DE102013214402A1

DE102013214402A1 - Organphantom

Info

Publication number: DE102013214402A1
Application number: DE102013214402.4A
Authority: DE
Inventors: Max Fröhlich; Michael Strohmayr; Robert Haslinger; Ulrich Seibold; Erhard Krampe; Erich Wintermantel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2014-09-11

Abstract

Künstliches Gewebe, insbesondere ein Organphantom, für das Training eines robotergestützten minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs, wobei das künstliche Gewebe (10) aufweist: einen Verbund aus Kugeln (12), aufweisend eine Vielzahl von Kugeln (12) aus einem ersten Material, die jeweils mit einer Schicht eines zweiten Materials (14), das härter ist als das erste Material, verkapselt sind, wobei die verkapselten Kugeln (12) über ihre jeweilige Verkapselungsschicht (14) miteinander mechanisch verbunden sind und so den Kugelverbund bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Organphantom für das Training eines robotergestützten minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Organphantoms.
In der robotergestützten minimalinvasiven Chirurgie steuert der Operateur ein Teleoperationssystem von einer Eingabestation aus. Durch die Entkopplung von Instrument und Operateur geht die haptische Wahrnehmung der Interaktion der Instrumentenspitze mit dem umliegenden Gewebe für den Operateur verloren. Um diesen Effekt zumindest teilweise auszugleichen, ist es bekannt, ein minimalinvasives Instrument mit einem 6-Achs Kraft-Momentensensor (vgl. DE 10 2007 037 262 B3 ) mit einer Eingabestation mit Kraftrückkopplung (siehe z.B. www.forcedimension.com) zu kombinieren.
Aufgrund dieser neuartigen Möglichkeit der interkorporalen Palpation des Operationssitus mit Hilfe des beschrieben Systems sind Trainingssysteme für die Schulung und Verifikation dieser medizinischen Technik notwendig. Hierzu sind verschiedene Ansätze bekannt. Diese sind in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
Coles, T., Meglan, D., John, N.: The Role of Haptics in Medical Training Simulators: A Survey of the State of the Art. Haptics, IEEE Transactions on, 2011, 4(1), 51–66
Dunkin, B., Adrales, G., Apelgreen, K., et al: Surgical Simulation: a Current Review. Surgical Endoscopy, 2007, 21(3), 357–366
Gillen, S., Fiolka, A., Schneider, A., et al.: ELITE: Das neue hochimmersive Trainings- und Simulationssystem, für NOTES. Journal für Gastroenterologische und Hepatologische Erkrankungen, 2010, 8(2), 12–16
Fröhlich, M.: Towards Realistic Haptic Organ Phantoms for Medical Training on Minimally Invasive Robotic Surgery Systems. Master Thesis, Technische Universität München, 2012
Sliwinski, G., Schneider A., Schulz, M. et al.: Physical Organ Phantoms for Training in Minimal Invasive Surgery (MIS). In: O. Dössel, W.C. Schlegel, R. Magjarevic (Hg.), World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, September 7–12, 2009, Munich, Germany, Springer Berlin Heidelberg, 2009, Bd. 25 von IFMBE Proceedings, 120–123
Zhang, Y., Phillips, R, Ward, J., et al.: A Survey of Simulators for Palpitation Training. Studies in Health Technology and informatics, 2009, 142, 444–446
DE 197 16341 A1
US 6,474,993
US 7,419,376 B2
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung für das Training eines robotergestützten minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs mit Kraftrückkopplung bereit zu stellen. Ferner soll ein Verfahren für die Herstellung einer solchen Vorrichtung bereitgestellt werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 1 sowie durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 3.
Das erfindungsgemäße künstliche Gewebe ist insbesondere ein Organphantom für das Training eines robotergestützten minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs und weist einen Verbund aus Kugeln, insbesondere Polymerkugeln auf. Dieser Verbund weist eine Vielzahl von Kugeln auf, die jeweils mit einer Schicht eines zweiten Materials, insbesondere eines zweiten Polymers, das härter ist als das erste Material, verkapselt sind. Die verkapselten Kugeln sind über ihre jeweilige Verbindungsschicht miteinander mechanisch verbunden und bilden so den Kugelverbund.
Es ist bevorzugt, dass die Kugeln ein Silikonmaterial, ein Polymer, einen Polymerverbund oder ein Biopolymer aufweisen.
Durch das erfindungsgemäße Organphantom kann bspw. das Parenchym der Leber auf der Strukturebene der Leberläppchen dargestellt werden. Hierzu können die Kugeln einen Durchmesser von 1 bis 2.500 µm, bevorzugt 10 bis 2000 µm und besonders bevorzugt 150 bis 500 µm aufweisen und entsprechen somit den verschiedenen morphologischen Struktureinheiten des oben genannten Lebergewebes. Diese bestehen unter anderem aus radiär verlaufenden Leberzellen, welche von einer dünnen Schicht aus Bindegewebe umgeben sind.
Der neuartige Ansatz eines erfindungsgemäßen Organphantoms besteht insoweit darin, das Organ nicht als makroskopisches Modell, wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Ansätzen, sondern auf einer tieferen Strukturebene des hierarchischen Aufbaus des Gewebes zu imitieren. Hierdurch können bspw. die stark nicht-linearen viskoelastischen Eigenschaften nachgebildet werden wie z.B. das Spannungs-Dehnungs-Verhalten, die Hysterese bei zyklischer Belastung oder das Relaxationsverhalten.
Die Aufgabe der härteren Verkapselungsschicht ist, dass sie die Formänderung des innenliegenden Polymermaterials bei einer Kompressionsbelastung beschränkt. Wird das Organphantom leicht verformt, verhält sich der Materialverbund sehr weich, da die mechanischen Eigenschaften des innenliegenden Materials überwiegen. Bei zunehmender Kompression wird eine Ausdehnung des ersten Materials zunehmend durch die härtere Verkapselungsschicht beschränkt. Hierdurch kommt es zu einem Spannungsanstieg mit zunehmender Druckbelastung. Hierdurch ist es möglich, das charakteristische Spannungsdehnungsverhältnis des biologischen Gewebes nachzubilden. Der zweite Zweck der Verkapselungsschicht besteht darin, die einzelnen verkapselten Kugeln miteinander zu verbinden, indem eine verbindende Matrix für diese weichen Kugeln gebildet wird.
Der Begriff Kugeln wird erfindungsgemäß derart verstanden, dass die Kugeln nicht exakt kugelförmig ausgebildet sein müssen, sondern im Wesentlichen die Form einer Kugel aufweisen. Durch den Herstellungsprozess kann es bspw. vorkommen, dass die Kugeln eine unregelmäßige Form aufweisen, die von der geometrischen Kugelform abweicht. Insbesondere wird erfindungsgemäß unter einer Kugel ein Körper verstanden, der durch das tropfenweise Einbringen des ersten Materials in eine inerte Lösung gemäß dem im Folgenden beschriebenen Verfahren entsteht. Derartig hergestellte Kugeln werden im Wesentlichen kugelförmig sein, wobei hier auch eine Abweichung von der Kugelform möglich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines künstlichen Gewebes, insbesondere eines Organphantoms, für das Training eines robotergestützten minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs weist die folgenden Schritte auf: zunächst wird ein erstes Material tropfenweise in einem gegenüber dem Material chemisch inerte Lösung eingebracht. Dies kann bspw. durch eine Pipette oder eine ähnlich Vorrichtung erfolgen.
Das Volumen eines Tropfens des ersten Polymers kann betragen 4,19 × 10^–9 mm³ bis 65,45 mm³, bevorzugt 4,19 × 10^–6 mm3 bis 33,51 mm³ und besonders bevorzugt 14,13 × 10^–3 mm³ bis 0,52 mm³.
An der Oberfläche der chemisch inerten Lösung befindet sich eine flüssige Schicht eines zweiten Materials, das härter als das erste Material ist. Das erste Material passiert beim Eindringen in die chemisch inerte Lösung die Schicht des zweiten Materials, so dass sich um den Tropfen des ersten Materials herum eine Verkapselungsschicht durch das zweite Material bildet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann das erfindungsgemäße Organphantom auf sehr einfache Weise hergestellt werden.
Es ist bevorzugt, dass anschließend an die beschriebenen Verfahrensschritte eine Vulkanisierung der Verkapselungsschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht stattfindet.
Weiterhin ist bevorzugt, dass das erste Material derart in die chemisch inerte Lösung eingebracht wird, dass die einzelnen Kugeln sich am Boden eines Gefäßes für die chemisch inerte Lösung in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander sammeln. Beim Einbringen einer Vielzahl von Tropfen des ersten Materials wird sich am Boden des Gefäßes ein Haufen von Kugeln bilden.
Es ist bevorzugt, diese Kugeln durch das UV-Licht mechanisch miteinander zu verbinden, indem die Verkapselungsschicht jeder Kugel vulkanisiert wird und sich hierbei mit der Verkapselungsschicht benachbarter Kugeln verbindet. Hierdurch wird eine Matrix geschaffen, die die einzelnen Kugeln zusammenhält.
Es ist bevorzugt, dass die Schicht des zweiten Materials auf der chemisch inerten Lösung eine Dicke von 1 bis 500 µm, bevorzugt 10 bis 450 µm und besonders bevorzugt 100 bis 300 µm aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sämtliche Merkmale aufweisen, die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben wurden und umgekehrt.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand einer Figur erläutert.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
Mit Hilfe einer Pipette (22) oder einer anderen Einbringvorrichtung wird das erste Polymermaterial (12) tropfenweise in die chemisch inerte Lösung (16) eingebracht. Diese ist bevorzugt temperaturleitend.
An der Oberfläche (16a) der chemisch inerten Lösung (16) befindet sich eine dünne Schicht eines zweiten Polymermaterials (14), das härter als das erste Polymermaterial (12) ist. Beim Passieren dieser Schicht (14) bildet sich um die Polymerkugeln (12) herum eine Verkapselungsschicht (14). Die einzelnen Polymerkugeln sinken auf den Boden des Gefäßes (20) und bilden einen Haufen einzelner Polymerkugeln, die in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet sind.
Über eine UV-Lichtquelle (20) wird UV-Licht (18) in den Behälter (20) eingebracht, so dass die Polymerkugeln (12) bestrahlt werden. Dies führt zu einer Vulkanisierung der Verkapselungsschicht (14), so dass sich die Verkapselungsschicht (14) einer Polymerkugel mechanisch mit der Verkapselungsschicht benachbarter Polymerkugeln verbindet.
Das erfindungsgemäße Organphantom kann in vorteilhafter Weise für das Training eines robotergestützten minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs mit Kraftrückkopplung verwendet werden, da es die mechanischen Eigenschaften eines zu bearbeitenden Gewebes z.B. des Leberparenchyms sehr genau nachbildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007037262 B3 [0002]
DE 19716341 A1 [0003]
US 6474993 [0003]
US 7419376 B2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

www.forcedimension.com [0002]
Coles, T., Meglan, D., John, N.: The Role of Haptics in Medical Training Simulators: A Survey of the State of the Art. Haptics, IEEE Transactions on, 2011, 4(1), 51–66 [0003]
Dunkin, B., Adrales, G., Apelgreen, K., et al: Surgical Simulation: a Current Review. Surgical Endoscopy, 2007, 21(3), 357–366 [0003]
Gillen, S., Fiolka, A., Schneider, A., et al.: ELITE: Das neue hochimmersive Trainings- und Simulationssystem, für NOTES. Journal für Gastroenterologische und Hepatologische Erkrankungen, 2010, 8(2), 12–16 [0003]
Fröhlich, M.: Towards Realistic Haptic Organ Phantoms for Medical Training on Minimally Invasive Robotic Surgery Systems. Master Thesis, Technische Universität München, 2012 [0003]
Sliwinski, G., Schneider A., Schulz, M. et al.: Physical Organ Phantoms for Training in Minimal Invasive Surgery (MIS). In: O. Dössel, W.C. Schlegel, R. Magjarevic (Hg.), World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, September 7–12, 2009 [0003]
Munich, Germany, Springer Berlin Heidelberg, 2009, Bd. 25 von IFMBE Proceedings, 120–123 [0003]
Zhang, Y., Phillips, R, Ward, J., et al.: A Survey of Simulators for Palpitation Training. Studies in Health Technology and informatics, 2009, 142, 444–446 [0003]

Claims

Künstliches Gewebe, insbesondere ein Organphantom, für das Training eines robotergestützten minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs, wobei das künstliche Gewebe (10) aufweist: einen Verbund aus Kugeln (12), aufweisend eine Vielzahl von Kugeln (12) aus einem ersten Material, die jeweils mit einer Schicht eines zweiten Materials (14), das härter ist als das erste Material, verkapselt sind, wobei die verkapselten Kugeln (12) über ihre jeweilige Verkapselungsschicht (14) miteinander mechanisch verbunden sind und so den Kugelverbund bilden.
Künstliches Gewebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (12) ein Silikonmaterial, ein Polymer, einen Polymerverbund oder ein Biopolymer aufweisen.
Verfahren zum Herstellen eines künstlichen Gewebes, insbesondere eines Organphantoms, für das Training eines robotergestützten, minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweiset: tropfenweises Einbringen eines ersten Materials (12) in eine gegenüber dem ersten Material (12) chemisch inerte Lösung (16), wobei sich an der Oberfläche (16a) der chemisch inerten Lösung (16) eine flüssige Schicht (14a) eines zweiten Materials (14), das härter als das erste Material (12) ist, befindet, wobei das erste Material (12) beim Einbringen in die chemisch inerte Lösung (16) die Schicht (14a) des zweiten Materials (14) passiert, so dass sich um den Tropfen den ersten Materials (12) herum eine Verkapselungsschicht (14) durch das zweite Material bildet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, durch den anschließenden Schritt: Vulkanisierung der Verkapselungsschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht (18).
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (12) derart in die chemisch inerte Lösung (16) eingebracht wird, dass die einzelnen Kugeln sich am Boden (20a) eines Gefäßes (20) für die chemische inerte Lösung (16) in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander sammeln.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch das UV-Licht (18) die Kugeln (12) mechanisch miteinander verbunden werden, indem die Verkapselungsschicht (14) jede Kugel (12) vulkanisiert wird und sich hierbei mit der Verkapselungschicht (14) benachbarter Kugeln (12) verbindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (14a) des zweiten Materials (14) auf der chemisch inerten Lösung (16) eine Dicke von 1 bis 500 µm, 10 bis 450 µm und besonders bevorzugt 100 bis 300 µm aufweist.