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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Operationstraining, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, umfassend ein aus zumindest zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, insbesondere ein Knochenmodell, und wenigstens ein Anzeigegerät, insbesondere in Form einer VR- oder Mixed Reality Brille, welches eine natürliche Wahrnehmung des Anatomiemodel durch einen Betrachter oder Trainierenden mit einer künstlichen Wahrnehmung des Anatomiemodell vermischt.
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Das klinische Umfeld stützt sich vorwiegend auf anatomische Ausbildungs- und Lehrmodelle. In der Wirbelsäulenchirurgie zeigt sich die zunehmende Prävalenz von chronischen Rückenschmerzen aufgrund von Bandscheibendegenerationen, skoliotischen Deformitäten oder Frakturen, welche operative Stabilisierungen der Wirbelsäule durch beispielsweise die Platzierung von Pedikelschrauben erforderlich machen. Auch Indikationen wie offene Frakturen mit Weichteilschädigungen, Trümmerfrakturen, Luxationen (Ellbogen, Knie), Arthrodesen, z. B. am Kniegelenk als gelenkübergreifender Fixateur externe, Frakturen der Halswirbelsäule (Halofixateur) oder Kallusdistraktion, evtl. mit Segmenttransport Knochenfrakturen des Skelettsystems machen die Stabilisierung mittels eines Fixateur externe mittels der Durchführung von Pins durch die Haut in den Knochen notwendig.
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Insbesondere bei der gegenwärtigen thorakolumbalen Pedikelschrauben-Stabilisierung, bei der hauptsächlich Freihand-, Durchleuchtungsführung und stereotaktische Navigation eingesetzt werden, ist die Platzierung von Thorakal-Pedikelschrauben aufgrund der schmalsten Pedikel in der Höhe (T3-T9) und des verringerten Raums zwischen der medialen Grenze des Pedikels und dem Rückenmark mit einem extrem großen Risiko für den Patienten verbunden. Erschwerend kommt hinzu, dass individuell für jeden Patienten die Anatomie des Pedikels beispielsweise durch Skoliose oder eine asymmetrische Kompression der Wirbel gegenüber der normalen Anatomie erheblich verändert sein kann, was eine hohe Herausforderung für die Schraubenplatzierung darstellt. Das Gleiche gilt bei anatomischen Fehlstellungen des gesamten Skelettsystems.
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Eine Stabilisierung von Wirbelbrüchen erfolgt gegenwärtig mittels der Kyphoplastie im Rahmen eines minimalinvasiven Verfahrens. Es gibt zwei unterschiedliche Verfahren in zwei Ausprägungen, als substanzzerstörende Ballon-Kyphoplastie (BKP) und als substanzerhaltende Radiofrequenz-Kyphoplastie (RFK). Bei der substanzzerstörenden Technik werden über Kanülen Ballons in den gebrochenen Wirbel eingeführt. Durch Auffüllen der Ballons mit einem Kontrastmittel wird anschließend der zusammengebrochene Wirbel teilweise aufgerichtet. Anschließend wird der Wirbel fixiert, indem in die entstandene Höhle ein Knochenzement eingespritzt wird, der innerhalb weniger Minuten aushärtet und damit den gebrochenen Wirbel stabilisiert. Gegebenenfalls verbleiben neben dem Knochenzement andere Implantate wie Container, Stents etc. als zusätzliche Fremdkörper im Wirbel zurück. Für die substanzerhaltende Technik wird in der Regel lediglich ein monopedikulärer Zugang zum gebrochenen Wirbelkörper notwendig. Mit einer flexiblen (biegsamen) Nadel wird dann der Wirbelkörper präpariert, wobei gegebenenfalls vereinzelte Zementbahnen angelegt werden. Abschließend wird ein hochvisköser, nahezu gummiartiger Knochenzement maschinell in den Wirbelkörper eingebracht, welcher sich fächerförmig verteilt. Der Zement verteilt sich zwischen der gesunden, intakten Spongiosa, umschließt sie und richtet den Wirbel stempelartig auf.
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Chirurgen haben nur einen relativ geringen Spielraum für Fehler, da insbesondere im Bereich der Wirbelsäule fehlgeleitete Schrauben oder Bohrungen und das Aufrichten der Wirbelkörper mittels Ballone oder Zement das Rückenmark und die Gefäße verletzen können. Anhand der standardisierten anatomischen Ausbildungs- und Lehrmodelle sind anatomische Fehlstellungen des Skelettsystems und insbesondere der Wirbelsäule nicht ausreichend abbildbar, weshalb sich die bekannten Ausbildungs- und Anatomiemodelle nur bedingt bei der Vorbereitung auf einen operativen Eingriff, bei dem Pins oder Schrauben durch die Haut in den Knochen geführt werden, oder die Wirbelkörper im Rahmen der Kyphoplastie aufgerichtet werden müssen, eignen. Zudem ist bei den bekannten Anatomiemodellen deren Visualisierung und eine Navigation während des Trainings problematisch, da die Visualisierung anhand hochenergetischer Strahlung erfolgt und das Training lediglich beispielsweise auf eigenem Monitor verfolgt werden kann, ohne dass dabei der Eingriff bzw. das Training durch beispielsweise computergestützte Informationen begleitet und korrigiert wird. Alternativen strahlungsfreien Trainingsplattformen fehlt es an ausreichend Haptik. Bei diesen wird ferner bspw. ein injizieren von Zement in den Wirbelkörper lediglich animiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannten Simulationsmodelle zumindest teilweise zu verbessern. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System zu schaffen, mit der ein operativer Eingriff mittels Durchführung von beispielsweise Schrauben, Kanülen oder Pins durch die Haut in den Knochen, oder von Eingriffen in die Knochensubstanz individuell geplant und geübt werden kann, wobei insbesondere Deformationen des Skelettapparates berücksichtigt werden können.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch ein System zum Operationstraining mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Das erfindungsgemäße System umfasst vorteilhaft eine Vorrichtung zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken. Für eine solche Vorrichtung wird auf den Offenbarungsgehalt der
DE 10 2020 121 910.5 verwiesen und dieser Offenbarungsgehalt wird zum Gegenstand der vorliegenden Beschreibung und damit zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
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Das erfindungsgemäße System zum Operationstraining, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, umfassend ein aus zumindest zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, insbesondere ein Knochenmodell, und wenigstens ein Anzeigegerät, insbesondere in Form einer VR- oder Mixed Reality Brille, welches eine natürliche Wahrnehmung des Anatomiemodell durch einen Betrachter oder Trainierenden mit einer künstlichen Wahrnehmung des Anatomiemodell vermischt, gemäß Anspruch 1 ermöglicht es beispielsweise einem Chirurgen vorteilhaft, ohne Strahlenbelastung zu trainieren und zwar unter annähernd mit der geplanten Operation an einem Patienten identischen Bedingungen. Dies wird erreicht zum einen durch das aus zumindest zwei Komponenten zusammengesetzte Anatomiemodell, welches vorteilhaft der Anatomie des Skelettsystems des Patienten individuell nachgebildet ist, und zum anderen erfindungsgemäß anhand des Anzeigegerätes, das die natürliche Wahrnehmung des Anatomiemodell durch den Chirurgen oder allgemein den Betrachter mit einer künstlichen Wahrnehmung des Anatomiemodell durch den Chirurgen vermischt.
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Im Sinne eines „Anatomiemodells“ soll gemäß der vorliegenden Erfindung ein Knochenmodell, beispielsweise ein Wirbelsäulenmodell mit oder ohne Bandscheiben verstanden werden. Vorzugsweise ist das Anatomiemodell individuell erstellt, nämlich anhand von bildgebenden Untersuchungsergebnissen am Patienten, beispielsweise durch MRT-, CT-, Röntgen- oder Szintigraphieuntersuchungen. Anhand dieser Untersuchungsergebnisse kann vorzugsweise das individuelle Anatomiemodell oder holographische Abbildungen davon erstellt werden, wobei natürlich Deformationen und Fehlstellungen des Skelettapparates abgebildet werden können.
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In vorteilhafter Weise werden die Komponenten des Anatomiemodells, insbesondere Wirbelkörper, inklusive Fixierung/Halterung für die anschließende Einbettung in eine Matrix, als Hohlknochen oder hohle Wirbelkörper im 3D-Druck Verfahren erstellt. Die Fixierung oder Halterung, kann vorteilhaft Sollbruchstellen umfassen, die oberhalb oder unterhalb des Modells und bevorzugt an jeder Komponente oder jedem Wirbelkörper angeordnet sind. Die Sollbruchstellen können auch zwischen den Facettengelenken der Wirbelkörper angeordnet sein. Die Fixierung sorgt zusätzlich dafür, dass sich die einzelnen Komponenten oder Wirbelkörper während der Einbettung in die Matrix nicht verschieben oder verdrehen. Infolge des Aushärtens der Matrix kann die Fixierung oder Halterung im Bereich der Sollbruchstellen von dem Anatomiemodell gelöst werden. Die Fixierung kann vorteilhaft auch ganz oder teilweise an den Wirbelkörpern des Modells verbleiben und aus der Matrix herausragen und bevorzugt zur optimalen Positionierung und/oder zum kameragestützen Tracking verwendet werden.
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Vorzugsweise kann jede Komponente oder jeder Wirbelkörper zumindest ein Loch, beispielsweise ein Drainageloch (oberhalb und/oder seitlich und/oder unterhalb) aufweisen. Zum einen wird durch die Ausgestaltung der 3D-Druck als hohle Komponenten oder Wirbelkörper ermöglicht und zum anderen können die Drainagelöcher während des Einbettens als „Einfülllöcher“ zum Befüllen der hohlen Komponente oder des hohlen Wirbelkörpers genutzt werden. Über die Drainagelöcher kann das Modell mit verschiedenen Materialien befüllt werden. Die Drainagelöcher werden nach dem Befüllen der Komponenten oder Wirbelkörper entweder verschlossen und dann das Modell eingebettet oder diese werden offengelassen und werden durch das Matrixmaterial gefüllt. Im offenen Fall verdrängt die flüssige, nicht ausgehärtete Matrix die Luft im Wirbelkörper und füllt diesen aus. Hierbei kann die Luft durch das Drainageloch entweichen. Vorteilhaft ist eine andere gelartige Füllung des Wirbelkörpers bspw. zur Simulation einer Kyphoplastie. Zusätzlich kann das Wirbelsäulenmodell mit einer vorteilhaften Tönung ummantelt werden. Ebenfalls denkbar ist eine transparente trabekelähnliche Infillstruktur in der Komponente oder dem Wirbelkörper mittels Gelinfiltierung durch das Drainageloch, welches dann verschlossen wird, mit anschließender Tönung der Komponente oder des Wirbelkörpers mit anschließender Matrixeinbettung.
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Das Anatomiemodell kann vorteilhaft in einem 3D-Druckverfahren unter Zugrundelegung der Bilddateien aus den bildgebenden Untersuchungen erstellt und in eine gewebenachahmende Matrix eingelegt werden. Die Matrix kann unterschiedliche Konsistenzen und/oder Stoffeigenschaften aufweisen, und in mehreren Schichten erstellt werden, so dass beispielsweise eine obere Hautschicht und eine darunter liegende Gewebeschicht durch die Matrix nachgeahmt werden, um dem Operateur oder dem Schüler die zwischen diesen Schichten unterschiedlichen Widerstände beim Ein- und Durchführen von Schrauben oder Pins, oder das Einführen von Kanülen im Rahmen der Kyophoplastie plastisch, d.h. originalgetreu, nämlich der Haptik des zu operierenden Patienten entsprechend, vermitteln zu können. Besonders vorteilhaft eignet sich als ein Anatomiemodell im Sinne der vorliegenden Erfindung ein im 3D-Druck gefertigtes Knochenmodell, insbesondere eine Wirbelsäule, welches vorteilhaft Sollbruchstellen und besonders bevorzugt hohle Sollbruchstellen aufweist, die in den Wirbelkörper führen. Anhand dieser Sollbruchstellen kann das gedruckte Modell schwebend in einem Behälter fixiert werden. Der Behälter kann vorteilhaft in einem ersten Schritt mit einer Waschlösung, beispielsweise Isopropanol, oder einer Färbelösung, beispielsweise TPM und Farbmittel gefüllt werden. Diese Chemikalien werden zum Reinigen (entfernen von nicht gehärtetem Harz) und gleichzeitigem Färben von 3D Drucken benutzt. Das Modell hängt dabei so tief im Behälter, dass die Flüssigkeiten bis an die Sollbruchstellen reichen, oder die Sollbruchstellen teilweise bedeckt werden. Auf diese Weise wird nur die äußere Schale des im 3D Druckverfahren hergestellten hohlen Modells gefärbt. Dadurch wird vorteilhaft ein besonders realistisches künstliches Röntgenbild erzeugt, da es bei einer Innenwand-Färbung zu einem Doppelwandeffekt kommen würde, der durch die Kamera zu sehen wäre. Nach dem Reinigungs- und/oder Färbevorgang wird das Modell in einem zweiten Schritt schwebend in einem anderen Behälter oder in einer Gussform fixiert. Die hohlen Sollbruchstellen liegen bei diesem zweiten Schritt oben offen zugänglich, wodurch beispielsweise ein transparentes Gel in die Wirbelkörper injiziert werden kann. Vorzugsweise hat das in die Wirbelkörper injizierte Gel ausreichend Widerstand um die in den Wirbelkörper eindringenden Instrumente zu halten und ist dennoch vorteilhaft nachgiebig genug um den Zugang für einen Ballon oder die Injektion von Knochenzement für das Training einer frakturierten Wirbelkörperaufrichtung (Kyphoplastie) zu ermöglichen. In einem dritten Schritt wird eine vorteilhaft dem menschlichem Gewebe ähnelnde verflüssigte kalt oder warmaushärtende Substanz oder Mischung um das Wirbelsäulenmodell in die Gussform eingefüllt. Nach dem Aushärten kann das Gesamtmodell, nämlich das Anatomiemodell eingebettet in eine Matrix, aus der Gussform entnommen werden und die Sollbruchstellen können entfernt werden. Wie bereits für die Fixierung und die Halterungen beschrieben, können die Sollbruchstellen, vorteilhaft in Form von Stäben, als Positionierungshilfe verwendet werden, um das Modell kameragestützt tracken zu können. Das in die Wirbelkörper injektierte Gel entweicht beim Umdrehen des Gesamtmodelles nicht aus dem Zugangsloch der Sollbruchstelle. Die durch das Entfernen der Sollbruchstellen entstehenden Hohlräume sind bei lateraler Durchleuchtung nicht störend wahrnehmbar, da diese bei lateraler Ansicht vertikal unterhalb liegen. Bei durchleuchteter Draufsicht (AP) sind die Sollbruchstellen ebenfalls nicht sichtbar, da die zu einer oberen Kamera nähere Anatomie stärker zu sehen ist.
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Vorzugsweise werden dem Chirurgen, Schüler oder allgemein dem Trainierenden über das Anzeigegerät vorteilhaft erweiterte virtuelle Visualisierungs- und Navigationshilfen vor, nach und während des Operationstrainings angezeigt. Als Anzeigegerät wird vorliegend vorteilhaft eine VR- oder Mixed Reality Brille verstanden, die vorzugsweise die bei den bekannten Systemen verwendeten Monitore ersetzt. Das in einer Matrix eingebettete Anatomiemodell wird erfindungsgemäß derart beispielsweise mit der Mixed Reality Brille kombiniert, dass das Modell mit virtuellen Visualisierungs- und Navigationshilfen vor, nach und während des Operationstrainings interagiert. Diese Hilfen sind bspw. die holografische Überlappung des physischen Wirbelsäulenmodells mit einer virtuellen, identischen Anatomie oder holographische Navigationshilfen. Eine Kalibiereinheit kann die Überlappung von echter und virtueller Anatomie vorteilhaft ermöglichen. Weiterhin können künstliche Fluoroskopie und CT-Bilder während des Trainings angezeigt werden. Hierbei werden die künstlichen Röntgenbilder der Modelldurchleuchtenden Licht-& Kamerasysteme holographisch beliebig im Raum platziert visualisiert. Die Knochenzementinfiltrierung bei der Kyphoplastie bspw. kann somit real und nicht bloß simuliert dargestellt werden. Außerdem kann der Operateur oder Trainierende ein automatisches akustisches, visuelles und zusätzlich sogar realitätsnahes haptisches Feedback erhalten. So kann bspw. die Anzahl an künstlichen strahlungsfreien Röntgeneffektbildern während des Trainings aufgezeichnet und ein Wert der entsprechenden Strahlendosis verglichen mit realem Szenario ausgegeben werden. Jeder Anwender oder Trainierende bekommt somit seine individuelle Statistik, um dessen Übungsfortschritt zu dokumentieren und weitere Trainingsanreize zu schaffen.
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Mittels der VR- oder Mixed Reality Brille kann der Trainierende vorteilhaft Hologramme des Anatomiemodells beliebig im Raum platzieren, diese vergrößern, oder diese beispielsweise durch Drehung oder Rotieren aus verschiedenen Perspektiven darstellen lassen. Zudem kann sich der Trainierende holographische Navigationshilfen auf der Brille anzeigen lassen. Vorteilhaft kann ein Lehrmodus bei dem der Eingriff oder die Prozedur holographisch über dem physischen Modell gezeigt und in das Training integriert werden, sodass dies anschließend beispielsweise mit einem realen Implantatschraubendreher etc. durchgeführt werden kann. Bei Forschungsprojekten, in denen die Anatomie mit der Mixed Reality überblendet wurde, wurde die Anatomie fixiert. So kann man zwar durch äußeres Tracking der OP-Instrumente einen Abstand berechnen und die Position der Pedikelschraube bspw. im Wirbelkörper am PC simulieren, jedoch stimmt diese berechnete Animation bei Infiltrierung mit flüssigen Substanzen wie bei der Knochenzementinfiltierung (Kyphoplastie) nicht mit der tatsächlichen Position überein. Diese Nachteile können durch das erfindungsgemäße System überwunden werden, da bei diesem vorteilhaft die künstliche Wahrnehmung des Anatomiemodells von der Position des Anatomiemodells im Raum unabhängig ist. Hat das Modell auf der Trainingsplattform eine feste Position, dann erfolgt das Tracking der Trainingsplattform durch Erkennungsmerkmale wie Marker oder Markerlos. Alternativ kann das Modell selbst anhand von Erkennungsmerkmalen getrackt werden. OP-Instrumente können ebenfalls durch Erkennungsmerkmale wie Marker oder markerlos getrackt werden. Soll demnach die laterale sowie Ap Röntgenansicht holographisch angezeigt werden, ist dies unabhängig von der Position des Anatomiemodells, wobei kein Tracking notwendig ist. Im Falle einer computeranimierten berechneten Axialansicht, wird die Position vom Anatomiemodell und den OP-Instrumenten benötigt. Unabhängig vom Tracking ist demnach der künstliche laterale oder anterior-posterior (Ap) Röntgeneffekt. Neben den beschriebenen Anwendungsbeispielen kann das erfindungsgemäße auch beispielsweise für das Training im Rahmen der Vertebroplastie oder der Facettengelenkinfiltration eingesetzt werden.
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In besonders bevorzugter Weise können dem Betrachter, d.h. dem Trainierenden neben der künstlichen Darstellung des Anatomiemodells Informationen auf dem Anzeigegerät angezeigt werden, die Auskunft über das Operationstraining und den Trainingsfortschritt geben. Die Informationen können beispielsweise aus einer Datenbank stammen, in der vorherige Trainingssitzungen gespeichert wurden. Es können auch Informationen über standardisierte erfolgreiche Techniken in der Datenbank gespeichert sein, die mit dem gegenwärtigen Training abgeglichen werden. Die Datenbank und die Informationen können von dem Trainingsort ortsunabhängig gespeichert sein und beispielsweise über eine Datenleitung oder über das Internet abgerufen werden.
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Um die Führung der Schrauben oder Pins, oder einer Kanüle im Rahmen der des Kyphoplastie-Trainings und die Bewegung des Anatomiemodells bei dem trainierten Eingriff auf einem Anzeigegerät darstellen zu können, sind an den Komponenten vorteilhaft Erkennungsmerkmale wie bspw. Marker angeordnet. Im Falle eines Wirbelsäulenanatomiemodells befinden sich an jeder einzelnen knöchernen Komponente oder am gesamten Knochenmodell Erkennungsmerkmale wie bspw. Marker. Diese können mit dem Anatomiemodell eingebettet sein oder teilweise aus der Matrix herausragen. Alternativ können sich Erkennungsmerkmale auf der Trainingsplattform befinden, wenn die Position des Wirbelsäulenmodells mitsamt der Matrix relativ zu der Trainingsplattform fixiert ist. Die Marker oder andere Erkennungsmerkmale werden vorzugsweise von wenigstens einem optischen Erfassungssystem erfasst, so dass über das Erfassungssystem eine Bewegung der Komponenten, insbesondere bei einem manuellen Eingriff in das Anatomiemodell, anhand der Erkennungsmerkmale wie beispielsweise der Marker verfolgt und auf zumindest einem Anzeigegerät, wie vorteilhaft einer VR- oder Mixed-Reality Brille, einem Monitor oder einem Display eines mobilen Gerätes visualisiert werden. Vorteilhaft eignet sich ein Tiefenkamerasystem, über das die Bewegung einzelner OP-Instrumente verfolgt werden kann. Es können aber auch mehrere Tiefenkameras aus verschiedenen Positionen relativ zum Anatomiemodell Bilder aufnehmen und im Sinne der vorliegenden als optisches Erfassungssystem umfassend wenigstens zwei Kameras oder Kamerasysteme bezeichnet werden. Die Verarbeitung und Visualisierung der gewonnenen Daten kann auf dem mobilen Gerät selbst, vorteilhaft auf der VR- oder Mixed Reality Brille und/oder einem Computer oder über das Internet erfolgen. Über Kabel, Wi-Fi oder andere Datenübertragungswege können die verarbeiteten Daten auch auf einen externen Monitor gespiegelt werden. Der Computer kann sich auch vorteilhaft in der Trainingsplattform befinden, die Teil des erfindungsgemäßen Systems ist. Es ist auch denkbar ein externes Kamera- oder Tiefenkamerasystem zu verwenden, das mit einem Computer verbunden ist, und die Anzeige auf dem Monitor des Computers oder auf einem Monitor eines mit dem Computer über ein Netzwerk verbundenen Computers erfolgt, wodurch vorteilhaft ein Training oder eine Simulation an der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch über einem externen Arbeitsplatz verfolgt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch ohne Marker verwendet werden, um ein dreidimensionales physisches Röntgenbild durch Durchleuchtung der transparenten Wirbelsäule in der transparenten Matrix zu erzeugen. Mittels Software Bildnachbearbeitung oder Färbung oder Tönung der Matrix oder des Wirbelsäulenmodells kann der Röntgeneffekt noch verstärkt werden.
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Wenn die Matrix mit dem Anatomiemodell eine fixierte Position auf der Trainingsplattform erhält, kann vorteilhaft die gesamte Trainingsplattform getrackt und dadurch die Position des Anatomiemodells relativ zu der getrackten Trainingsplattform berechnet werden.
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Vorzugsweise ist auch das Anatomiemodell zumindest abschnittweise transparent ausgestaltet, um dieses beispielsweise Durchleuchten zu können. Das Anatomiemodell ist vorteilhaft aus einem transparenten Material oder einer Kombination aus zumindest zwei Materialien ausgestaltet, wobei zumindest ein Material transparent ist. Als Materialien für das Anatomiemodell eigenen sich in besonders bevorzugter Weise Materialien für den 3D-Druck wie beispielsweise ABS, FDM, Polymilchsäure oder PLA, welches im Gegensatz zu ABS biologisch abbaubar, da es aus nachwachsenden Rohstoffen (Maisstärke) hergestellt wird, PET, PETG, Polycarbonat (PC), Nylon, Hybride Materialien, Alumide, flexible Materialien oder eine Kombination aus den nicht abschließend hier aufgezählten Materialien, also insgesamt alle Materialien oder Kombinationen von Materialien, die für den 3D-Druck geeignet sind. Für eine Marker oder auch eine ohne Marker getrackte Anwendung in farbiger oder farbloser Matrix spielt es allerdings keine Rolle, ob das Wirbelmaterial transparent, milchig oder farbig ist, da sich jede Ansicht virtuell wiedergeben lässt. Ganz besonders vorteilhaft können auch UV aushärtende Flüssigkunststoffe(=Photopolymere) zur Herstellung des Anatomiemodells im 3D Druckverfahren eingesetzt werden, da die mit diesem Material hergestellten Modelle gegenüber den mit oben genannten Materialien hergestellten Modelle eine wesentlich bessere Transparenz aufweisen. Natürlich ist es für standardisierte oder mittels Bildgebung individualisierte Anatomiemodelle zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch denkbar, dass die Modelle mittels Formgussverfahren oder beispielsweise in einem Fräsverfahren hergestellt werden. In besonderen Fällen kann das Anatomiemodell durchgehend nicht transparent sein, wobei dann anhand des Marker oder markerlosen Trackings die Position der Wirbelkörper, Instrumente und Implantate auf der VR- oder Mixed Reality Brille oder auf einem Bildschirm visualisiert werden kann. In einem solchen Sonderfall kann auch die Matrix nicht transparent sein und Durchleuchtung ist nicht notwendig. Je nach Anwendung und Ausbildung des erfindungsgemäßen Systems können zusätzliche Kameras oder Kamerasysteme eingesetzt werden, die ein Tracking der Instrumente in allen Ansichten des Anatomiemodells erlauben. So kann beispielsweise eine Kamera oberhalb des Anatomiemodells angeordnet sein, welche von oben die Bewegung der OP-Instrumente und das Modell trackt. Für die gleiche Anwendung, nämlich das Tracken der OP-Instrumente und des Modells, kann die Kamera oder das Kamerasystem der VR-Brille oder der Mixed-Reality Brille verwendet werden. In besonders bevorzugter Weise können die Kamera oberhalb des Anatomiemodells und die Kamera oder das Kamerasystem der VR-Brille oder der Mixed-Reality Brille in Kombination zum Tracken der OP-Instrumente und des Modells verwendet werden.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll als „Tracking“ sowohl das Tracken des Anatomiemodells und der OP-Instrumente mittels Kamera oder Kamerasystem anhand von Erkennungsmerkmalen wie beispielsweise Markern oder das markerlose Tracking des Anatomiemodells und der OP-Instrumente durch maschinelles Erlernen oder ganz allgemein durch den Einsatz künstlicher Intelligenz verstanden werden.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll der Begriff „Transparenz“ in Bezug auf die Ausbildung der Matrix und des Anatomiemodells vorzugsweise physikalisch verstanden werden, wobei die Durchlässigkeit in Bezug auf elektromagnetische Wellen, insbesondere von Licht verstanden werden soll. Daneben soll der Begriff „Transparenz“ im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als durchscheinend wirkende Elemente einer Bilddatei in einer Computergrafik verstanden werden. Wird anstelle oder zusätzlich zu dem optischen Erfassungssystem auch ein akustisches Erfassungssystem in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt, welches beispielsweise das Setzen der Schrauben oder Pins akustisch unterstützt, wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter dem Merkmal „Transparenz“ die Unterscheidbarkeit aufeinanderfolgender Töne verstanden.
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In vorteilhafter Weise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eine Lichtquelle, vorzugsweise eine RGB-LED-Lichtquelle, mit welcher zumindest die transparenten Abschnitte der Matrix oder die transparenten Abschnitte des Anatomiemodells durchleuchtet werden können. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes der transparenten Abschnitte des Anatomiemodells, der transparenten Abschnitte der Matrix und aufgrund der Lichtundurchlässigkeit verwendeter Implantate und Instrumente kann vorteilhaft ein dreidimensionales Röntgenbild des Anatomiemodells visualisiert werden, ohne das tatsächlich Röntgenstrahlen eingesetzt werden. Dies ermöglicht einem Operateur, der es gewohnt ist anhand von Röntgenaufnahmen Schrauben, Kanülen oder Pins zusetzen, in seinem gewohnten Modus zu bleiben, beziehungsweise diesen anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf eine Operation, beispielsweise unter einem C-Bogen in Form eines Röntgen C-Bogens in gewohnter OP-Umgebung anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine optische Röntgen-Illusion eines greifbaren plastischen 3D-Anatomiemodells ermöglicht, vorzubereiten, beziehungsweise die Operation anhand der Vorrichtung zu trainieren. Neben der genannten RGB-LED-Lichtquelle können auch andere Arten von Lichtquellen, wie zum Beispiel Halogenlampen, Neonröhre oder andere Leuchtmittel, die das gesamte Farbspektrum aufweisen können, also weiße oder farbige Lichtquellen jeglicher Art, zur Durchleuchtung des Anatomiemodells und der Matrix verwendet werden.
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Um die von der Lichtquelle in die Matrix und das Anatomiemodell eingebrachten Lichtstrahlen gleichmäßig zu streuen, ist vorteilhaft zwischen dem in die Matrix eingebetteten Anatomiemodell und der Lichtquelle zumindest ein Diffusor angeordnet. Mittels des Diffusors können die eingebrachten Lichtstrahlen gleichmäßig gestreut und das Modell somit optimal durchleuchtet werden. Als Diffusor eignet sich vorteilhaft eine Streuscheibe, die eine große Anzahl kleiner Streuzentren besitzt. Treffen parallel laufende Lichtstrahlen an verschiedenen Stellen eines Diffusors auf, werden diese in unterschiedliche Richtungen verteilt und erzeugen so diffuses Licht.
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Zur Verstärkung des optischen Röntgeneffekts kann die Visualisierung auf dem Anzeigegerät, nämlich der VR- oder Mixed Reality Brille einem Monitor oder Display vorteilhaft nach vorheriger Bildnachbearbeitung mittels einer Softwarelösung noch verstärkt werden. Soll ein verstärkter optischer Röntgeneffekt bereits im Anatomiemodell bei dessen Durchleuchtung sichtbar sein, ist die Matrix vorteilhaft mittels Farbmitteln gefärbt oder getönt. Um die bekannten Röntgenaufnahmen naturgetreu nachahmen zu können, ist die Matrix besonders bevorzugt mittels schwarzem Farbmittel geschwärzt oder mittels blauem Farbmittel eingefärbt. Grundsätzlich lassen sich sämtliche kontrastreiche kräftige Farben einsetzen um den Röntgeneffekt noch zu verstärken. Insbesondere auch aufgrund der Softwarenachbearbeitung ist jegliche Färbung oder Tönung der Matrix denkbar, da mittels der Software die Farbe erkennbar und diese einfach virtuell ausgetauscht werden kann. Auch können gefärbte Bereiche der Matrix mittels der Software ausgeblendet werden und durch andere Bildbestandteile oder Hintergründe ersetzt werden.
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Ein weiterer Erfindungsaspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken unter Verwendung des erfindungsgemäßen Systems.
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Um hier Wiederholungen bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems verwiesen und es wird vollumfänglich auf die Offenbarung durch diese Beschreibung zurückgegriffen und umgekehrt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele nur beschreibenden Charakter haben und diese nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Ansicht die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems für ein Kyphoplastie-Operationstraining an einem Wirbelsäulen Anatomiemodell,
- 2 in einer schematischen Ansicht die Verwendung des erfindungsgemä-ßen Systems zum Platzieren von Pedikelschrauben in Wirbelkörper eines Wirbelsäulen Anatomiemodells
und
- 3 in einer schematischen Ansicht die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems für die holographische Darstellung eines Wirbelsäulen Anatomiemodell.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems 1 ein Kyphoplastie-Operationstraining an einem Wirbelsäulen Anatomiemodell 3 in Form eines chirurgischen Trainingssimulators 30. Zum grundsätzlichen Aufbau des Trainingssimulators 30 wird auf die in der
DE 10 2020 121 910.5 offenbarte Vorrichtung verwiesen. Das System 1 in Form einer realen Trainingsplattform 100 umfasst in der dargestellten Ausführung die Komponenten, wie folgt:
- • ein transparentes/transluzentes Anatomiemodell 3 in Form eines Wirbelsäulenmodells, das in einer gewebeähnlichen Matrix 7 eingebettet ist,
- • ein beidseitiges Beleuchtungs- und Kamerasystem 70 (laterale Ansicht)
- • ein Kamerasystem 70.1 oberhalb der Matrix (AP Ansicht)
- • eine Beleuchtung unterhalb der Matrix 70.2 (AP Ansicht)
- • Modellgehäuse
und vorliegend optional Operations-Instrumente 80 für die Kyphoplastie.
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Der in der Figur dargestellte Trainierende 5 kann beispielsweise ein Medizinstudent, ein angehender Chirurg, ein Facharzt oder beispielsweise ein erfahrener Chirurg sein. Erfindungsgemäß trägt der Trainierende 5 ein Anzeigegerät 4 in Form einer Mixed-Reality Brille 40, die Hologramme 6,60 und Navigationshilfen virtuell abbildet und die die natürliche Wahrnehmung des Anatomiemodell 3 durch den Trainierenden 5 mit einer künstlichen Wahrnehmung des Anatomiemodell 3 vermischt. Auf Grundlage dieses Systems 1 kann sich der Trainierende 5 einen holografischen, künstlichen Röntgeneffekt mit Echtzeitoutput der Kyphoplastie, vorliegend für die laterale und anterior-posterior Ansicht, in virtuell erzeugten Ansichten 6,60 über die VR-Brille oder die Mixed-Reality Brille 40 darstellen lassen (in der Figur die ganz linke und die mittlere Anzeige in der oberen Reihe). Zusätzlich kann sich der Trainierende eine animierte axiale Ansicht der Wirbelkörper in virtuellen Ansichten 6,60 über die VR-Brille oder die Mixed-Reality Brille 40 darstellen lassen (in der Figur die ganz rechte Anzeige in der oberen Reihe). In den über die VR-Brille oder die Mixed-Reality Brille 40 dargestellten animierten Ansichten 6,60 in der unteren Reihe werden dem Trainierenden 5 holographische, vorab erzeugte CT- und Röntgenaufnahmen mit Kyphoplastieanimation für die axial, sagital und anterior-posterior Ansicht (holographisch durchscrollbar) angezeigt. Zudem kann sich der Trainierende 5 ein animiertes Wirbelsäulenmodell 30 in Form eines Hologramms 6,60 in einer Ansicht über die VR-Brille oder die Mixed-Reality Brille 40 darstellen lassen. Das Hologramm 6,60 der Wirbelsäule 30 ist beliebig im Raum verschiebbar. Ebenfalls ist eine Überblendung des realen Wirbelsäulen- Anatomiemodells 3 und der holografischen Wirbelsäule 6,60,30 möglich, wodurch zusätzlich Navigationshilfen bei der Platzierung der Operationsinstrumente 80 angezeigt werden. Eine oder mehrere Kameras 70, 70.1 tracken die Operationsinstrumente 80 zusätzlich. Dadurch kann der Eingriff auch versetzt außerhalb des Wirbelsäulen- Anatomiemodells 3 holographisch 3-dimensional dargestellt werden. Bei Bedarf kann eine weitere Kamera oder das Kamerasystem der VR-Brille oder der Mixed-Reality Brille 40 zum tracken der Operationsinstrumente 80 (OP-Instrumente), der Matrix, des Wirbelsäulenmodells oder der Trainingsplattform 100 verwendet werden (hier nicht dargestellt).
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Die 2 zeigt das in 1 dargestellte System 1, wobei jedoch nicht ein Kyphoplastie-Operationstraining durchgeführt wird, sondern das Erlernen zum Setzen von Pedikelschrauben in Wirbelkörper eines Wirbelsäulen- Anatomiemodells 3 dargestellt ist. Auf Grundlage dieses Systems 1 kann sich der Trainierende 5 einen holografischen, künstlichen Röntgeneffekt mit Echtzeitoutput der Pedikelschraubenprozedur, vorliegend für die laterale und anterior-posterior Ansicht, in virtuell erzeugten Ansichten 6,60 über die VR-Brille oder die Mixed-Reality Brille 40 darstellen lassen (in der Figur die ganz linke und die mittlere Anzeige in der oberen Reihe). Zusätzlich kann sich der Trainierende 5 eine animierte axiale Ansicht der Wirbelkörper in virtuellen Ansichten 6,60 über die VR-Brille oder die Mixed-Reality Brille 40 darstellen lassen (in der Figur die ganz rechte Anzeige in der oberen Reihe). In den über die VR-Brille oder die Mixed-Reality Brille 40 dargestellten animierten Ansichten 6,60 in der unteren Reihe werden dem Trainierenden 5 holographische, vorab erzeugte CT- und Röntgenaufnahmen mit Pedikelschraubenanimation für die axial, sagital und anterior-posterior Ansicht (holographisch durchscrollbar) angezeigt. Zudem kann sich der Trainierende 5 ein animiertes Wirbelsäulenmodell 30 in Form eines Hologramms in einer Ansicht 6,60 über die VR-Brille oder die Mixed-Reality Brille 40 darstellen lassen. Das Wirbelsäulenhologramm 30 ist beliebig im Raum verschiebbar. Ebenfalls ist eine Überblendung des realen des Wirbelsäulen-Anatomiemodells 3 und der holografischen Wirbelsäule 30 möglich, wodurch zusätzlich Navigationshilfen bei der Platzierung der OP-Instrumente 80 angezeigt werden.
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Schließlich zeigt die 3 in einer schematischen Ansicht die Ansicht 6,60 eines Wirbelsäulenhologramms 30, welche dem Trainierenden 5 über die VR-Brille oder die Mixed-Reality Brille 40 dargestellt wird. Die , des Wirbelsäulenhologramms 30 mittels der VR- oder Mixed-Reality Brille 40, dient vorteilhaft für das Anatomieverständnis, die OP-Planung oder beispielsweise für die Patientenaufklärung. Das abgebildete Wirbelsäulenhologramm 30 ist vorteilhaft beliebig im Raum verschiebbar ist, was relevant für das Anatomieverständnis, die OP-Planung oder beispielsweise für die Patientenaufklärung ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020121910 [0008, 0030]
