-
Die Erfindung betrifft ein Simulationssystem mit einem anatomisch nachgebildeten realen Trainings- und Testphantom für die Human- und Veterinärmedizin zur Verwendung bei der Ausbildung von Chirurgen und zur Erprobung von komplizierten operativen Eingriffen vor der eigentlichen Operation zur Erhöhung der Erfolgschancen eines operativen Eingriffs in verschiedenen chirurgischen Disziplinen.
-
Bekannte Lösungen
-
Zur Ausbildung von Chirurgen und zum vorherigen Erproben von komplizierten chirurgischen Eingriffen vor der eigentlichen Operation sind verschiedene Evaluations und Trainingsverfahren bekannt, bei denen Phantome verwendet werden. Diese Phantome werden auf Grund ihres Aufbaus in Systeme mit einem hauptsächlich rein technischen und einem vorzugsweise anatomischen Charakter unterschieden.
-
1. Phantom-Systeme mit rein technischem Charakter
-
Weltweit existiert eine Vielzahl von Phantom-Systemen, die einen rein technischen Charakter besitzen. Es handelt sich dabei um anwendungsspezifische Insellösungen, da sie meist nur für ein spezielles Aufgabengebiet konzipiert wurden. Diese Phantome werden für die Evaluation von chirurgischen Instrumenten und Technologien eingesetzt und sind insbesondere für die Messung von Genauigkeiten geeignet.
-
Aus Hassfeld, S.; Mühling, J.: ”Comparitive examination of the accuracy of a mechanical and an optical System in CT and MRT based instrument navigation” In: Int. Journal Oral Maxillofac. Surg. (2000), Nr. 29, S. 400–407, ist ein Kunststoff-Phantom zur Evaluation. der Genauigkeit von optischen und mechanischen Navigationssystemen bekannt. Für die Evaluation der Navigationsgenauigkeit wurden sowohl verschiedene Computertomographie- und Magnetresonanztomographie-Protokolle verwendet, als auch unterschiedliche Registrierungsmethoden (Titan-Schrauben, Klebemarker) betrachtet. In dem Phantom sind zylindrische Körper angebracht, deren Spitzen die Zielpunkte eines navigiert geführten Instruments darstellen.
-
Um die Registriergenauigkeit zu evaluieren, werden drei Marker verwendet, die nahe aneinander liegen und drei weitere Marker, deren Abstand größer ist. Für die Evaluation der Navigationsgenauigkeit werden in drei Ebenen die maximalen Abweichungen des Fadenkreuzes von den Zylinderspitzen gemessen und auf einem Monitor angezeigt.
-
Aus Strauß. G; Koulechov, K.; Richter, R.; Dietz, A.; Meixensberger, J.; Trantakis, C.; Lüth, T.: Navigated Control: Ein neues Konzept für die Computer-Assistierte-HNO-Chirurgie. In: Oto-Rhino-Laryngologie, unpublished, ist weiterhin eine Lösung mit einer Evaluation eines navigiert-kontrollierten Shavers bekannt. Diesem Projekt liegt die Idee zugrunde, ein mechatronisches System für die FESS (Functional endoscopic sinus surgery) in der HNO-Chirurgie zu implementieren. Bei diesem Verfahren wird der Antrieb eines Shavers in Abhängigkeit von der aktuellen Shaver-Position gesteuert. Das präoperativ geplante Volumen wird mit 5 technischen Kunststoff-Modellen überprüft, in denen vorher Blumensteckmasse als zu entfernendes Material eingebracht wurde. Das Ist-Volumen wurde mit einer 3D-Koordinatenmeßmaschine (Faro-Arm von Faro Technologies Inc.) vermessen.
-
Die Nachteile dieser Phantom-Systeme mit technischem Charakter bestehen vor allem darin, dass sie speziell für ein Anwendungsgebiet entwickelt wurden. Dabei handelt es sich zumeist um Insellösungen. Es existieren weltweit keine standardisierten Phantome, mit denen Untersuchungsreihen von klinischen Einrichtungen verglichen werden können. Beim Einsatz von Phantom-Systemen mit rein technischem Charakter kann aufgrund der nicht-anatomischen Darstellung des OP-Situs der chirurgische Eingriff nicht unter realen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden (z. B. Lage auf dem OP-Tisch, Handhabung der Instrumente usw.). Außerdem können während des Eingriffs keine Aussagen über möglicherweise verletzte Risikostrukturen getroffen werden. Da das Phantommaterial nicht die mechanischen Eigenschaften des Gewebes besitzt, entsprechen Bohr- oder Fräsprozesse nicht den realen Bedingungen. Ein weiterer Nachteil der fehlenden anatomischen Darstellung ist das nicht Vorhandensein anatomischer Landmarken zur räumlichen Orientierung.
-
2. Phantom-Systeme mit anatomischem Charakter
-
Um chirurgische Eingriffe so realistisch wie möglich zu simulieren, werden vereinzelt euch Phantom-Systeme verwendet, welche die Anatomie hinreichend genau nachbilden. Auch bei diesen Systemen handelt es sich meist um punktuelle Lösungskonzepte, die einen überregionalen Vergleich von Untersuchungsreihen nicht zulassen. So ist beispielsweise aus der Druckschrift
WO 88/06329 ein Augenphantom für das Training operativer Techniken zur Entfernung der Augenlinse und Einbringung einer künstlichen Linse bekannt. Die modularen Komponenten dieses ophthalmologischen Systems wurden aus gewebeäquivalenten Kunststoffen gefertigt.
-
Weiterhin ist aus der Patentschrift
US 6,780,016 B1 ein Operationstrainer bekannt, der einzelne Gewebsschichten und Organe simuliert. Er besteht aus 3 Bereichen für die Durchführung bestimmter chirurgischer Aufgaben. Dazu gehören der abdominale Bereich, der Thorax und der Nacken. Organe können mit Flüssigkeit gefüllt werden, um reale Bedingungen zu simulieren.
-
Zur Verbesserung der Hand-Auge Koordination ist außerdem aus der Druckschrift
US 5,403,191 ein Endoskopie-Trainer bekannt. Der Grundkörper ist eine Plastik-Box, in die Objekte eingebracht werden, die wiederum menschliche Organe nachbilden. Endoskopische Instrumente, mit denen ein operativer Eingriff simuliert wird, werden in die Box eingeführt. Die Darstellung des Endoskopbildes erfolgt über einen Monitor oder über reflektierende Spiegel.
-
Eine andere Versuchsanordnung ist nach Lüth, T; Heissler, E; Bier, J: Navigations- und Robotersysteme als Führungshilfen. In Peter M. Schlag (Ed.), Tele- und computergestützte Chirurgie, Springer-Verlag, 1998, bekannt. Die darin offenbarte Versuchsanordnung dient der Evaluation der technischen und applikationsspezifischen Genauigkeit beim Platzieren einer Hyperthermie-Nadel mit einem Manipulator am Kopf-Phantom, der aus Styropor besteht. Im Anschluss an die mittels eines Manipulators durchgeführte Punktion wird in postoperativen Bildern die Parallelität und der Abstand der Nadeln bewertet.
-
Bei einer weiteren bekannten Lösung nach Sieb, Michael; Reto, Bale: Multimodale präzises Schädelphantom und Durchführung einer Genauigkeitsstudie über computerunterstützte Punktionen, CURAC 2004: 3. Jahrestagung der deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie e. V., München, Germany, Oktober 2004, kann ein Kunststoff-Schädelphantom zur Evaluation von Punktionen und Biopsien je nach Aufnahmemodalität mit speziellen Markern gefüllt werden (CT, MRT, SPECT, PET). Ein solches Phantom wird mit hoher mechanischer Präzision hergestellt. Mit einem CT wird das Phantom digitalisiert. Anschließend wird der Zielpunkt definiert und die Punktion mit Unterstützung eines Navigationssystems durchgeführt. Die Auswertung erfolgt an postoperativen CT-Bildern.
-
Für die Evaluation der geometrischen Genauigkeit eines Roboter-Systems für die CAS-THR (Computer assisted surgery – total hip replacement) wurde nach Schneider, Jörg; Kalender, W. A. (Hrsg): Berichte aus dem Institut für Medizinische Physik: Risikomanagement in der Medizin. Bd. 2. Aachen: Shaker Verlag, 2000, ein anderes höchst präzises anatomisches Phantom entwickelt. Das THR-Phantom ist für die realistische Darstellung des Operationsgebietes modular aufgebaut. Es wurde mit AutoCad entworfen und mit CAM-Maschinen exakt umgesetzt. Spezielle Kunststoffe mit gewebeäquivalenten Hounsfield Einheiten wurden für das Phantom benutzt (z. B. Kortikalis 800 HU, Spongiosa 150 HU). Jede Einzelkomponente wurde mit einer CNC-Maschine gefräst. Die Planung des Fräsvolumens erfolgte durch den Chirurgen. Den intraoperativen Fräsvorgang führt der Roboter durch. Nach dem Fräsvorgang wird die Ist-Position der Kavität mit einer Koordinatenmessmaschine bestimmt. Die Soll-Position wird von einer Prothese der Firma Howmedic abgeleitet (model: Osteolock, size 3, sleeve 14). Anschließend wird die Abweichung von Ist- und Soll-Position analysiert.
-
Weiterhin ist aus der Druckschrift
US 5,295,694 eine Übungsapparatur für Operationen bekannt, die als Spiel zum Training des Geschicks des Chirurgen ausgelegt ist. Dazugehörige Spielkarten beschreiben die Aufgabenstellung einer OP-Disziplin. Das System besteht aus einer transparent gewölbten Abdeckung mit zwei Öffnungen. Unter der Abdeckung befindet sich der Arbeitsraum, in dem mehrere anatomisch geformte Elemente in Hohlräumen angeordnet sind. Ein Instrument simuliert ein laparoskopisches Instrument, mit dem die anatomische Struktur gegriffen und angehoben werden kann, ohne den Hohlraum zu berühren. Die Berührung des Hohlraums wird visuell durch ein Lichtsignal und akustisch durch einen Signalton dargestellt. Ein zweites Instrument wird für die Extraktion genutzt. Die Berührungen anatomischer Strukturen sind bei diesem Spiel nicht detektierbar.
-
Dieses System eignet sich nur zum Training der Geschicklichkeit. Es ist keine Evaluation chirurgischer Methoden und Instrumentarien möglich. Abgesehen vom elektrisch leitfähigen Hohlraum sind keine Risikostrukturen mit anatomisch oder physiologisch realistischen Eigenschaften nachgebildet, die für operative Eingriffe relevant sind. Die Nachteile dieser Phantom-Systeme mit anatomischem Charakter bestehen vor allem darin, dass sie nur für eine chirurgische Disziplin ausgelegt sind. Eine Aussage über mögliche Verletzungen von Risikostrukturen während des Eingriffs ist nicht möglich. Auch bei diesen Systemen handelt es sich meist um punktuelle Lösungskonzepte, die einen überregionalen Vergleich von Untersuchungsreihen nicht zulassen.
-
Aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2004 006 035 LM ist ein anatomisches Lehr- und Übungsmodell bekannt, an dem Katheteroperationen im menschlichen Gefäßsystem unter realitätsnahen Bedingungen erlernt und vorgeführt werden können. Das Modellgefäßsystem wird aus einem transparenten und flexiblen Kunststoffmaterial gefertigt. Größe und Form des Modells sind der menschlichen Anatomie nachgebildet. Dabei können auch krankhafte Gefäßveränderungen modelliert werden. Der chirurgische Eingriff des Übenden oder Vorführenden am Modell kann an einem Röntgenmonitor verfolgt und überwacht werden. Das Erkennen einer möglichen unbeabsichtigten Verletzung von Organen, des Gefäßsystems oder von Risikostrukturen ist dabei objektiv nicht gegeben. Der Betrachter muss mögliche Fehler subjektiv erkennen und fachlich bewerten können. Dazu gehört ein hohes fachliches Wissen und praktische Erfahrung. Es können keine hundertprozentigen Aussagen darüber gemacht werden, ob und in welchem Maße (Schnitttiefe) eine Risikostruktur verletzt wurde. Eine Protokollierung des Operationsverlaufs wie mit einer elektronischen Steuer-Mess- und Auswerteeinheit ist mit einem Röntgengerät nicht möglich.
-
Weiterhin ist aus
WO 93/21619 A1 ein anatomisches Lehr- und Übungsmodell bekannt, das anatomiegerecht ausgebildet wird und so Operationen realitätsnah geübt werden können. Für die zum Übungsmodell gehörenden Organe und Risikostrukturen werden teilweise künstliche Nachbildungen, Implantate und/oder Ersatzlösungen verwendet. Diese Lösung ist aufgrund der verschiedenen Komponenten aufwendig zu reproduziere, wenn identische Implantate überhaupt verfügbar sind, kosten intensiv (Implantate) und unter OP-Bedingungen schwer zu handhaben. Als eine Besonderheit ist vorgesehen, für Nervenstränge elektrisch leitfähiges Material zu verwenden, das in einem Stromkreis eingebunden und bei der Unterbrechung des Stromkreises, was einem Durchtrennen (ja/nein) einer Risikostruktur gleich kommt, ein optisches und/oder akustisches Warnsignal ausgelöst wird.
-
Die
WO 2005/051166 A2 beschreibt einen medizinisch physiologischen Simulator, welcher bei der Durchführung von simulierten Eingriffen an simulierten physiologischen Strukturen ein Feedback erzeugt.
-
Aus der
US 2005/0181342 A1 ist ein medizinischer Simulator mit einem kontaktlosen Sensor bekannt, welcher während der Simulation Daten über die räumliche Lagebeziehung des Sensors zu den Detektionsobjekten erfasst.
-
Schließlich offenbart die
US 2003/0068606 A1 ein gattungsgemäßes Simulationssystem bei dem die Eindringtiefe eines chirurgischen Instruments während der Simulation über elektrisch leitende Strukturen abgebildet werden kann. Dabei können physiologische Strukturen als Schichtsystem als leitenden und nicht-leitenden Schichten ausgebildet sein.
-
Aufgabe
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Simulationssystem mit einem anatomisch nachgebildeten realen Trainings- und Testphantom für die Human- und Veterinärmedizin zu entwickeln. Das Simulationssystem soll für die Evaluation neuentwickelter chirurgischer Systeme und Instrumente, zur Ausbildung von Chirurgen und zur Erprobung von komplizierten operativen Eingriffen vor der eigentlichen Operation zur Erhöhung der Erfolgschancen eines operativen Eingriffs in verschiedenen chirurgischen Disziplinen geeignet sein. Risikostrukturen wie Nervenstränge, Blutgefäße, Sehnen und weitere sollen berücksichtigt werden. Der Verlauf und das Ergebnis des chirurgischen Eingriffs sollen objektiv erfasst und dargestellt werden. Des Weiteren soll ein standardisierter Vergleich von Einzelergebnissen in Form von Lernkurven eines Probanden und Lernkurven verschiedener Probanden dargestellt werden können.
-
Lösung
-
Diese Aufgabe wird durch ein Simulationssystem mit chirurgischen Phantomen für den Einsatz in der Human- und Veterinärmedizin in unterschiedlichen chirurgischen Disziplinen gelöst, das nach dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs aufgebaut ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Das Phantom dient sowohl der Simulation (Training) als auch dem Test (Evaluation) von chirurgischen Eingriffen und dessen chirurgischen Equipment, welches die realen anatomischen und funktionellen Bedingungen am Patienten während eines chirurgischen Eingriffes nachbildet. Ein solches Phantom stellt den menschlichen oder tierischen Körper anatomisch präzise dar, und es lassen sich unterschiedliche Areale mit unterschiedlichen Funktionen belegen. Insbesondere können „erlaubte” Bereiche und „verbotene” Zonen (Risikobereiche) innerhalb des Phantoms festgelegt werden, welche von den Instrumentarien in unterschiedlich restriktiven Abstufungen berührt bzw. durchdrungen werden dürfen und welche nicht. Zu jedem Phantom zugehörig sind ein oder mehrere Protokolle, die den spezifischen chirurgischen Ablauf in den einzelnen Arbeitsschritten des Chirurgen (Workflow) abbilden. Jedes Protokoll beinhaltet zusätzlich die zu messenden Parameter während eines Eingriffs an einem bestimmten Phantom.
-
Das Phantom wird aus medizinischen Bildmaterialien im Computer als Modell generiert und nachbearbeitet. Anschließend wird das Modell mittels eines Rapid Prototyping Verfahrens erzeugt. Um während der Simulation des chirurgischen Eingriffes Zonen zu differenzieren und Risikostrukturen bei Berührung oder Durchdringung zu detektieren, bezieht sich die Erfindung darauf, die unterschiedlichen Organe durch verschiedene Materialien auszugestalten, sodass Berührungen oder Schädigungen bestimmter Strukturen detektierbar sind. Dies lässt sich insbesondere durch die Ausführung mittels elektrisch leitfähiger (Metalle, elektrolytische Flüssigkeiten etc.) oder lichtleitenden Materialien erreichen.
-
Für die Ausbildung von Chirurgen können damit die zu erlernenden chirurgischen Szenarien gemäß den Ablauf-Protokollen an den Phantomen trainiert werden. Auf der Grundlage dieser Ablauf-Protokolle werden Parameter (Durchführungsdauer, economy of hand-movement, Verletzung von funktionell wichtigen anatomischen Arealen, den sogenannten „verbotenen Zonen”, etc.) festgelegt, die über die Qualität des geübten Eingriffes und damit bei mehreren Tests über den Lernerfolg Auskunft geben.
-
Neben der Überprüfung von Probanden bei der Ausführung von chirurgischen Tätigkeiten, können solche Phantome dazu dienen, chirurgische Instrumente oder chirurgische Abläufe mit chirurgischem Equipment zu analysieren, zu testen und zu evaluieren. Dies ist insbesondere für die Formgestaltung und das Prototyping in der Medizintechnik von herausragender Bedeutung. Dabei können Parameter gemessen werden, die anschließend Auskunft über die Qualitäten der Instrumente bzw. chirurgischen Systeme und Eingriffstechniken geben. Insbesondere können Handhabung, Ergonomie, Gebrauchstauglichkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit für computer-assistierte chirurgische Assistenzsysteme bewertet werden.
-
Das Prinzip der Erfindung besteht darin, dass während der Simulation eines chirurgischen Eingriffs am realen Phantommodell, das eine wirklichkeitsnahe Simulation von Operationsszenarien für den Auszubildenden, Trainierenden oder den Systemtester erlaubt, Risikostrukturen bei Berührung oder Verletzung detektiert werden können. Dazu wird ein anatomisch korrektes Modell (Phantom) mit realen Gewebeeigenschaften erzeugt. Dieses Phantom wird so ausgebildet, wie es für die Simulation des jeweiligen chirurgischen Eingriffs erforderlich ist. Es besteht im Wesentlichen aus Nachbildungen der betreffenden Körperstrukturen und wird für die Ausbildung und das Training von Chirurgen als Standard-Phantom ausgebildet. Dazu gehören nicht nur die betreffenden Knochenbereiche, sondern auch die dort befindlichen Risikostrukturen wie Nervenstränge, Sehnen, Arterien, innere Organe und weitere. Außerdem ist es vorgesehen, die unterschiedlichen Phantomteile hinsichtlich ihrer bei einer Operation relevanten tatsächlichen Gewebeeigenschaften wie die Originale auszubilden, um möglichst gleiche Bedingungen zu schaffen. Die Reproduzierbarkeit des Phantoms bzw. der Module des Phantoms ermöglicht es die Ausbildung unter exakt gleichen Bedingungen zu wiederholen.
-
Für die Systemtestung vor einer komplizierten Operation am Patienten wird ein anatomisch korrektes Modell angefertigt, das die realen Gewebeeigenschaften des Patienten aufweist. Das hat den Vorteil, dass bei der simulierten Operation zur Systemtestung nahezu die gleichen Bedingungen wie bei der später stattfindenden Operation vorhanden sind und so Fehler vermieden werden und der angestrebte Erfolg der Operation mit großer Wirklichkeitsnähe erreicht werden kann. Die detektierbaren Risikostrukturen sind erfindungsgemäß elektrisch- und lichtleitende Strukturen. Sie werden durch Gießverfahren, Spritzverfahren, manuelles Einbringen von Strukturen oder andere Verfahren hergestellt. Die erfassten Daten werden auf einem Computerbildschirm dargestellt. Dabei erfolgt eine genaue Lagebestimmung des im Einsatz befindlichen chirurgischen Instruments im Phantom durch Ortsdetektierung und durch Eindringtiefenbestimmung in die Risikostruktur infolge Tiefendetektierung.
-
Das Prinzip der elektrisch leitfähigen Risikostrukturen des Phantoms besteht darin, dass zur Darstellung der Risikostrukturen elektrisch leitfähige Materialien wie z. B. Metalle, (wie) niedrig schmelzende Legierungen (Wood'sches Metall), Blech, Folie, Drähte, oder Kunststoff-Verbundwerkstoffe oder Kunststoffschläuche, gefüllt mit elektrisch leitenden Flüssigkeiten verwendet werden.
-
Die elektrisch leitfähigen Risikostrukturen sind mit einem Schaltkreis verbunden sind. Das chirurgische Instrument fungiert in diesem Schaltkreis als Schalter. Bei Berührung einer Risikostruktur wird der elektrische Stromkreis geschlossen. Das Ereignis des Schalterschlusses wird z. B. mittels eines PC's, in dem sich eine Datenakquisitionskarte (DAQ) befindet mit einer Auswertesoftware registriert weiterverarbeitet und durch die Auswertung des elektrischen Widerstands eine Reduzierung des Kanalquerschnitts durch ein Eindringen des chirurgische Instruments in die Risikostruktur ermittelt.
-
Als lichtleitfähige Risikostrukturen des Phantoms werden lichtleitfähige Materialien wie z. B. Lichtleitkabel aus PMMA oder Glasfaserkabel verwendet. So kann z. B. ein Nerv durch ein Lichtleitkabel dargestellt werden. Die Quelle zur Einkopplung des Lichts in die Lichtleitkabel können z. B. Dioden oder Leuchtmittel sein, die an die Lichtleitkabel angeschlossen sind. Wird bei der Simulation des chirurgischen Eingriffes eine Risikostruktur verletzt d. h. ein Lichtleitkabel beschädigt, verändert sich die Beleuchtungsstärke am Ende der Lichtleitkabel. Die Beleuchtungsstärke wird durch einen Sensor wie z. B. einer Photodiode, Solarzelle, einem Phototransistor, einem integriertem Photosensor oder einem Photowiderstand erfasst. Die Beleuchtungsstärke ist von der Eindringtiefe des chirurgischen Instruments abhängig und ermöglicht somit eine Aussage über die Verletzung der Risikostruktur.
-
Für die Steuerung, Messung und Auswertung der chirurgischen Simulation wird ein speziell für diese Erfindung entwickeltes Programm verwendet.
-
Erfindungsgemäß werden im Simulations-Phantom zur wirklichkeitsnahen Gestaltung eines Modells die elektrisch- und lichtleitenden Detektionsprinzipien kombiniert angewandt. Größere Kanäle und flächige Areale sind besser mit elektrisch leitenden Strukturen umsetzbar, für schmale Kanäle hingegen eignet sich die Lichtleitung besser. Durch die kombinierte Anwendung ist für jede spezielle Struktur die passende Detektierung möglich. Die elektrischen Impulse als Endinformation infolge der Berührung bzw. Verletzung der Risikostrukturen beider Detektionsprinzipien werden über die Eingangskanäle der Datenakquisitionskarte registriert. Da jede Risikostruktur an einen separaten Eingangskanal angeschlossen ist, kann ermittelt werden, welche Risikostruktur berührt bzw. verletzt wurde. Weiterhin kann der Grad der Verletzung; d. h. die Tiefe der Verletzung ermittelt und angezeigt werden.
-
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass sie universell für viele Anwendungsgebiete geeignet ist. Es werden Phantome geschaffen, die mit ihren Risikostrukturen wirklichkeitsnah gestaltet sind. Die Testergebnisse und Untersuchungsreihen von auszubildenden und sich weiter bildenden Chirurgen an den gleichermaßen ausgestalteten Simulationssystemen können auch von verschiedenen klinischen Einrichtungen miteinander verglichen und bewertet werden. Die chirurgischen Eingriffe können unter realen Bedingungen wie die Lage des Patienten auf dem OP-Tisch, die Handhabung der Instrumente durch den Chirurgen usw. durchgeführt werden. Bereits während des Eingriffs können möglicherweise verletzte Risikostrukturen angezeigt und in ihren Ausmaßen dargestellt werden. Da das Phantommaterial nahezu die mechanischen Eigenschaften des Gewebes besitzt, entsprechen Schneid, Bohr- oder Fräsprozesse den realen Bedingungen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die gute räumliche Orientierung des Chirurgen bei seinem Eingriff durch die maßstabsgetreue anatomische Darstellung. Von den Probanden können an Hand ihrer durchgeführten operativen Eingriffe Lernkurven erstellt werden, die den Fortschrittsprozess ihrer Fertigkeiten dokumentieren und mögliche Schwächen aufzeigen. Komplizierte Operationen können vor dem eigentlichen Eingriff beim Patienten an einem maßstabsgerechten und hinsichtlich der Risikostrukturen und der Gewebeeigenschaften realistisch nachgebildeten Phantom geprobt werden.
-
Ausführungsbeispiele
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von 3 Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
-
1. Ausführungsbeispiel
-
Das 1. Ausführungsbeispiel betrifft ein anatomisch korrektes System für die Simulation und Evaluation chirurgischer Eingriffe und des chirurgischen Equipments für die Lehre und Ausbildung in der Human- und Veterinärmedizin.
-
Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen
-
1 den prinzipiellen Aufbau des Simulationssystem für chirurgische Eingriffe an Hand eines anatomisch korrekten, an die Messschaltung angeschlossenen Rapid-Prototyping-Modells (Felsenbein),
-
2 eine Messschaltung, bestehend aus einer Datenakquisitionskarte (DAQ) und einem Stromkreis mit integrierten elektrisch- und lichtleitenden Risikostrukturen und
-
3 einen Messaufbau zur Bestimmung der Kalibrierfunktion für die Tiefenbestimmung bei durch Lichtleitkabel repräsentierten anatomischen Risikostrukturen.
-
Im Rahmen ihrer Ausbildung führen Ärzte chirurgische Eingriffe an als Phantome bezeichneten Übungsobjekten durch, bevor sie Operationen am Menschen praktizieren dürfen. Je realistischer ein solches Phantom gestaltet ist und je genauer ein solcher Eingriff durch eine Messschaltung erfasst und mittels einer elektronischen Auswerteeinheit dargestellt und ausgewertet werden kann, desto schneller und realitätsnäher werden Ausbildungsfortschritte erreicht. Auf Grund der Komplexität einer solchen Einrichtung wird sie als Simulationssystem bezeichnet. Das Simulationssystem besteht nach 1 aus dem Phantom 1, dem chirurgischen Werkzeug 2, der elektrischen Schaltung 3 und der elektronischen Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit 4.
-
Das Phantom 1 ist bei diesem Anwendungsfall ein Felsenbeinpräparat und für die Ausbildung von HNO-Ärzten vorgesehen. Es besteht aus dem Mastoid 10, der Pars tympanica 11, der arteria carotis interna 12 und dem nervus facialis 13. Die letzten beiden nachgebildeten Bestandteile arteria carotis interna 12 und nervus facialis 13 gehören zu den Risikostrukturen, die während des chirurgischen Eingriffs nicht beschädigt werden dürfen. Sie sind während der Simulation des operativen Eingriffs detektierbar. Das Prinzip der Detektierung beruht bei der arteria carotis interna 12 auf elektrischer Leitung und beim nervus facialis 13 auf Lichtleitung. Dazu ist die arteria carotis interna 12 im Inneren mit einem elektrischen Leiter 18 und der nervus facialis 13 mit einem Lichtleitkabel 14 versehen.
-
An diesem Phantom 1 sollen Übungen mit einem als Fräser ausgebildeten chirurgischen Instrument 2 durchgeführt werden. Bei der Herstellung der Modelle ist es möglich, Patientendatensätze mit unterschiedlichen Erkrankungsbildern zugrunde zu legen. Dazu werden mit einer speziellen Software die Bereiche markiert (segmentiert), die von Interesse sind. Der Datensatz wird anschließend an einen 3D-Drucker gesendet. Mit diesem Drucker ist es möglich auf Gips- oder Stärkebasis anatomisch korrekte 3D-Modell zu erzeugen und durch Infiltration mit speziellen Harzen die Materialeigenschaften dahingehend zu beeinflussen, dass reale Gewebeeigenschaften nachgebildet werden können.
-
Die als erste Risikostruktur deklarierte arteria carotis interna 12 wurde als Kanal gestaltet, damit die Struktur nach dem Druckprozeß mit einer niedrigschmelzenden Legierung (Wood-Metall) gefüllt werden kann und somit elektrisch leitfähig ist. In den Gang des nervus facialis 13 als zweite Risikostruktur wurde ein Lichtleitkabel 14 eingebracht.
-
Die elektrisch leitfähige arteria carotis interna 12 ist nach 2 in einem elektrischen Schaltkreis mit dem Ein- und Ausgang einer Datenakquisitionskarte (DAQ-Karte) verbunden. Durch diesen Schaltkreis fließt über den analogen Ausgang eine Gleichspannung von Ua = 0,5 V. Vor die arteria carotis interna 12 wurde ein Widerstand 15 von 10 kΩ eingebracht. Die daraus resultierende Stromstärke von 50 μA in der Risikostruktur ist physiologisch unbedenklich für den Anwender. Der Fräser, der bei dieser Anwendung als chirurgisches Instrument 2 eingesetzt wird, ist an die Masse der DAQ-Karte angeschlossen und fungiert im elektrischen Schaltkreis als Schalter. Bei Verletzung der arteria carotis interna 12, fließt der Strom nicht mehr über den analogen Eingang, sondern über das chirurgische Instrument 2 nach Masse ab. Am analogen Eingangskanal der Risikostruktur arteria carotis interna 12 liegt somit keine Eingangsspannung Ue2 mehr an. Dieses Ereignis wird mit einem zur elektronischen Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit 4 gehörenden PC, in dem sich eine Datenakquisitionskarte (DAQ) befindet, mit einer Auswertesoftware registriert und weiterverarbeitet. Es wurde außerdem eine Totzeit festgelegt, so dass eine kurze mehrfache Berührung, die z. B. durch Zittern erzeugt werden könnte, ausgeschlossen und nur ein Ereignis registriert wird. Des Weiteren wird die Dauer der Simulation abgespeichert. Anhand der Informationen von Fehleranzahl (Beschädigung der Risikostruktur) und Simulationszeit werden Lernkurven erstellt.
-
Bei der zweiten Risikostruktur, dem nervus facialis 13, wird das Prinzip der Lichtleitung zur Detektion der Beschädigung angewandt. Der nervus facialis 13 wird durch ein Lichtleitkabel 14 repräsentiert, das in eine Messschaltung integriert ist. Mit einer LED 16 wird Licht in das Lichtleitkabel 14 eingeleitet. Die Versorgungsspannung der LED 16 wird über den analogen Ausgang der Datenakquisitionskarte mit Ua = 5 V Ausgangs-Wechselspannung zur Verfügung gestellt. Am anderen Ende des Lichtleitkabels 14 befindet sich eine Photodiode 17, die das Licht erfasst und in elektrischen Strom umwandelt. Die daraus resultierende Eingangsspannung Ue1 wird am analogen Eingang gemessen. Wird beim chirurgischen Eingriff die Risikostruktur nervus facialis 13 beschädigt, verändert sich die auf die Photodiode 17 einfallende Beleuchtungsstärke und damit der durch die Photodiode 17 erzeugte Strom. Dieses Ereignis wird mit der Datenakquisitionskarte registriert und weiterverarbeitet.
-
Die Beleuchtungsstärke ist dabei von der Eindringtiefe des chirurgischen Instruments 2 in das Lichtleitkabel 14 abhängig. Somit ist man in der Lage, Informationen über die Eindringtiefe des chirurgischen Instruments 2 in die Risikostruktur abzuleiten. Für die Angabe der Eindringtiefe des Instruments 2 in das Lichtleitkabel 14 ist eine Kalibrierfunktion notwendig, die auf die gemessenen Daten angewandt wird. Die Werte für die Kalibrierfunktion werden mit einer speziellen Versuchsanordnung und -durchführung ermittelt. Die Versuchsanordnung 5 besteht nach 3 aus einer LED 50, einem Lichtleitkabel 51 und einer Photodiode 52, die in eine Messschaltung integriert sind.
-
An die elektrische Schaltung ist eine Datenakquisitionskarte angeschlossen, die zum einen die LED 50 mit einer Wechselspannung versorgt und zum anderen den durch das Licht erzeugten Strom bestimmt. Die Kalibrierfunktion, welche die Abhängigkeit des Stromes zur Eindringtiefe beschreibt, wird mit dem Messaufbau der Versuchsanordnung 5 ermittelt. Während der Versuchsdurchführung bleibt die Intensität der LED 50 konstant. Mit einem Schneidinstrument 53, dessen Bewegungsrichtungen durch einen Doppelpfeil angegeben sind, wird eine definierte Dicke des Materials von dem Lichtleitkabel 51 abgetragen. Das Schneidinstrument 53, das an einer Haltevorrichtung 54 befestigt ist, wird mit einer Messspindel 55 mit definiertem Vorschub durch das Lichtleitkabel 51 bewegt. Die Messung der elektrischen Größe erfolgt in jeder Position. Nach der Messwertaufnahme liegt eine Funktion vor, die den Zusammenhang zwischen einfallendem Licht auf die Photodiode 52 und der Eindringtiefe beschreibt. Die aufgenommenen Messwerte werden relativ angegeben, damit die Kalibrierfunktion von bestimmten Faktoren wie z. B. der Lichtstärke oder Lichtleitkabellänge unabhängig ist. Mit der Software LabView wurde ein Programm erstellt, dass die Ein- und Ausgangs-Kanäle der Datenakquisitionskarte überwacht, die Signale registriert, verarbeitet und auswertet. Die Daten des operativen Eingriffs können somit statistisch ausgewertet und Lernkurven erstellt werden.
-
Zu Beginn der Simulation des chirurgischen Eingriffs wird ein Benutzerprofil durch die Software angelegt. Danach werden Anzahl und Name der Risikostrukturen festgelegt. Wird während der chirurgischen Simulation eine Risikostruktur verletzt, wird dieses Ereignis der entsprechenden Risikostruktur zugeordnet registriert, visuell und akustisch dargestellt und softwareintern weiterverarbeitet.
-
Des Weiteren wird die Dauer der Simulation abgespeichert. Anhand der Informationen von Fehleranzahl (Beschädigung der Risikostruktur) und Simulationszeit werden Lernkurven erstellt. Die erstellten Lernkurven ergeben vergleichbare Information über Erfolge in der Ausbildung.
-
2. Ausführungsbeispiel
-
Das 2. Ausführungsbeispiel betrifft die Fertigung eines standardisierten Phantoms 1 St zum Vergleich verschiedener chirurgischer Geräte, Instrumente 2 und Operationstechniken.
-
Das in der Erfindung beschriebene System ermöglicht die Herstellung identischer anatomisch korrekter reproduzierbarer Modelle, die an die Messschaltung nach 2 angeschlossen werden. Mit den identischen Simulationssystemen ist es somit möglich, unter standardisierten Bedingungen den simulierten chirurgischen Eingriff durchzuführen. Somit ist man in der Lage verschiedene Geräte für die gleiche chirurgische Applikation zu evaluieren. Daraus kann ermittelt werden, welche Instrumentarien 2 sich besser für die spezifische Anwendung eignen. Dies ist innerhalb der Entwicklungsphase neuer medizinischer Geräte oder Instrumente 2 von großer Bedeutung, da schon rechtzeitig in den Entwicklungsprozess eingegriffen werden kann. Neben der Evaluierung medizinischer Geräte und Instrumente 2 können auch verschiedene chirurgische Techniken für ein und dieselbe Zielstellung evaluiert werden.
-
3. Ausführungsbeispiel
-
Das 3. Ausführungsbeispiel betrifft die Fertigung eines Spezial-Phantoms 1 Sp für die individuelle OP-Planung eines Patienten, mit dem schwierige operative Eingriffe geplant und trainiert werden können (z. B. Planung des idealen Zugangs zum Zielvolumen). Mit der daraus resultierenden Verringerung des Risikos möglicher Komplikationen kann die Behandlungsqualität verbessert und die Liegezeit des Patienten verringert werden. Der Planung und Modellerstellung liegen dabei die aktuellen Computertomographie oder Magnetresonanztomographieaufnahmen zugrunde. Zur Simulation des speziellen operativen Eingriffs kann das Modell an die im 1. Ausführungsbeispiel beschriebene Messschaltung angeschlossen werden. Das Modell dient außerdem als Grundlage für Fachgespräche und Diskussionen zwischen den Ärzten angrenzender chirurgischer Disziplinen zur verbesserten Operationsplanung. Die dreidimensionale Modellabbildung eignet sich für die tagtägliche Planung komplexer Eingriffe, wie sie besonders an Nerven und Gefäßen in der Nähe zur Schädelbasis vorkommen.
-
Diese 3 Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein sehr begrenztes Gebiet des Wirkungsbereiches von HNO-Ärzten. Tatsächlich kann die Erfindung auf nahezu allen Gebieten der Human- und Veterinärmedizin angewendet werden.
