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Die Erfindung betrifft ein Trainingsphantomsystem für neurochirurgische Eingriffe für ein standardisiertes, objektivierbares Training von Neurochirurgen für alle Aspekte der Tumorchirurgie. Das Training umfasst die präoperative Zugangsplanung anhand reeller Falldaten, die Lagerungstechnik des Schädels am Modell, die Einrichtung des Navigationssystems inklusive Patientenregistrierung, die Schnittführung und Kraniotomie unter Zuhilfenahme des Navigationssystems. Nach erfolgtem Training ist eine Auswertung der durchgeführten Arbeitsschritte sowie eine Evaluierung der Ergebnisse hinsichtlich der Vergleichbarkeit mit einem vorher festgelegten Referenzzugang vorgesehen.
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Zur Ausbildung von Chirurgen und zum vorherigen Erproben von komplizierten chirurgischen Eingriffen vor der eigentlichen Operation stehen heute verschiedene Evaluations- und Trainingssysteme unter Verwendung eines Phantoms zur Verfügung. Diese kommen den realen Bedingungen in einem Operationssaal mehr oder weniger nahe. Besonders in der Neurochirurgie sind solche Systeme wünschenswert, da hier an den Chirurgen besonders hohe Anforderungen gestellt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedenartige Trainingssysteme bekannt.
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Das Trainingssystem von 3dl (Jena, Deutschland – Miller D, Heinze S, Tirakotai W, Bozinov O, Surucu O, Benes L, Bertalanffy H, and Sure U. Is the image guidance of ultrasonography beneficial for neurosurgical routine? Surg. Neurol. 67(6): 579–587, 2007) ermöglicht die modellhafte Navigation mit einem Datensatz. Der Modellkopf ist einspannbar und Kraniotomien sind einseitig möglich. Da das Trainingssystem kein Navigationssystem beinhaltet, muss auf in den Operationsräumen übliche Navigationssysteme zurückgegriffen werden, was durch die logistischen Zwänge zu Nutzungsbeschränkungen führt. Mit dem System ist nur eine eingeschränkte Variabilität der Datensätze möglich, die sich auf CT beschränkt; MRT ist nicht vorgesehen, intraoperative Bildgebung wird nicht berücksichtigt. Nachbildungen von Haut und Muskeln fehlen. Es erfolgt kein technisches Feedback und mangels Prüfungs- und Übungsprogramm fehlen objektivierbare Daten. Lagerungstechnik und Zugangsweg sind nur indirekt beachtet.
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Weiterhin sind verschiedenartige Planungssoftware für Raumforderungen (z. B. Mevis: Chalopin C, Mayoral R, Lindner D, Segmentation of cerebral blond vessels in 3D intraoperative ultrasound angiographic (3D-iUSA) data, Proceedings of the 23rd International Congress and Exhibition of Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS 2009), p. 109–111, 2009) bekannt, die eine einfache radiologisch geprägte Nutzung, Segmentierung und Darstellung an verschiedenen Arbeitsplätzen ermöglichen. Bei diesen Softwareprodukten besteht keine Verbindung zur Hardware und damit zum wirklichen Ablauf im Operationssaal. Aufgrund des fehlenden praktischen Bezugs sind Abweichungen zwischen erfolgter Planung und tatsächlichem Trainingsablauf nicht ermittelbar.
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An der Universitätsklinik für Neurochirurgie Mainz (Stadie AT, Kockro RA, Reisch R, Tropine A, Boor S, Stoeter P, Perneczky A. A collaborative virtual reality environment for neurosurgical planning and training. J Neurosurg., 108(2): 382–94, 2008) wird ein Forschungsprojekt für eine Plattform zur präoperativen Planung und 3D-Rekonstruktion bearbeitet, bei dem die Anwendung einer Planungssoftware für die präoperative Darstellung und Realisierung einer operativen Strategie untersucht wird. Zusätzlich werden 3D-Rekonstruktionen der anatomischen Struktur für den OP-Saal erstellt. Damit soll die Verbindung aus Planung und Erstellung eines Datensatzes in der Neurochirurgie realisiert werden. Eine echte Trainingssituation ist durch diese Plattform nicht gegeben. Fehleranalyse und Anwendung erfolgen nur qualitativ und mit Fragebogen. Die Einbindung der Navigationsplanung zum Schnitt und der Kraniotomie aber auch zum intraoperativen Ultraschall fehlt.
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Bekannt ist ein Neuro Touch Simulator für die Hirnchirurgie, der von Canada's National Research Council (NRC) für virtuelle Tests von Operationen entwickelt wurde (Setting a precedent: The Neurotouch Simulator, Simulation Network Newsletter, Issue 17: 9, 2010; http://neurosurgery.medicine.dal.ca/files/SimulationNetworkNewsletter_September2010%20(2).pdf). Nachteile dieses Simulators sind der Mikroskopblick, die Hand-Auge-Koordination gestaltet sich durch das virtuelle Testsystem schwieriger, für die Kraniotomie gewöhnlich eingesetzte Instrumente können nicht genutzt werden.
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Schließlich ist aus
DE 10 2005 056 997 A1 ein Simulationssystem für chirurgische Eingriffe in der Human- und Veterinärmedizin bekannt, bei dem in ein anatomisch korrektes Modell (Phantom) Strukturen eingebracht sind, die erlaubte und verbotene Zonen markieren. In Verbindung mit der Ortsdetektierung der chirurgischen Instrumente lässt sich so die Annäherung, Berührung und Verletzung von verbotenen Zonen erkennen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trainingssystem mit einem anatomisch nachgebildeten Trainingsphantom für den Einsatz in der neurochirurgischen Facharztausbildung zu schaffen, welches eine virtuelle Eingriffsplanung erlaubt, die Arbeitsschritte des Trainings am Phantom erfasst und virtuell abbildet und mit einem vorher festgelegten Referenzzugang vergleicht und bewertet. Die Simulation soll dabei unter möglichst reellen Umgebungsbedingungen stattfinden. Es soll die Möglichkeit gegeben sein, aus einer umfangreichen Palette von Tumorarten und Lokalisationen auswählen zu können. Dabei sollen alle Szenarien mit dem gleichen Trainingssystem trainierbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch ein Trainingssystem unter Verwendung eines als Schädel ausgebildeten Phantoms, einer elektronischen Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit mit einer Software zur Planung, zur Verlaufskontrolle und zur Auswertung des Eingriffs und einer Schaltungsanordnung zur Vermittlung der Signale zwischen Sensorik am Phantom und Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit sowie zum Erkennen und Verfolgen des Trackings der beim Training verwendeten Instrumente gelöst. Erfindungsgemäß besteht das in Form eines menschlichen Schädels ausgebildete Phantom aus den Komponenten Basismodul als Grundgerüst für das Phantom, aus einem auf das Basismodul aufsetzbaren Adapter und aus austauschbaren, in den Adapter einsetzbaren Modulen jeweils für eine bestimmte Tumorart und Lokalisation.
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Der auf das Basismodul aufsetzbare Adapter und das Modul weisen Nachbildungen von Knochen und Haut auf. In das Modul sind zusätzlich Nachbildungen von Muskeln und Dura eingebracht. Das Modul enthält Sensoriken zur Detektion von Verletzungen der eingebrachten Risikostrukturen. Wesentliches Merkmal des Phantoms mit der Nachbildungen von Knochen, Haut, Muskeln und Dura ist, dass die Gestaltung auf der Grundlage eines aus einer Vielzahl von Realdatensätzen gemittelten Datensatzes erfolgt. In der Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit ist ein Datensatz hinterlegt, welcher einerseits aus den segmentierten Strukturen des gemittelten Datensatzes (Schädelhaut, Schädelknochen, Musculus temporalis) sowie andererseits aus den inneren Schädelstrukturen (Cortex, Ventrikel usw.) eines Patientendatensatzes besteht, welcher algorithmisch so angepasst und deformiert wurde, dass er in die äußeren Strukturen des gemittelten Datensatzes passt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Trainingssystems sind in der Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit für definierte Lokalisationen und Tumorarten Masterwerte hinterlegt, die
- – bezüglich der äußeren Strukturen die Schädelhaut, den Schädelknochen sowie den Musculus temporalis des gemittelten Datensatzes und bezüglich der inneren Strukturen Cortex, Ventrikel usw. abbilden, wobei die die innere Struktur abbildenden Daten algorithmisch so verändert sind, dass sie in die äußeren Strukturen des vorgegebenen, gemittelten Datensatzes passen, und
- – den idealen Zugang zum Tumor abbilden und die idealen Werte für Hautschnitt, Bohrlöcher sowie Trepanation (Verbindungslinie zwischen den Bohrlöchern) enthalten.
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Weiterhin enthält die Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit eine Einheit, die während des Trainings in das Phantom eingebrachte Hautschnitte, Bohrlöcher und Trepanation erfasst und mit den Werten des Masterzugangs unter Einbeziehung der Werte für die Tumorlokalisation vergleicht.
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Das derart gestaltete Trainingssystem ist mit einer Reihe von Vorteilen für den Nutzer verbunden, die insbesondere in den realen, einer Operation nahekommenden Umgebungsbedingungen liegen. Das System unterstützt die Facharztausbildung, indem es eine virtuelle Eingriffsplanung erlaubt, die Arbeitsschritte des Trainings am Phantom erfasst und virtuell abbildet und mit einem vorher festgelegten Referenzzugang vergleicht und bewertet. In der Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit lässt sich eine umfangreiche Palette von Tumorarten und Lokalisationen ablegen, die unter gleichen Bedingungen trainierbar sind.
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Im folgenden soll das Trainingssystem in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden, ohne die Erfindung zu beschränken. Die zugehörigen Abbildungen mit Bezugszeichen mit der Struktur (Abbildung.Merkmal) zeigen in
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schematisch die Erstellung des Datensatzes für die Navigation. In der oberen Reihe ist rechts das Template (gemittelter Datensatz) und links der Datensatz eines Patienten dargestellt. In der mittleren Reihe ist rechts das Template enthaltend nur die äußere Strukturen dargestellt, die vorher segmentiert wurden (Knochen, Haut, Muskel). Links sind nur innere Strukturen (Cortex, Ventrikel, Tumor usw.) des Patienten dargestellt. Der Patientendatensatz wird algorithmisch so angepasst, dass er in die äußeren Strukturen des gemittelten Datensatz integriert werden kann. In der unteren Reihe sind der äußere Teil des Templates und der innere adaptierte Teil des Patienten dargestellt.
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die schematische Darstellung des frontotemporalen Austauschmoduls mit Nachbildungen der Haut (2.1), der Knochenstruktur (2.2) und dem frontotemporalen Muskel (2.3).
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die schematische Darstellung des Phantoms mit Masterzugang. Darin ist dargestellt das Basissystem (3.1) zur elektronischen Ankopplung, der Adapter (3.2), das frontotemporale Austauschmodul (3.3), der Hautschnitt (3.4), die Bohrlöcher (3.5) und die Trepanation (3.6).
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Ausführungsbeispiel
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Das Phantom ist auf der Basis eines aus mehreren Realdatensätzen gemittelten Datensatzes generiert und entspricht somit den realen anatomischen Gegebenheiten, wie in schematisch dargestellt wird. Im Wesentlichen besteht das Phantom aus 3 Komponenten ( ). Ein universelles Basissystem 3.1 stellt das Grundgerüst des Phantoms dar. Über das Basissystem 3.1 erfolgt die elektronische Ankopplung an die zugehörige Simulationssoftware, die in der nicht dargestellten Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit abgelegt ist. Die elektronische Ankopplung ermöglicht eine automatische Erkennung der Module sowie die Detektion von Verletzungen der eingebrachten Risikostrukturen. Ein wieder verwendbarer Adapter 3.2 wird je nach Lage der zu trainierenden Zielstruktur auf das Basissystem 3.1 aufgesetzt und bildet den Rahmen für das Einbringen der dritten Komponente, dem Modul 3.3. Das Modul ist in der gesondert dargestellt und weist Nachbildungen der Haut 2.1, der Knochenstruktur 2.2 und dem frontotemporalen Muskel 2.3 auf. Das austauschbare Modul 3.3 wird in den Adapter 3.2 eingesetzt und ist über elektronische Kontakte mit Adapter 3.2 und Basismodul verbunden. Der Adapter 3.2 spiegelt dabei die Anatomie des menschlichen Schädels wieder, wobei Knochen und Haut nachgebildet sind. Das Modul 3.3 besitzt einen ähnlichen Aufbau und ist zusätzlich, abhängig von der Lokalisation des Moduls 3.3, durch die Nachbildung und Integration von Muskelgewebe und Dura gekennzeichnet. Alle Knochenstrukturen werden im Rapid Prototyping Verfahren gefertigt, die Weichteilgewebe mit vorher angefertigten Gussformen hergestellt. Ein besonderer Vorteil des Systems liegt in der Simulation unter reellen OP-Bedingungen, da die konventionell eingesetzten Instrumente auch im Training verwendet werden können. Eine in der Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit abgelegte Trainingssoftware erlaubt dem Nutzer die Planung des Eingriffs über die Definition von Eintritts- und Zielkoordinaten und führt anschließend durch die Simulation. Ein paralleles Tracking der Instrumente während der Simulation gewährleistet die Aufzeichnung der einzelnen Arbeitsschritte und bildet die Basis für ein virtuelles Abbild der durchgeführten Schritte in dem vorliegenden MRT-Datensatz und die abschließende Evaluation. Für jeden Fall, d. h. für jeden Datensatz, der eine bestimmte Lokalisation und Tumorart beinhaltet, ist ein Masterzugang definiert. Der Masterzugang umfasst Hautschnitt 3.4, das Setzen der Bohrlöcher 3.5 sowie die Trepanation 3.6. Für die Bewertung des Trainings werden der durchgeführter Hautschnitt 3.4, die Bohrlöcher 3.5 sowie die Trepanation 3.6 mit denen des Masterzugangs verglichen. Außerdem lassen sich geplanter Entry und Target denen des Masterzugangs gegenüberstellen. Daraus wird eine Bewertung des Trainings errechnet und es werden eventuelle Verbesserungsmöglichkeiten in zukünftigen Trainings aufgezeigt.
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Die Erstellung der Datensätze erfolgt in einem mehrstufigen Prozess, der in dargestellt ist. Das Phantom wird auf Basis eines aus mehreren Realdatensätzen gemittelten Datensatzes generiert. Die Anzahl der Realdatensätze sollte dabei zwischen 100 und 200 Datensätze liegen. Das heißt, aus einem gemittelten MRT-Datensatz (MNI 152 Template) wurden Haut, Temporalmuskel und Knochen segmentiert. Die Segmentierungsdaten wurden mit Hilfe eines CAD-Programms zu Gussformen für die Weichteile weiterverarbeitet bzw. direkt an einen 3D-Drucker gesendet, um die Knochenstrukturen mittels Rapid Prototyping Verfahren zu erstellen. Für die Navigation wird ein MRT-Datensatz benötigt, der die ausgewählten pathologische Strukturen widerspiegelt und gleichzeitig in der Anatomie der Knochen- und Weichteilstrukturen des Schädels mit dem Phantom übereinstimmt. Dieser MRT-Datensatz besteht aus mehreren Teilen. Aus dem gemittelten Datensatz werden alle Strukturen benötigt, die zur Erstellung des Phantoms genutzt wurden, das heißt, Haut, Muskel und Knochen des finalen Datensatzes werden aus dem gemittelten MRT-Datensatz übernommen. Das Innere des Schädels wird mit adaptierten Patientendaten gefüllt. Dazu wird der Patientendatensatz auf den gemittelten Datensatz mit Hilfe eines linearen Verfahrens registriert, so dass beide Datensätze die gleichen Raumkoordinaten aufweisen. Es folgt eine Inhomogenitätskorrektur des Patientendatensatzes. Anschließend wird der Patientendatensatz mittels eines nicht-linearen Verfahrens auf den gemittelten Datensatz registriert, das heißt die Hirnstrukturen werden so deformiert, dass sie eine bestmögliche Überdeckung mit dem Standarddatensatz zeigen. Auf beide Datensätze wird eine Maske angewandt, welche genau die Grenze zwischen innerer Knochenoberfläche und Weichteilstrukturen darstellt. Vom gemittelten Datensatz wird der außen verbleibende Teil mit dem innen verbleibenden Teil des Patientendatensatzes kombiniert und in den Grauwerten angeglichen.
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Dieses Verfahren ermöglicht eine relativ einfache Erweiterung der zum Training angebotenen Datensätze bei gleichzeitiger Anonymität der Patientendatensätze und bietet den Vorteil, für alle Lokalisationen und Tumorarten das gleiche Phantom mit unterschiedlichen Modulen nutzen zu können.
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Als Gesamtsystem aus Hardware, Software und aufbereiteten Datensätzen ermöglicht das Trainingssystem die Planung und Simulation von ausgewählten Hirntumoroperationen und kann damit erheblich zum Erlernen, Verständnis und Training der Abläufe solcher Operationen beitragen.
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Ein weiterer Vorteil des Trainingssystems ist, dass das Kopfmodell gleichzeitig als Ultraschallphantom genutzt werden kann, an dem die Ultraschallbildgebung von Tumoren geübt werden kann. Dazu wird ein getrackter Dummy Ultraschallkopf nach erfolgter Kraniotomie auf die Dura aufgesetzt und über die Region geschwenkt, in der der Tumor erwartet wird. Die Trackingkamera zeichnet dabei die Orts- und Positionsinformationen des Schallkopfes auf und errechnet die entsprechenden Schichten aus dem zugehörigen 3D-Ultraschalldatensatz. Der zugehörige Ultraschalldatensatz wird aus einem originalen intraoperativ aufgenommenen Patientendatensatz generiert, der den gleichen Tumor zeigt wie das MRT, welches verwendete wird, um den Datensatz für die Simulation, wie vorstehend beschrieben, zu generieren. Der Ultraschalldatensatz wird, wie der MRT-Datensatz, algorithmisch so angepasst und deformiert, dass er in die äußeren Strukturen des vorgegebenen gemittelten Datensatzes passt. Das Ultraschallphantom versetzt damit den Nutzer in die Lage, die intraoperative Bildgebung an einem Phantom zu trainieren, welches die Aufnahme eines Datensatzes simulieren und durch reelle Daten abbilden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005056997 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Jena, Deutschland – Miller D, Heinze S, Tirakotai W, Bozinov O, Surucu O, Benes L, Bertalanffy H, and Sure U. Is the image guidance of ultrasonography beneficial for neurosurgical routine? Surg. Neurol. 67(6): 579–587, 2007 [0004]
- Mevis: Chalopin C, Mayoral R, Lindner D, Segmentation of cerebral blond vessels in 3D intraoperative ultrasound angiographic (3D-iUSA) data, Proceedings of the 23rd International Congress and Exhibition of Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS 2009), p. 109–111, 2009 [0005]
- Universitätsklinik für Neurochirurgie Mainz (Stadie AT, Kockro RA, Reisch R, Tropine A, Boor S, Stoeter P, Perneczky A. A collaborative virtual reality environment for neurosurgical planning and training. J Neurosurg., 108(2): 382–94, 2008) [0006]
- Setting a precedent: The Neurotouch Simulator, Simulation Network Newsletter, Issue 17: 9, 2010; http://neurosurgery.medicine.dal.ca/files/SimulationNetworkNewsletter_September2010%20(2).pdf [0007]