der Wirbelsäule) aufzusetzen und im medizinisch richtigen Raumwinkel simulativ in den Körper einzustechen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine erste Anwendung der Erfindung.
6 zeigt eine zweite Anwendung der Erfindung.
7 zeigt eine dritte Anwendung der Erfindung.
Die 1 zeigt als erste Ausführungsform der Erfindung die Simulationsvorrichtung mit einem Handgriff 1, mit dem die Vorrichtung von einem Operateur mit der Hand geführt wird. Das Instrument ist eine Nadel 2, die mit dem Handgriff 1 verbunden ist, wobei die Nadel 2 bezüglich des Handgriffs 1 in Richtung des Doppelpfeils verschiebbar ausgebildet ist.
In dem Handgriff 1 ist als Antriebsvorrichtung eine Spindel-Mutter-Anordnung 3, 4 integriert, wobei die Spindel 3 von einem ebenfalls in dem Handgriff 1 integrierten Elektromotor 5 angetrieben wird. Die auf der Spindel 3 laufende Mutter 4 ist über einen Kraftsensor 6 mit der Nadel 2 fest verbunden. An den Elektromotor 5 ist ein inkrementales Winkelmeßsystem 7 gekoppelt. Wenn der Elektromotor 5 die Spindel 3 dreht, wird die Mutter 4 in Richtung des Doppelpfeils vorwärts oder rückwärts bewegt. Aus der Gewindesteigung der Spindel 3 und der vom Winkelmeßsystem 7 gemessenen Winkeländerung kann der Verschiebeweg der Nadel 2 ermittelt werden.
Wenn das Einführen der Nadel 2 in einen Körper, wie z. B. in einen menschlichen Rücken nach 5 oder in einen Unterarm nach 6 geübt werden soll, wird die Nadel 2 ganz ausgefahren und befindet sich in der in 1 gezeigten Position. Der Operateur führt nun die Nadel 2 gegen den Körper 8 und drückt mit der medizinisch determinierten Kraft die Nadel auf die Außenhaut des Körpers. Um zu verhindern, daß die Nadel bei einer weiteren Druckerhöhung die Außenhaut durchsticht und tatsächlich in den Körper eindringt, ist an der vorgesehenen Einstichstelle eine Plastikscheibe 9 auf die Haut geklebt. Diese Plastikscheibe 9 weist eine kleine Vertiefung auf, in die die Nadelspitze eingesetzt wird, so daß ein Abrutschen der Nadel von der Plastikscheibe vermieden wird. Diese Plastikscheibe kann auch durch eine kleine Kugel ersetzt werden, die an der Nadelspitze befestigt ist.
Die von dem Operateur mittels des Handgriffs auf die Nadel aufgebrachte Kraft wird mittels des Kraftsensors 6 gemessen und als elektrisches Meßsignal einem Rechner zugeführt. Der Rechner verfügt über eine Software, die die verschiedenen Materialeigenschaften des Körpers in Form von Steuersignalen für die Antriebsvorrichtung nachbildet, die den Motor 6 steuert. Wenn z. B. der Modus „Rückenmarkpunktion" eingestellt ist, wird die Software aktiviert, die die Materialeigenschaften des Körpers zwischen der Außenhaut des Körpers und der Wirbelsäule abbildet. Wenn dagegen eine Injektion in eine Vene des Unterarms simuliert werden soll, wird der Modus „Veneninjektion am Unterarm" ausgewählt.
Der Operateur benutzt die Simulationsvorrichtung wie ein reales medizinisches Instrument und führt demnach die gleichen medizinisch determinierten Bewegungen wie unter Realbedingungen aus. Bei einem vorbestimmten Druck wird simuliert, daß die Außenhaut durchstochen ist, in dem die Nadel 2 ein Stück in den Griff eingefahren wird. Jenachdem, wie groß die Einstechkraft war und in Abhängigkeit davon, ob der Operateur die Nadel weiter einsticht oder stoppt, d. h. ob die Einstechkraft beibehalten wird oder nicht, wird die Nadel ein größeres oder ein kleines Stück in den Griff eingefahren. Dem Fachmann für Regelungstechnik ist klar, daß der dazu erforderliche Regelkreis ein solches dynamisches Verhalten aufweisen muß, daß die Nadelbewegungen durch den Spindel-Mutter-Antrieb 3, 4, 5 genau so schnell erfolgen muß wie bei der Bewegung einer realen Nadel unter realen Bedingungen.
Nachfolgend werden mit den 2 bis 4 weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden nur die Merkmale und Funktionen beschrieben, die gegenüber der Ausführungsform nach 1 abweichen.
Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei als Antriebsvorrichtung eine Seilzug-Schlittenanordnung 10, 11 benutzt wird. Da der Seilzug im Gegensatz zu der in 1 verwendeten Spindel 3 keine ausreichende Eigensteifigkeit aufweist, ist zur Führung der Nadel 2 eine Nadelführung 13 in Form einer Hülse vorgesehen. Der Schlitten 11 ist an dem Seil 10 befestigt, das mittels des Motors 5 in Richtung des Doppelpfeils bewegbar ist.
Die 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Werkzeug 2 rechtwinklig zu dem Handgriff 1 angeordnet ist, wobei das Seil 10 vom Motor 5 angetrieben wird und über zwei Umlenkrollen 12a und 12b läuft.
Es ist für den Fachmann klar, daß nach den in den 1 bis 3 beschriebenen Konstruktionsprinzipien sich noch weitere, ähnliche Abwandlungen finden lassen, ohne daß dazu eine erfinderische Tätigkeit erforderlich ist.
Die 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung auf der Basis von Hydraulik-Zylinder-Kolbenanordnungen. Die erste Zylinder-Kolbenanordnung wird mittels der in 1 beschriebenen Spindel-Mutter-Anordnung 3, 4 betätigt. Der erste Kolben 14 ist über eine Kolbenstange 15 mit dem Kraftsensor 6 verbunden und verdrängt Hydraulikflüssigkeit in dem ersten Zylinder 16. Die verdrängte Hydraulikflüssigkeit gelangt über die flexible Hydraulikleitung 17 in den zweiten Zylinder 18 und verdrängt dort den Kolben 19, der mit der Nadel 2 verbunden ist. Die prinzipielle Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist die gleiche wie die der ersten Ausführungsform. Die dazwischengeschaltete flexible Hydraulikleitung 17 erbringt jedoch einen entscheidenden Vorteil, da nunmehr der Handgriff 1 sehr klein ausgeführt werden kann, da er lediglich die zweite Zylinder-Kolbenanordnung enthält.
Die 7 zeigt eine weitere zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung, wobei zusätzlich eine Lageermittlungsvorrichtung 20 bis 23 vorgesehen ist, die die aktuelle räumliche Lage der Nadel 2 bezüglich eines Patienten an einer vorbestimmten Einstechstelle ermittelt und ein elektrisches Lagesignal erzeugt, welches der Rechen- und Steuereinheit zugeführt wird. Mit den Bezugszeichen 20 und 21 sind je drei Navigationspunkte bezeichnet, wobei die Navigationspunkte 20 die Lage der Nadel definieren und die Navigationspunkte 21 die Lage des Patienten. Mit Hilfe der Kameras 22 und 23, die in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung zueinander stehen, werden die Navigationspunkte optisch erfaßt und daraus die räumliche Lage der Nadel 2 ermittelt. Alle Daten der Kamera werden einem Rechner zugeführt. Dieses Verfahren ist dem Fachmann an sich gut bekannt, so daß auf eine nähere Erläuterung verzichtet werden kann. Aus dem elektrischen Lagesignal, das der Rechner generiert, kann genau ermittelt werden, ob die Nadel an der medizinisch richtigen Stelle und in dem richtigen Winkel angesetzt wird.
Hervorzuheben ist, daß bei dem simulierten Eindringen des Instruments der haptische Effekt, den der Operateur mit der Hand fühlt, verstärkt wird durch den Effekt der optischen Täuschung beim Einfahren der Nadel in den Griff. Somit entsteht durch das gleichzeitige Wirken der beiden Effekte für den Operateur ein äußerst realistischer Gesamteindruck, der einen hohen Lerneffekt bewirkt.

Claims

Simulationsvorrichtung zum Simulieren von Eindringvorgängen eines Instruments (2) in einen Körper (8), wobei die Simulationsvorrichtung aufweist: – einen Handgriff (1), der mit dem Instrument (2) verschiebbar verbunden ist, wobei der Handgriff (1) von einem Operateur gehalten wird, – eine Positionsermittlungsvorrichtung (7), die die aktuelle Position des Instruments (2) bezüglich des Handgriffs (1) ermittelt und ein aktuelles Positionssignal erzeugt, – eine Kraftermittlungsvorrichtung (6), die die aktuelle Kraft ermittelt, mit der das Instrument (2) mittels des Handgriffs (1) gegen den Körper (8) gedrückt wird, wobei die Kraftermittlungsvorrichtung (6) ein aktuelles elektrisches Kraftsignal erzeugt, – eine steuerbare Antriebsvorrichtung (3, 4, 5, 7; 10, 11, 5, 7; 10, 12, 5, 7; 3, 4, 14, 15, 16, 17, 18, 19) zum definierten Verschieben des Instruments (2) bezüglich des Handgriffs (1) und – eine Rechen- und Steuereinheit, die signaltechnisch mit der Antriebsvorrichtung (3, 4, 5, 7; 10, 11, 5, 7; 10, 12, 5, 7; 3, 4, 14, 15, 16, 17, 18, 19) verbunden ist, wobei – die Rechen- und Steuereinheit einen Speicher aufweist, in dem körperspezifische Einstechinformationen und ein Rechenprogramm abgelegt sind und ausgehend von den aktuellen Positions- und Kraftsignalen die Antriebsvorrichtung (3, 4, 5, 7; 10, 11, 5, 7; 10, 12, 5, 7; 3, 4, 14, 15, 16, 17, 18, 19) so gesteuert wird, daß beim Druck des Instruments (2) gegen den Körper (8) beim Operateur der gleiche Gegendruck, d. h. die gleiche haptische Empfindung entsteht, wie bei der Handhabung eines realen Instruments, das in einen realen Körper eingebracht wird.
Simulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung im oder am Handgriff angeordnet ist.
Simulationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsermittlungsvorrichtung im oder am Handgriff angeordnet ist.
Simulationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftermittlungsvorrichtung im oder am Handgriff angeordnet ist.
Simulationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lageermittlungsvorrichtung (20, 21, 22, 23) vorgesehen ist, die die aktuelle räumliche Lage des Instruments (2) bezüglich des Körpers (8) ermittelt und ein elektrisches Lagesignal erzeugt, welches der Rechen- und Steuereinheit zugeführt wird.