DE102010001084A1

DE102010001084A1 - Simulator und Verfahren zur Simulation der Behandlung eines biologischen Gewebes

Info

Publication number: DE102010001084A1
Application number: DE102010001084A
Authority: DE
Inventors: Jens Hoehne
Original assignee: Hohne Jens Dr 80331
Current assignee: Hohne Jens Dr 80331
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2011-07-28
Also published as: US20130177887A1; EP2526539A2; WO2011089164A3; WO2011089164A2; JP2013517815A

Abstract

Ein Simulator zur Simulation einer Behandlung eines biologischen Gewebes umfasst ein reales Griffstück mit drei Freiheitsgraden der Translation und drei Freiheitsgraden der Rotation, einen Bildschirm zur Darstellung eines dreidimensionalen Modells eines Behandlungsbereichs mit dem biologischen Gewebe und ein virtuelles Griffstück, eine Bewegungserfassungseinrichtung zur Erfassung der dreidimensionalen Bewegung des realen Griffstücks und einen Computer mit einem Simulationsprogramm, durch das das virtuelle Griffstück auf der Grundlage der durch die Bewegungserfassungseinrichtung erfassten Bewegung des realen Griffstücks auf dem Bildschirm in räumlicher Relation zu dem biologischen Gewebe bewegt wird. Der Simulator ist dadurch gekennzeichnet, dass das reale Griffstück einen Laserkopf zur Ausstrahlung eines Laserstrahls eines Lasers zur berührungslosen Behandlung des biologischen Gewebes simuliert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Simulator und ein Verfahren zur Simulation einer Behandlung eines biologischen Gewebes. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Simulator und ein Verfahren zur Simulation einer Dentalbehandlung.
In vielen Bereichen der Wissenschaft wird eine von Hand ausgeführte Bewegung eines Griffstücks, das translatorische und/oder rotatorische Freiheitsgrade besitzt, mechanisch oder elektro-mechanisch in eine dieser Bewegung entsprechende Bewegung eines Werkzeugs umgewandelt. Diese Umwandlung kann z. B. über ein geeignetes (Übersetzungs- oder Servo-)Getriebe erfolgen, wobei das Griffstück zum Beispiel als Zangengriff und das Werkzeug als Greifer ausgebildet sein kann. Derartige Hilfsmittel kommen beispielsweise in Laboren bei der Handhabung von Gefahrengütern zum Einsatz: Die Bedienungsperson führt zum Beispiel eine Greifbewegung aus, der zu greifende Gegenstand wird jedoch von einem Greifer ausgeführt, der den Bewegungen der Hand folgt. Ist der dem „Objektraum”, d. h. dem dreidimensionalen Raum, in dem das Griffstück bewegt wird (Anschauungsraum), zugeordnete „Bildraum”, d. h. der Raum, in dem sich das Werkzeug (der Greifer) befindet, lediglich virtuell und zum Beispiel auf einem Computerbildschirm dargestellt, wird also eine Bearbeitung nicht in realito ausgeführt, sondern nur simuliert, so ist die entsprechende Vorrichtung ein Simulator im Sinne der vorliegenden Erfindung. Der auf dem Computerbildschirm darstellte virtuelle Bildraum umfasst das Werkzeug – eventuell zudem die Umgebung, in die es eingebettet ist – in räumlicher Beziehung zu dem Werkstück. Der Bildraum ist somit insofern eine Kopie des Objektraumes, als sich darin insbesondere das Werkzeug und das Werkstück in äquivalenter räumlicher Beziehung zueinander befinden und bewegen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das „Werkstück” in der obigen allgemeinen Einführung menschliches Gewebe und der Simulator dient dem Erlernen oder der Durchführung medizinischer Eingriffe.
In der Dentalmedizin, zum Beispiel bei der Behandlung eines kariösen Zahnes, ist es möglich, die Handhabung eines Bohrers oder dergleichen beliebig häufig zu üben und die dabei auftretenden Kräfte zu erfahren, und dies ohne Materialverbrauch und somit sehr kostengünstig. Generell können reale Patientendaten, die z. B. mit Hilfe von Computertomographie oder Magnetresonanztomographie gewonnen wurden, als Grundlage für die Gewebesimulation verwendet werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Simulator bereitzustellen, mit dessen Hilfe eine Behandlung eines biologischen Gewebes (im Sinne der obigen allgemeinen Einleitung das „Werkstück”) simuliert werden kann. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Simulation einer Behandlung eines biologischen Gewebes bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 bzw. 20 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung simuliert ein reales Griffstück einen Laserkopf zur Ausstrahlung eines Laserstrahls eines Lasers zur berührungslosen Behandlung eines biologischen Gewebes. Das reale Griffstück, insbesondere dessen durch eine Bewegungserfassungseinrichtung erfasste Bewegungen, werden auf einem Bildschirm eines Computers in Relation zu dem biologischen Gewebe in Echtzeit angezeigt. Hierbei kann das biologische Gewebe entweder nur virtuell, d. h. auf dem Computer angezeigt sein oder auch, vorteilhafterweise maßstabsgetreu, als reales Modell vorliegen. Im ersten Fall ist die Konzentration eines Anwenders/Operateurs ganz auf die auf dem Bildschirm dargestellte virtuelle Welt gerichtet. Im zweiten Fall kann er die ausgeführten Bewegungen sowohl in der realen als auch in der virtuellen Welt beobachten, was beim Erlernen des Umgangs mit dem Simulator hilfreich sein kann, so dass in der Handhabung des Simulators vorteilhafterweise der erste Fall als zweiter Schritt betrachtet werden kann. In beiden Fällen verhält sich das reale Griffstück wie der Zeiger einer Maus, außer dass gemäß der vorliegenden Erfindung nicht eine 2-dimensionale Bewegung in wiederum eine 2-dimensionale Bewegung, sondern eine Bewegung in einem realen 6-dimensionalen Phasenraum mit den Koordinaten x, y, z, α, β und γ in eine korrelierende Bewegung in einem virtuellen 6-dimensionalen Phasenraum mit den Koordinaten x', y', z', α', β' und γ' abgebildet wird: (v_x, v_y, v_z, ω_x, ω_y, ω_z)_real ↦ (v_x', v_y', v_z', ω_x', ω_y', ω_z')_virtuell, wobei die v_i, v_j', ω_k, ω_l' mit i, j, k, l ∊ {x, y, z} die Geschwindigkeiten im Objektraum, die Geschwindigkeiten im Bildraum, die Winkelgeschwindigkeiten im Objektraum (um die Achsen x, y bzw. z) bzw. die Winkelgeschwindigkeiten im Bildraum (um die Achsen x', y' bzw. z') sind. „Korrelierend” bedeutet hierbei, dass der virtuelle Raum z. B. als Kavaliersperspektive auf dem Computer dargestellt ist und eine translatorische Bewegung des realen Griffstücks um Δx (Δy) eine translatorische Bewegung des virtuellen Griffstücks um Δx' (Δy') mit Δx = Δx' und Δy = Δy' zur Folge hat, wobei die Bildschirmebene durch x·ê_x und y·ê_y mit den Einheitsvektoren ê_x und ê_y aufgespannt wird, und eine translatorische Bewegung des realen Griffstücks um Δz eine translatorische Bewegung des virtuellen Griffstücks um Δz' mit Δz' = 1/2Δz zur Folge hat. Die Abbildung der jeweiligen Winkel ergibt sich z. B. aus den Koordinaten zweier Punkte des realen Griffstücks und deren virtuelle Bilder. Ferner sind die Winkel α (α'), β (β') und γ (γ') zum Beispiel Winkel zwischen einer Längsachse des Griffstücks und der x-Achse in der y, z-Ebene, der y-Achse in der x, z-Ebene bzw. der z-Achse in der x, y-Ebene und ω_x, ω_y, ω_z zugehörige Winkelgeschwindigkeiten. Alternativ kann die Bewegung statt „korrelierend” um einen Faktor gestreckt, die Darstellung auf dem Bildschirm somit vergrößert sein, um die Bewegung deutlicher zu machen, oder gestaucht, die Darstellung auf dem Bildschirm somit verkleinert sein, um einen besseren Überblick über das Operationsfeld zu haben, wie es in Anspruch 5 definiert ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird der Laserstrahl nur während einer Betätigung eines Schalters ausgesendet. Der Schalter kann zum Beispiel in dem realen Griffstück integriert oder als Fußschalter ausgebildet sein, wie es in Anspruch 15 definiert ist. Dadurch kann in der Sprache zum Beispiel eines herkömmlichen Zahnarztbohrers das reale Griffstück auf einfache, die Konzentration des Anwenders nicht störende Weise „abgesetzt” werden, die Behandlung zur Beurteilung des bisher Erreichten und/oder Auswahl einer weiteren Stelle des biologischen Gewebes somit unterbrochen werden.
Gemäß Anspruch 3 sendet der Simulator während der Laserstrahl ausgesendet, d. h. der Schalter betätigt wird, ein akustisches Signal durch einen Signalgeber aus. Auf diese Weise erfährt der Anwender eine Rückkopplung, die ein versehentliches Aussenden zu vermeiden hilft.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird die Betätigungszeit des Schalters und somit die Behandlungszeit erfasst. Vorteilhafterweise wird die Behandlungszeit, die bei gegebenen Parametern des biologischen Gewebes und des Lasers sowie deren Position zueinander ein Maß für die durch die Bestrahlung erzielte, zum Beispiel ablative Wirkung ist, auf dem Bildschirm angezeigt. Vorteilhafterweise umfasst der erfindungsgemäße Simulator eine Behandlungszeit-Einstelleinrichtung, durch die eine durch einmaliges kurzes Betätigen des Schalters beginnende Behandlungszeitspanne Δt eingestellt wird, so dass die Aussendung des Laserstrahls nach Δt automatisch unterbrochen wird. Eine erneute kurze Betätigung des Schalters bewirkt eine erneute Aussendung des Laserstrahls während Δt. Die Behandlungszeitspanne kann vorteilhafterweise behandlungsspezifischen Tabellen entnommen werden oder auf der Erfahrung des Anwenders gründen. Vorteilhafterweise umfasst der Schalter sowohl einen Fuß- als auch einen in dem realen Griffstück integrierten manuellen Schalter, die in Reihe geschaltet sind, so dass ein ungewolltes Aussenden des Laserstrahls durch versehentliches Betätigen des manuellen Schalters ausgeschlossen ist und nur erfolgen kann, sofern gleichzeitig der Fußschalter betätigt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird eine räumliche Beziehung zwischen dem virtuellen Griffstück und dem biologischen Gewebe erfasst. Die räumliche Beziehung beinhaltet insbesondere einen räumlichen Abstand (eine kürzeste Entfernung) zwischen dem Griffstück und dem biologischen Gewebe und einen Bestrahlungsabstand als der Abstand zwischen der Austrittsstelle des Laserstrahls aus dem Griffstück und dem Schnittpunkt der Strahlachse des Laserstrahls mit der Oberfläche des biologischen Gewebes, wobei der räumliche Abstand und der Bestrahlungsabstand nicht identisch sein müssen. Insbesondere hängt der räumliche Abstand von der Form des Griffstücks und derjenigen des biologischen Gewebes ab. Die räumliche Beziehung beinhaltet ferner einen Winkel zum Beispiel zwischen der Längsachse des Griffstücks und einer charakteristischen Achse des biologischen Gewebes. Ist das biologische Gewebe zum Beispiel ein Zahn, so ist die charakteristische Achse vorteilhafterweise dessen Zahnachse, also dessen Längsachse, die, sofern er einwurzelig ist, von der Mitte der Schneidekante bzw. Kaufläche zur Wurzelspitze, sofern er mehrwurzelig ist, von der Mitte der Kaufläche zur Mitte der Bifurkation bzw. Trifurkation gedacht ist. Vorteilhafterweise umfasst der Simulator ein Ansichtseinstellmittel, mit dessen Hilfe die auf dem Bildschirm dargestellte Ansicht umgeschaltet oder kontinuierlich gedreht werden kann, wobei vorteilhafterweise die Längsachse des Griffstücks und die charakteristische Achse des biologischen Gewebes in unterschiedlichen Farben dargestellt sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 7 umfasst der Simulator eine Eingabevorrichtung zur Eingabe von Laserparametern und Gewebeparametern. Die Laserparameter umfassen zum Beispiel (vgl. Ansprüche 10 und 11) den Aussendemodus, kontinuierlich oder gepulst, die Wellenlänge λ oder den Wellenlängenbereich Δλ des Laserstrahls, die Leistung und den Öffnungswinkel. Die Gewebeparameter umfassen zum Beispiel die Art des Gewebes (Epithelgewebe, Binde- oder Stützgewebe, Muskelgewebe, Nervengewebe; insbesondere Zahngewebe (und hier z. B. – vgl. Anspruch 12 – Zahnhartgewebe oder Zahnweichgewebe), den Reflexions- und Absorptionsgrad für die verwendete Wellenlänge λ, die Oberflächenfeuchtigkeit oder Benetzung (zum Beispiel durch Speichel), die Härte und die Wärmeleitfähigkeit, die insbesondere auch im Hinblick auf eine Übertragung der eingebrachten Energie auf tieferliegende Gewebeschichten wichtig ist. Die Möglichkeit der Eingabe dieser Parameter ermöglicht eine flexible Anpassung im Hinblick zum Beispiel auf die optimale Behandlungszeitspanne Δt oder den kürzesten Bestrahlungsabstand.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 8 wird der Laserstrahl und die Auftreff- oder Bestrahlungsoberfläche des Laserstrahls auf dem biologischen Gewebe auf dem Bildschirm angezeigt; diese wird umso größer, je größer der Bestrahlungsabstand und der Einfallswinkel des Laserstrahls ist und nimmt z. B. bei einer Kaufläche eines Molaren oder Prämolaren eine komplizierte Form an. Da diese Form vom Anwender anfangs in der Regel nicht abgeschätzt werden kann, bietet die – vorzugsweise farbliche – Anzeige der Auftreff- oder Bestrahlungsoberfläche dem Anwender ein optimales Hilfsmittel, ein Gefühl für die Strahlungsverteilung zu entwickeln und das Griffstück stets so zu halten oder zu positionieren, dass nur der zu behandelnde Oberflächenbereich bestrahlt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 9 wird zudem die Energiedichte- bzw. Strahlungsleistungsverteilung auf der Auftreffoberfläche angezeigt. Die in einem Oberflächenelement dA des biologischen Gewebes deponierte Strahlungsleistung errechnet sich in bekannter Weise auf der Grundlage des fotometrischen Grundgesetzes, in dem die Winkelabhängigkeit zwischen der Strahlerfläche (Laserstrahlaustrittsoberfläche an dem Griffstück) und dem Oberflächenelement dA durch das lambertsche Kosinusgesetz und die Abstandsabhängigkeit der Strahlungsintensität durch das fotometrische Entfernungsgesetz enthalten sind. Der Computer errechnet auf der Grundlage der räumlichen Beziehung und der Laserparameter sowie dem oben genannten mathematischen Zusammenhang eine Energiedichteverteilung, die zum Beispiel farblich angezeigt werden kann. Alternativ und ebenso intuitiv und schnell erfassbar ist eine Darstellung der Energiedichteverteilung über die gedachte Projektion eines ebenen Gitternetzes auf die Oberfläche des biologischen Gewebes, dessen ursprünglich gleich große Maschen durch die Oberfläche des biologischen Gewebes in charakteristischer Weise verformt erscheinen, wobei allerdings insofern u. U. umgedacht werden muss, als kleine Maschen eine geringe Energiedichte bedeuten und umgekehrt. Vorteilhafterweise ermöglicht der erfindungsgemäße Simulator eine Darstellung einer beliebigen Schnittebene und die eindimensionale Energiedichteverteilung entlang der darin sichtbaren Oberflächenlinie. Vorzugsweise können die 3D-Ansicht sowie die Schnittansicht in getrennten Fenstern gleichzeitig auf dem Bildschirm angezeigt werden. Insbesondere in einer solchen Schnittansicht kann eine sich parallel zu der Oberflächenlinie erstreckende Fläche dargestellt sein, deren z. B. dem biologischen Gewebe abgewandte Grenzlinie z. B. eine maximale Energiedichte für die jeweilige Behandlungssituation und deren dem biologischen Gewebe zugewandten Grenzlinie z. B. eine zur Erzielung der gewünschten Wirkung, z. B. einer Gewebeablation, minimale Energiedichte anzeigt. Die tatsächliche Energiedichte sollte stets innerhalb dieses Korridors liegen und kann bei Abweichungen hiervon dem Anwender visuell und/oder akustisch signalisiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach den Ansprüchen 10 und 11 kann – auch hier insbesondere in einer Schnittansicht – ein auf der Energiedichteverteilung und der Gewebeparameter basierender Materialabtrag auf dem Bildschirm dargestellt sein. Der Materialabtrag kann in der 3D-Ansicht erfindungsgemäß z. B. so dargestellt sein, dass lediglich die momentan gewonnene Oberflächenstruktur sichtbar ist, oder so, dass die ursprüngliche Gestalt des biologischen Gewebes als transparenter Schatten über der momentan gewonnen Oberflächenstruktur sichtbar bleibt. Der letztgenannte Fall bietet den Vorteil, dass die lokal abgetragene Materialmenge sichtbar ist, woraus sehr gut erkennbar ist, in welcher „Tiefe” im Gewebe man Strahlung appliziert. Für die Darstellung in der Schnittansicht gilt im Wesentlichen Entsprechendes, mit dem Vorteil jedoch, dass die abgetragene Materialmenge nicht transparent dargestellt werden muss, wodurch die Deutlichkeit der Darstellung verbessert ist. Es ist zu beachten, dass sich natürlich die Form des oben beschriebenen Korridors und die Energiedichteverteilung bei konstant gehaltener Position des Griffstücks während der Behandlung aufgrund des kontinuierlich erfolgenden Materialabtrags verändert. Hierdurch kann sich die Energiedichte lokal schnell verändern und ebenso schnell über das zulässige Maximum ansteigen. Dies ist insbesondere bei Behandlungen zu berücksichtigen, in der der Materialabtrag im Wesentlichen diskontinuierlich, in „größeren” Volumeneinheiten, z. B. durch „Abspringen” von Zahnteilen erfolgt. Vorteilhafterweise kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine bei einer gegebenen Behandlungssituation zu erwartende diskontinuierliche Abtragung im Voraus signalisiert werden, so dass z. B. die Leistung reduziert wird, um kleinere Abtragungen pro Zeiteinheit zu erhalten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 16 ist der Laser ein Nd:YAG-, Ho:YAG- oder Er:YAG-Laser, also ein Neodym, Holmium bzw. Erbium dotierter Ittrium-Aluminium-Granat-Laser. Die Wellenlängen dieser Laser betragen 1024 nm, 2127 nm bzw. 2940 nm. Die verwendeten Wellenlängen sind jedoch erfindungsgemäß nicht auf die genannten begrenzt. Sie richten sich vielmehr nach dem zu behandelnden Gewebe, genauer dessen spektralem Absorptionsgrad, wobei ein hoher Absorptionsgrad eine geringe Tiefenwirkung und damit eine hohe Volumenenergiedichte bedeutet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 18 umfasst der Simulator eine Signaleinrichtung zur Signalisierung eines Mindestabstandes zwischen dem Griffstück und dem biologischen Gewebe. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist unter dem „Mindestabstand” insbesondere der räumliche Abstand zu verstehen, dessen Unterschreitung signalisiert wird. Ist der tatsächliche Abstand kleiner als der Mindestabstand, so besteht die Gefahr, dass das Griffstück das biologische Gewebe berührt. Dies kann vor allem in Situationen geschehen, in denen der ungeübte Anwender sich auf den Laserstrahl bzw. dessen Auftreffoberfläche auf dem biologischen Gewebe konzentriert und das Griffstück relativ breit ist (seitliche Berührung).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 19 ist erfindungsgemäß die Bewegung des realen Griffstücks in einen Bereich um das biologische Gewebe blockiert, der ein Unterscheiten des Mindestabstandes zwischen dem virtuellen Griffstück und dem biologischen Gewebe bedeuten würde. Vorteilhafterweise kann dieses Konzept dahingehend erweitert werden, dass auch eine Translationsbewegung des realen Griffstücks von dem biologischen Gewebe weg und/oder eine Winkelbewegung des realen Griffstücks (in Abhängigkeit von dessen Position) begrenzt ist, das reale Griffstück folglich nur innerhalb eines dreidimensionalen Korridors um das zu behandelnde biologische Gewebe bewegt werden kann. Das bedeutet, dass zum Beispiel im Falle einer Zahnbehandlung auf dem Bildschirm nicht nur der zu behandelnde Zahn, sondern auch dessen Position im Mundraum dargestellt ist. Dies ist wichtig, da der Mundraum die Bewegungsfreiheit des Griffstücks zur Behandlung zum Beispiel eines Zahnes oder eines anderen Gewebes wie etwa Zahnfleischgewebe einschränkt, und dies umso stärker, je tiefer sich der Zahn oder das Gewebe im Mundraum befindet. So erfordert die Behandlung eines hinteren Backenzahnes eine größere Geschicklichkeit als die eines Schneide- oder Eckzahnes.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 20 umfasst der Simulator wenigstens ein zweites reales Griffstück, das auf dem Bildschirm in räumlicher Relation zu dem biologischen Gewebe und dem realen Griffstück dargestellt wird, und gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 21 umfasst der Simulator wenigstens eine weitere Bewegungserfassungseinrichtung zur Erfassung einer Kopfbewegung eines Patienten und/oder von Operateuren und eine 3D-Visualisierungseinrichtung umfasst. Diese zusätzlichen Merkmale machen die Anwendung des erfindungsgemäßen Simulators immer realistischer; der Anwender kann sie vorteilhafterweise nach beliebiger Übungszeit mit dem Simulator einzeln oder in Kombination hinzuschalten. Die Darstellung des sich bewegenden Kopfes des Patienten auf dem Bildschirm kann in einfachster Weise dadurch geschehen, dass nur das biologische Gewebe schematisch gezeigt ist und typische Bewegungen auf dem Bildschirm ausführt. Um eine höhere Realitätstreue zu erreichen, kann z. B. im Dentalbereich schematisch ein Kopf mit geöffnetem Mund auf dem Bildschirm angezeigt sein. Der Anwender lernt somit, auf durch Schmerz verusachte, reflektorische Bewegungen des Patienten zu reagieren. Die Erfassung der Kopfbewegung der Operateure schließlich dient dazu, den Bildraum aus dem Blickwinkel eines jeweiligen Operateurs (eines oder mehrerer) darzustellen. Vorteilhafterweise kann die Darstellung auf dem Bildschirm derart sein, dass mit Hilfe von 3D-Brillen, durch die das linke und das rechte Auge unterschiedliche Informationen, d. h. Perspektiven wahrnehmen, eine dreidimensionaler Eindruck entsteht. Dies kann durch unterschiedliche Farbgebung des linken bzw. rechten Glases der 3D-Brillen, z. B. rot und grün, oder durch unterschiedlich polarisiertes Licht erfolgen. Vorteilhafterweise können Operateure mit Brillen ausgestattet sein, in denen jeweils ein eigenständiger Bildschirm integriert ist, so dass – insbesondere in einem Fall, in dem mehrere Operateure oder Assistent(inn)en an dem Simulator arbeiten, jeder seinen individuellen Blickwinkel hat. Die Operateure befinden sich somit in einer dreidimensionalen „kooperativen virtuellen Realität”. Vorteilhafterweise umfasst der Simulator eine 3D-Brille, die zwischen den zwei oder mehreren Perspektiven umschaltbar ist und für einen Supervisor gedacht ist, der den Lernvorgang mehrerer Anwender überwacht und durch Umschalten dessen jeweilige Perspektive einnehmen kann.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (3D-Darstellung); und
2 eine schematische Ansicht der Ausführungsform von 1 (2D-Darstellung).
Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst ein Simulator 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein (reales) Griffstück 12, das einen Laserkopf eines Lasers (nicht gezeigt) repräsentiert, einen Computer 14, eine Tastatur 16, einen Bildschirm 18 und einen Lautsprecher 20.
Das Griffstück 12 ist so gelagert, dass es von einem Anwender des Simulators 10 in einem x, y, z-Objektraum (dem Anschauungsraum) beliebig verlagert werden kann; es besitzt somit 3 Freiheitsgrade {x, y, z} der Translation und drei Freiheitsgrade {ω_x, ω_y, ω_z} der Rotation um Achsen x, y bzw. z des x, y, z-Objektraums. Das Griffstück 12 bzw. dessen Halterung (nicht gezeigt) ist über eine bidirektionale Datenleitung 22 mit dem Computer 14 verbunden. Über die Datenleitung 22 werden zum einen von einer Bewegungserfassungseinrichtung (nicht gezeigt), die in der Halterung integriert ist, erfasste Bewegungsdaten der Bewegung des Griffstücks 12 an den Computer 14 gesendet. Zum anderen können von dem Computer 14 Daten an die Halterung gesendet werden, die in vorbestimmten Situationen bestimmte Bewegungen des Griffstücks 12 blockiert. Das heißt, die Halterung erfüllt eine passive Funktion, in der sie Bewegungen des Griffstücks 12 zulässt, und eine aktive Funktion, in der sie bestimmte Bewegungen verhindert. Das Griffstück 12 umfasst ferner einen Schalter 24, der über eine Leitung 26 mit dem Computer 14 verbunden ist. In der Leitung 26 ist zudem ein Schalter 28 angeordnet, der mit dem Schalter 24 in Reihe geschaltet ist. Beide Schalter 24, 28 sind Schließer, wobei der Schalter 24 durch Fingerdruck und der Schalter 28 mit dem Fuß betätigt wird.
Der Bildschirm 18 ist über eine Leitung 30 mit dem Computer 14 verbunden und wird von diesem angesteuert. Der Bildschirm 18 zeigt einen x', y', z'-Bildraum, in dem ein zu dem realen Griffstück 12 in Größe und Form identisches virtuelles Griffstück 32 in räumlicher Relation zu einem zu behandelnden biologischen Gewebe 34 dargestellt ist. Der Computer 14 erzeugt aus den Bewegungsdaten des realen Griffstücks 12 Bewegungsdaten des virtuellen Griffstücks 32, so dass das virtuelle Griffstück 32 in Echtzeit der Bewegung des realen Griffstücks 12 folgt. Der Computer erzeugt somit eine Abbildung (v_x, v_y, v_z, ω_x, ω_y, ω_z)_real ↦ (v_x', v_y', v_z', ω_x', ω_y', ω_z') virtuell des realen Objektraumes in den virtuellen Bildraum. Die korrelierende Bewegung zwischen dem realen Griffstück 12 und dem virtuellen Griffstück 32 ist in 1 derart schematisch dargestellt, dass das Griffstück 12, 14 von einer Anfangsposition
zu einer Endposition
bewegt wird, die jeweils im Objekt- und Bildraum gezeigt sind.
In 1 sind durch Pfeile 36 und 38 Laserstrahlen in der Anfangsposition
bzw. der Endposition
auf dem Bildschirm 18 gezeigt. In der Zwischenposition
sind hingegen keine Pfeile gezeigt, womit angedeutet sein soll, dass der Laserstrahl nach Behandlung eines ersten Oberflächenelements dA1 aus- und nach Überführen des Laserkopfes 12, 32 in die Position
zur Behandlung eines zweiten Oberflächenelements dA2 wieder eingeschaltet werden kann. Der Laserkopf 12, 32 sendet einen Laserstrahl nur während einer Behandlungszeitspanne Δt aus, während der sowohl der Schalter 24 des realen Griffstücks 12 als auch der Schalter 28 betätigt wird. Insbesondere dient der Schalter 28 wie es oben bereits erwähnt ist dazu, ein ungewolltes Aussenden des Laserstrahls zu verhindern. Auf dem Bildschirm wird somit ein einen Laserstrahl repräsentierenden Pfeil nur dann angezeigt, wenn beide Schalter 24, 28 gleichzeitig betätigt werden.
Die den Laserstrahl repräsentierenden Pfeile 36, 38 beginnen am unteren Ende des virtuellen Griffstücks 32 (Austrittsstelle des Laserstrahls aus dem Laserkopf) und enden in den Oberflächenelementen dA1 bzw. dA2. Damit der Computer 14 die Position, Länge und Richtung der Pfeile 36, 38 korrekt wiedergeben kann, muss eine Referenzposition sowohl des realen Griffstücks 12 als auch des virtuellen Griffstücks 32 definiert sein. Die Referenzposition kann als weitere Position auf dem Bildschirm 18 dargestellt sein.
Der Bildschirm 34 zeigt ferner mehrere Fenster 40, die der Darstellung z. B. von Laserparametern und Gewebeparametern dienen, die über die Tastatur 16 eingegeben oder aus einem Speicher (nicht dargestellt) des Computers 14 abgerufen werden. Insbesondere ist in 1 zum Beispiel eine durch doppelte Linienführung angedeutete 3D-Ansicht gezeigt, und der entsprechende Hinweise steht im obersten der Fenster 40, während in 2 eine 2D-Ansicht gezeigt ist. Entsprechend können noch weitere Ansichten wie etwa die oben beschriebene Schnittansicht dargestellt sein. Warnsignale, die ein unterschreiten eines Mindestabstandes zwischen dem Griffstück 32 und dem biologischen Gewebe 34 anzeigen, können ebenfalls auf dem Bildschirm angezeigt und/oder durch den Lautsprecher 20 akustisch vermittelt werden.
Bezugszeichenliste

10: Simulator
12: reales Griffstück
14: Computer
16: Tastatur
18: Bildschirm
20: Lautsprecher
22: Datenleitung
24: Schalter
26: Leitung
28: Schalter
30: Leitung
32: virtuelles Griffstück
34: biologisches Gewebe
36: Laserstrahl
38: Laserstrahl
40: Fenster

Claims

Simulator zur Simulation einer Behandlung eines biologischen Gewebes, wobei der Simulator umfasst: – ein reales Griffstück mit drei Freiheitsgraden der Translation und drei Freiheitsgraden der Rotation; – ein Bildschirm zur Darstellung eines dreidimensionalen Modells eines Behandlungsbereichs mit dem biologischen Gewebe und einem virtuellen Griffstück; – eine Bewegungserfassungseinrichtung zur Erfassung der dreidimensionalen Bewegung des realen Griffstücks; und – einen Computer mit einem Simulationsprogramm, durch das das virtuelle Griffstück auf der Grundlage der durch die Bewegungserfassungseinrichtung erfassten Bewegung des realen Griffstücks auf dem Bildschirm in räumlicher Relation zu dem biologischen Gewebe bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – das reale Griffstück einen Laserkopf zur Ausstrahlung eines Laserstrahls eines Lasers zur berührungslosen Behandlung des biologischen Gewebes simuliert.
Simulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Simulator einen Schalter umfasst und den Laserstrahl aussendet, solange der Schalter betätigt wird.
Simulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Signalgeber umfasst, das während der Betätigung des Schalters ein akustisches Signal aussendet.
Simulator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Simulator eine Zeiterfassungseinrichtung zur Erfassung der Betätigungszeit des Schalters umfasst.
Simulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellung auf dem Bildschirm im Maßstab verkleinert oder vergrößert dargestellt wird.
Simulator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche Beziehung zwischen dem virtuellen Griffstück und dem biologischen Gewebe erfasst wird.
Simulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Eingabevorrichtung zur Eingabe von Laserparametern und Gewebeparametern umfasst.
Simulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsprogramm auf der Grundlage der räumlichen Beziehung und der Laserparameter den Laserstrahl und eine Auftreffoberfläche des Laserstrahls auf dem biologischen Gewebe auf dem Bildschirm anzeigt.
Simulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsprogramm auf der Grundlage der räumlichen Beziehung und der Laserparameter eine Energiedichteverteilung auf der Auftreffoberfläche anzeigt.
Simulator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsprogramm auf der Grundlage der Energiedichteverteilung und der Gewebeparameter den Materialabtrag auf dem Bildschirm anzeigt.
Simulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulatorprogramm den Materialabtrag in einer Schnittansicht durch das biologische Gewebe auf dem Bildschirm anzeigt.
Simulator nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserparameter die Wellenlänge, die Leistung, den Öffnungswinkel des Laserstrahls und/oder die Art des Laserstrahls enthalten.
Simulator nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewebeparameter die Materialzusammensetzung, die Härte, die Farbe, den spektralen Reflexionsgrad und/oder die Oberflächenrauhigkeit enthalten.
Simulator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe Zahnhartgewebe oder Zahnweichgewebe ist.
Simulator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe Zahnfleischgewebe ist.
Simulator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Nd:YAG-, ein Ho:YAG- oder ein Er:YAG-Laser ist.
Simulator nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter in dem Griffstück integriert oder ein Fußschalter ist.
Simulator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Signaleinrichtung zur Signalisierung eines ungewünschten Kontakts zwischen dem Griffstück und dem Gewebe umfasst.
Simulator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Blockierungseinrichtung umfasst, die eine Bewegung des realen Griffstücks in eine Richtung blockiert, in der das virtuelle Griffstück einen Mindestabstand zu dem biologischen Gewebe unterschreitet.
Simulator nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens ein weiteres reales Griffstück umfasst, das auf dem Bildschirm in räumlicher Relation zu dem biologischen Gewebe und dem realen Griffstück dargestellt wird.
Simulator nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens eine weitere Bewegungserfassungseinrichtung zur Erfassung einer Kopfbewegung eines Patienten und/oder von Operateuren und eine 3D-Visualisierungseinrichtung umfasst.
Verfahren zur Simulation einer Behandlung eines biologischen Gewebes mit Hilfe des Simulators nach einem der Ansprüche 1 bis 21, mit den Schritten: – Bewegen eines als Laserkopf ausgebildeten realen Griffstücks in einem reellen sechsdimensionalen Phasenraum; – Abbilden der Bewegung des realen Griffstücks auf eine Bewegung eines virtuellen Griffstücks in einem virtuellen sechsdimensionalen Phasenraum; – Darstellen der Bewegung des virtuellen Griffstücks in einer räumlichen Beziehung zu dem biologischen Gewebe auf einem Bildschirm des Simulators; und – Bestrahlen des biologischen Gewebes mit einem von dem Laserkopf ausgesendeten Laserstrahl.