WO2003001482A2 - Geburtensimulator - Google Patents

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WO2003001482A2
WO2003001482A2 PCT/DE2002/002338 DE0202338W WO03001482A2 WO 2003001482 A2 WO2003001482 A2 WO 2003001482A2 DE 0202338 W DE0202338 W DE 0202338W WO 03001482 A2 WO03001482 A2 WO 03001482A2
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Rainer Burgkart
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Robert Riener
Rainer Burgkart
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    • G09B23/281—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine for pregnancy, birth or obstetrics
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00681—Aspects not otherwise provided for
    • A61B2017/00707—Dummies, phantoms; Devices simulating patient or parts of patient

Definitions

  • the invention relates to a birth simulator for simulating prenatal treatment methods and for simulating selected situations during the birth process.
  • midwives and gynecologists are very time-consuming, since the practice of the hand or the use of medical instruments (e.g. suction cup) can only be carried out to a very limited extent on the pregnant woman for various reasons. Especially in complex emergency situations, it is not possible or ethically justifiable to actively involve inexperienced people in obstetrics. Furthermore, a wide variety of problem cases often cannot be predicted. Midwives and gynecologists, for example, have to be relatively passive at birth for long periods. Only when the passive training is very advanced can the active training begin. All actions must be monitored by experienced medical professionals in order to keep the residual risk for mother and child low.
  • medical instruments e.g. suction cup
  • the object of the invention is to create a device for simulating prenatal treatment methods and for simulating selected situations during the birth process, so that the necessary ones Hand movements can be learned or trained much more effectively.
  • this device will only be referred to as a birth simulator.
  • a womb torso preferably made of flexible plastic or a material with comparable properties, which has the shape and hardness and thus feel of a natural human body, has a uterine cavity made of a rubber-elastic material.
  • the uterine cavity is designed so that a child model made of flexible plastic can be inserted into it, the uterine cavity and the child model corresponding in shape, size and position to natural conditions.
  • the child model is mechanically coupled to a motor drive via a coupling device.
  • a programmable control device for controlling the mechanical drive is provided, so that the child model can be moved in the uterine cavity after a freely programmable movement sequence or can be brought out of the womb torso through the birth canal.
  • the advantage of the invention is that a possibility has been created to deal with different medical situations, i. H. Simulate temporal processes before and during birth on a tangible and moving physical model.
  • the model can be handled with your hands, e.g. B. to feel how the child is pushed out of the birth canal. It is also possible to practice the correct use of instruments such as B. the use of pliers or a suction cup.
  • instruments such as B. the use of pliers or a suction cup.
  • the possibility of changing the program e.g. H. To be able to set another medical situation "at the push of a button".
  • the child model is coupled to several controllable mechanical drives, so that even more complicated child movements can be simulated, which Chen largely correspond to child movements.
  • the various drives can also preferably be combined in a multi-joint robot.
  • a sensor arrangement for detecting forces and movements and a simulation program for simulating force and movement feedback are additionally provided.
  • a sensor arrangement for detecting forces and movements and a simulation program for simulating force and movement feedback are additionally provided.
  • the forces introduced are measured by the sensors of the sensor arrangement. It is clear to the person skilled in the art that at the same time the directions of these forces can also be determined directly or indirectly.
  • the sensors are arranged on the coupling device and / or on the drive elements.
  • the simulation program is implemented on the computer of the control device, which causes the measurement signals provided by the sensor arrangement to be converted into force and motion feedback signals.
  • control device which regulates the drive elements in such a way that the child model is moved by the drive elements when a person is subjected to a characteristic force in such a way that the child model executes an adequate reaction movement which corresponds to the natural movement behavior of the child Child in the medical situation in question.
  • the midwife or the trainee is thus given the feeling of a "living" child.
  • completely new training methods in the field of pregnancy care and obstetrics are made possible. Only by changing the program, ie at the push of a button, can different clinical situations and movement reaction patterns of natural child can be simulated.
  • an optical display device is additionally provided, which is connected to the computer of the control device for signaling purposes.
  • This display device can be a monitor or data glasses. Different visual information can be imported during a simulation. If e.g. B. a special situation of a birth is simulated, a film runs synchronously, the z. B. shows the same situation with a natural birth. However, other types of display can also be selected, such as. B. an X-ray film display.
  • the optical display device also displays information and additional information. It is particularly helpful for the training if e.g. B. additional information about dangerous situations can be shown.
  • a sound generator for generating typical sounds is additionally provided. Both child sounds and mother sounds can be recorded.
  • the sounds can be generated synthetically or can also be of natural origin, i. H. they are tapes that were recorded during an adequate natural situation. This measure creates a very realistic impression for the person being trained if, for example, B. at the same time a groaning of the parturient is brought in during violent labor.
  • the sound generators are integrated in the womb torso.
  • the noises caused by the child can be simulated very real.
  • a child model is provided, which is preferably intended for use in a birth simulator according to claims 1 to 7.
  • the child model has in the neck area and / or in the area of the skull roof, which consists of deformable segments, displacement and / or force and / or pressure sensors which are connected to the computer of the control device in terms of signal technology.
  • this child model When used with a birth simulator according to claims 1 to 7, this child model enables additional information to be obtained which improves the learning effect. So z. For example, the force injections on the child are recorded, while a trained person simulates a birth on the birth simulator. The same applies to a trainee. The two force curves can then be compared and evaluated.
  • a preferred place for the application of a force and / or moment sensor is the neck of the child model.
  • a preferred place for the application of displacement sensors or pressure sensors is the skull area of the child model. If displacement sensors are provided, the skull is deformable analogous to a natural child's skull and has displaceable skull segments, the displacements of which are measured by the displacement sensors.
  • the sensor information of the child model is used to provide more and more precise force and / or moment information for calculating the reaction forces and the associated reaction movements.
  • the person skilled in the art will also arrange further sensors at suitable locations on the child or also on the womb torso if it is necessary for signal acquisition when implementing a concrete movement simulation. So z. B. on the abdominal area of the womb torso pressure sensors are arranged.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first active embodiment of the invention.
  • F Kigg .. 2 2 shows a schematic representation of a second active embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a third active embodiment of the invention.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of a fourth active embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a fifth active embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a sixth active embodiment of the invention.
  • Fig. 7 shows a schematic representation of a first embodiment of a second invention.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a second embodiment of a second invention.
  • F Fiigg .. 1 100 shows a first control algorithm for an interactive
  • Embodiment of the invention. 11 shows a second rule algorithm for an interactive one
  • Fig. 1 shows the cross section of a birth simulator in the shape and size of a womb torso 1 of a pregnant woman with a child model 2.
  • the womb torso 1 is in an area 3 on a pad, for. B. a table, fixed.
  • the child model 2 is in a cavity 4, which simulates the uterus.
  • the womb torso 1 and the child model 2 are made of a flexible plastic.
  • a linear drive 5 is coupled to the child model 2 via a force sensor 6.
  • the linear drive 5 has an internal position detection device in the form of a length measuring system and enables reciprocal movement in the direction of the arrow 5a.
  • the force sensor 6 is connected to the child model 2 via a ball joint 7a.
  • Fig. 2 shows a basically the same arrangement as Fig. 1, wherein the linear drive 5 in addition to the reciprocal movement 5 a also allows a rotary movement 5b.
  • the coupling point between the child model 2 and the force sensor 6 is designed as a torsionally rigid, spring-elastic member 7b.
  • Fig. 3 shows the same arrangement in principle as Fig. 2, wherein the linear drive 5 in addition to the movements 5a and 5b allows an additional pivoting movement 5c.
  • the coupling point between the child model 2 and the force sensor 6 is rigid.
  • Fig. 4 shows the same arrangement in principle as Fig. 3, wherein the linear drive 5 in addition to the movements 5a, 5b and 5c performs an additional movement 5d, which is perpendicular to the direction of movement 5a.
  • the coupling point between the child model 2 and the force sensor 6 is also rigid.
  • Fig. 5 shows a linear drive 5, which consists of three individual drives 5 ⁇ , 5 2 and 5 3 , the end portions of which are pivotally connected to an abutment 8 and to a plate 9.
  • the plate 9 is rigidly connected to a two-point bracket 10 via the force sensor 6.
  • the two-point bracket 10 fixes the child model 2 at points 11 and 12.
  • Fig. 6 shows a linear drive 5, which, as described with reference to Fig. 5, also consists of three individual drives 5 ⁇ , 5 2 and 5 3 , the end portions of which are pivotally articulated on an abutment 8 ⁇ , 8 2 and 8 3 .
  • the extending in the direction of the child model 2 end portions are pivotably articulated thereto at various points 2 ⁇ , 2 2 and 2. 3
  • FIG. 7 shows a child model 2, the head of which is connected to the trunk via a force and torque sensor 13.
  • birth simulation it is particularly important to practice handles on the head of child model 2.
  • the child's neck is particularly stressed.
  • wired and wireless transmission methods are available to the person skilled in the art.
  • FIG. 8 shows a child model 2, on the head of which, in addition to the representation in FIG. 7, displacement and pressure sensors 14 are arranged in the region of the skull bones. Furthermore, individual sections of the skullcap of the child model 2 are designed to be displaceable. Is z. B. simulates a birth, the sections of the cranium shift as in the natural birth process, whereby it should be noted during training that the shifts do not exceed medically predetermined limits. The displacements and pressures can be detected during a simulated birth using the displacement and pressure sensors, and the data obtained can be used to assess whether the trainee is holding and guiding the child model's head correctly. The specialist is free to select and use suitable displacement and pressure sensors and the appropriate signal processing technology. FIG.
  • FIG. 9 shows schematically the cross-section of a birth simulator in the form of a belly torso 1 of a pregnant woman with a child model 2.
  • the belly torso 1 is in an area 3 on a base, e.g. B. a table, fixed.
  • the child model 2 is in a cavity 4, which simulates the uterus.
  • the belly torso 1 and the child model 2 are made of a flexible plastic.
  • a six-joint robot 5 with serial kinematics is coupled to the child model 2 via a six-component force-moment sensor 6.
  • the robot 5 pushes the child model 2 out of the birth canal in the case of a simulated birth, a person to be trained must grasp and guide the child model 2 as in a real birth.
  • the forces and moments introduced in the process are detected by the six-component force-moment sensor 6, converted into electrical signals and fed to a control and regulating device.
  • the robot has serial kinematics, i.e. that is, several robot segments are connected to one another in series via actively driven axes of rotation.
  • the directions of the axes of rotation are selected so that the end effector of the robot can be moved in six degrees of freedom (three positions and three orientations) with the child model coupled to the six-component force-moment sensor 6.
  • the angular positions of the robot are recorded via internal joint angle sensors and fed to the control and regulating device.
  • the position of the child model 2 in space is determined from the joint angle data.
  • a person touches the child model 2 indirectly with his hands via the elastic building cover 6 or also directly a movement is induced by the person through the forces applied to the child model 2 by hand or by means of a medical instrument.
  • the child model 2 reacts to this according to a movement pattern which corresponds to a real reaction movement of a natural child.
  • the child model can be induced to move using two methods:
  • the first method is the admittance control shown in FIG. 10, according to which the forces introduced when the child model 2 is touched are detected by the six-component force-torque sensor 6 and transmitted to the computer with the simulation program. be. There, the resulting movement of child model 2 is calculated and passed on to the robot control as a target variable. The robot control compares the calculated target movement with the measured robot movement and feeds the robot with motor currents in such a way that the error between the measured and calculated movement becomes minimal.
  • the second method is the impedance control shown in FIG. 11, according to which the changes in position and orientation forced by the action of forces and moments are recorded and transmitted to the computer with the simulation program. The corresponding forces and moments are then calculated and forwarded to the robot control as setpoints. The robot control compares the calculated target forces and moments with the actually occurring forces and moments and moves the robot so that the error that occurs is minimal.
  • the simulation program for the birth simulation calculation thus includes a computer model that contains the biomechanical relationships between the pelvis, uterus, ligaments, tendons, skin and muscles of the mother and the body of the child model. It describes the static and dynamic relationships between the forces and moments that a person, such as. B. the midwife to be trained, applies to the child model, and the positions and movements of the child with regard to the spatial positions, orientations and their derivations, d. H. Velocity and acceleration relative to the mother's body.
  • the resulting movements of child model 2 (admittance control) or the associated forces and moments (impedance control) which are transferred to the person acting, can be calculated either from the measured forces and moments.
  • the acting person By regulating the mechanical force actuator 5, the acting person has the haptically subjective impression of a real reaction.
  • the movements and deformations of the anatomical components are furthermore calculated from the movement information prepared in the birth simulation in a movement animation calculation.
  • Different types of display can be selected, such as. B. the shown X-ray image-like representation or an ultrasound-like representation, z. B. particularly vulnerable sections or injuries can be highlighted in color. It is also possible to switch between different display types. Since the visual information is transmitted at the same time as the haptic information of the acting person, this creates a very realistic overall impression.
  • pain limit values are additionally determined from the biomechanical calculations and trigger a command to play a sound sample when exceeded.
  • These sound samples are stored in a memory and are called up on request and reproduced via a stereo speaker system 8. It is of lasting learning psychological effect for the acting person if, for. B. A painful sound sounds when the handle is wrong.
  • the actuator was verified using a six-axis Stäubli RX90 industrial robot.
  • the robot's original control computer requires relatively long cycle times of more than 16 ms.
  • a PC-based control was set up in parallel.
  • the angle, force and torque sensors and the analog signals for the electronic joint amplifiers can be switched from the Stäubli computer to the PC via a switch, where the signal is recorded / output by means of appropriate PCI cards.
  • the underlying biomechanical model must be developed.
  • the relationship between the loads impressed on the child from outside (operator), i.e. Forces and moments (cause) and the underlying movement or position (effect) are shown.
  • An inverse model is required for admittance control, i.e. the causes (forces, moments) are calculated as a function of the effects (positions, speeds).
  • effects are calculated from the causes in a direct dynamic model (also called a forward model).
  • the method of calculation i.e. whether inverse or direct, is only of minor importance for the modeling.
  • a modeling example in the direct direction is outlined below:
  • the child has a certain anatomically determined shape / geometry, which in the simplest case can be considered rigid and rigid. However, it is reasonable to assume that the shape of the child undergoes passive viscoelastic deformation in the case of forces which are exerted on the child by the operator or through contact with sections of the womb.
  • the womb consisting of the uterus, abdomen, birth canal, pelvis, etc., also has certain geometric and viscoelastic properties.
  • the operator must initiate the forces and moments in such a way that he either increases the “expelling forces” (eg by pressing down on the abdominal wall) the mother) or canting by rotating the child's head (by reaching into the birth canal from the outside).
  • the biomechanical model does not necessarily have to explicitly include all anatomical components and shapes.
  • a certain "abstracted” representation of the mathematical relationships between impressed forces and resulting movements is sufficient. That is, a mathematical function describes which position, orientation and speed result when a force and a moment at a certain point on the child act in a certain direction.
  • the multidimensionality of the problem must be taken into account, ie the forces and moments introduced act in 3D directions and can attack anywhere on the surface of the child.
  • the resulting positions, orientations and speeds must also be indicated in 3D.
  • anatomical components such as pelvic bones, uterus, placenta, cervix, blood vessels and the child are visualized with a monitor.
  • the monitor can also be operated in stereo mode together with shutter glasses.
  • the movement animation takes place synchronously with the movements of the birth simulator. This enables the operator to study the internal, anatomical and biomechanical relationships even while the child is moving.
  • the visualization is based on segmented and 3D reconstructed CT and MRI images.
  • the reconstructed anatomical representation represents additional information that is of high didactical importance in medical training, but cannot be made visible in a real birth.
  • ultrasound techniques are usually used to monitor and assess birth. Such ultrasound recordings can be simulated in the motion animation on the basis of composite individual images that run synchronously with the birth.
  • the graphic animation takes into account movement-synchronized changes in position of the body segments, changes in the course of blood vessels or the umbilical cord, as well as deformations of muscles, uterus, placenta, etc.
  • Such movement processes can be visualized using so-called "kinematic CT and MRI recordings".
  • this is only a cinematographic technique that does not allow interactive operation in more than one degree of freedom and is therefore only suitable for use in the VR area is suitable to a limited extent (Dupuy et al. 1997; Witonski and Goraj 1999).
  • An alternative is a model-based animation. All components are modeled in their relevant geometric and visco-elastic properties and their mechanical interaction.
  • FE calculations are for realistic simulation and complex multi-body contact models are required, which considerably increase the complexity of the simulation and can endanger the real-time capability of the system.
  • a combined process is therefore recommended, in which image data as well as anatomical model considerations are used.
  • the approach is to interpolate and extrapolate geometry data, which are reconstructed from numerous discrete birth moments, in such a way that any child position can be represented in every important degree of freedom.
  • the inter- and extrapolations can be model-supported by taking into account, for example, the volume maintenance or length constancy of certain body sections. Since this requires relatively little computing effort wall is possible, real-time capable and smooth movements can be achieved in any direction.
  • acoustic signals that are generated by loudspeakers. These include cries of pain from the mother, noises when the child emerges, acoustic signals such as Contractions of the mother and the child's EKG.
  • the speakers can be placed near the artificial body sections or built into the body sections so that they are not visible from the outside.
  • the birth noises can be recorded on several test persons during the birth. To display the noises, models must be found that relate the type of noise to the underlying situation and the movement actions performed by the operator. Based on the experience of numerous gynecologists, these relationships can first be described qualitatively using linguistic variables. The fuzzy logic method can then be used to derive quantitative relationships from the linguistic data.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen aktiven und einen interaktiven Geburtensimulator zum Nachbilden der menschlichen Schwangerschaft und des Geburtsvorganges, wobei der Geburtensimulator nachfolgende Merkmale aufweist: Ein Mutterleibstorso (1), ein Kindmodell (2), das in dem Mutterleibstorso (1) angeordnet ist, wobei vorzugsweise natürliche Form-, Grössen- und Lageverhältnisse eingehalten werden und das Kindmodell (2) über eine Koppelvorrichtung (7) mit einem steuerbaren Antrieb (5) verbunden ist, um das Kindmodell (2) im Mutterleibstorso zu bewegen oder durch den Geburtskanal aus dem Mutterleibstorso (1) zu drängen, und eine programmierbare Steuervorrichtung zum Steuern des Antriebs (5) vorgesehen ist.

Description

Geburtensimulator
Die Erfindung betrifft einen Geburtensimulator zum Nachbilden von vorgeburtlichen Behandlungsmethoden und zur Simulation ausgewählter Situationen beim Geburtsvorgang.
Die Ausbildung von Hebammen und Gynäkologen ist sehr aufwendig, da zu übenden Handgriffe oder die Anwendung von medizinischen Instrumenten (z. B. Saugglocke) aus verschiedenen Gründen nur sehr eingeschränkt an der Schwangeren selbst vorgenommen werden kann. Gerade in komplexen Notfallsituationen ist es nicht möglich oder ethisch vertretbar, unerfahrene Personen in die Geburtshilfe aktiv einzubeziehen. Weiterhin treten die unterschiedlichsten Problemfälle oft nicht vorhersehbar auf. So müssen Hebammen und Gynäkologen über lange Zeiträume relativ passiv bei Geburten anwesend sein. Erst wenn die passive Ausbildung sehr weit fortgeschritten ist, kann mit der aktiven Ausbildung begonnen werden. Dabei müssen alle Handlungen von erfahrenem medizinischen Fachpersonal überwacht werden, um das Restrisiko für Mutter und Kind gering zu halten.
Um die gynäkologische Ausbildung zu unterstützen, werden bisher körperliche Modelle, Filme und Computeranimationen verwendet. Es gibt zusammensetzbare hartplastische Modelle, die eine räumliche Veranschaulichung anatomischer, physiologischer oder pathologischer Zusammenhänge ermöglichen. Es sind weiterhin weichelastische Modelle bekannt, die menschliche haptische Eigenschaften möglichst gut nachbilden sollen, d. h., in einem anatomiegerechten Mutterleib ist eine deformierbare Kinderpuppe angeordnet.
Die auszubildenden Hebammen und Gynäkologen können somit diese Modelle anfassen und bestimmte Grundhandgriffe üben und sich die räumlichen Zusammenhänge, wie z. B. Kindslagen, einprägen. Da die aus dem Stand der Technik bekannten körperlichen Modelle, Filme oder Computeranimationen jedoch nur unzureichend für die realitätsnahe Ausbildung geeignet sind, besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer Vorrichtung zum Nachbilden von vorgeburtlichen Behandlungsmethoden und zur Simulation ausgewählter Situationen beim Geburtsvorgang, damit die erforderlichen Handgriffe wesentlich effektiver erlernt oder trainiert werden können. Diese Vorrichtung soll nachfolgend nur noch als Geburtensimulator bezeichnet werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Geburtensimulator nach Anspruch 1 und mit einem Kind- modell nach Anspruch 8 gelöst.
Ein Mutterleibstorso aus vorzugsweise weichelastischem Kunststoff oder einem Material mit vergleichbaren Eigenschaften, der die Form und Härte und somit Haptik eines natürlichen menschlichen Körpers aufweist, hat eine Gebärmutterhöhlung aus einem gummiela- stischen Material. Die Gebärmutterhöhlung ist so ausgebildet, daß in ihr ein Kindmodell aus weichelastischem Kunststoff einbringbar ist, wobei die Gebärmutterhöhlung und das Kindmodell in Form, Größe und Lage natürlichen Verhältnissen entsprechen. Erfindungsgemäß ist das Kindmodell mit einem motorischen Antrieb über eine Koppelvorrichtung mechanisch gekoppelt. Weiterhin ist eine programmierbare Ansteuervorrichtung zum An- steuern des mechanischen Antriebs vorgesehen, so daß das Kindmodell nach einem frei programmierbaren Bewegungsablauf in der Gebärmutterhöhlung bewegbar oder durch den Geburtskanal aus dem Mutterleibstorso ausbringbar ist.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Möglichkeit geschaffen wurde, unter- schiedliche medizinische Situationen, d. h. zeitlich ablaufende Vorgänge vor und während der Geburt an einem anfaßbaren und sich bewegenden körperlichen Modell zu simulieren. Das Modell kann mit den Händen angefaßt werden, um z. B. zu empfinden, wie das Kind aus dem Geburtskanal gedrängt wird. Es ist ebenfalls möglich, den richtigen Einsatz von Instrumenten zu üben, wie z. B. die Verwendung einer Zange oder einer Saugglocke. Von besonderer Bedeutung ist die Möglichkeit, durch eine Programmänderung, d. h. „per Knopfdruck" eine andere medizinische Situation einstellen zu können.
Nach Anspruch 2 ist das Kindmodell mit mehreren ansteuerbaren mechanischen Antrieben gekoppelt, so daß auch kompliziertere Kindsbewegungen simulierbar sind, die den natürli- chen Kindsbewegungen weitgehend entsprechen. Die verschiedenen Antriebe können auch vorzugsweise in einem Mehrgelenk-Roboter zusammengefaßt sein.
Nach Anspruch 3 sind zusätzlich eine Sensoranordnung zum Detektieren von Kräften und Bewegungen und ein Simulationsprogramm zur Simulation von Kraft- und Bewegungsfeedback vorgesehen. Wenn z. B. eine untersuchende Person mit den Händen auf den Mutterleibstorso drückt oder das Kindmodell direkt mit den Händen anfaßt oder mit einem medizinischen Instrument greift, werden die dabei eingeleiteten Kräfte von den Sensoren der Sensoranordnung gemessen. Dem Fachmann ist klar, daß gleichzeitig auch die Rich- tungen dieser Kräfte direkt oder indirekt bestimmbar sind. Die Sensoren sind an der Koppelvorrichtung und/oder an den Antriebselementen angeordnet. Auf dem Rechner der Steuervorrichtung ist das Simulationsprogramm implementiert, welches veranlaßt, daß die von der Sensoranordnung bereitgestellten Meßsignale in Kraft- und Bewegungsfeedback- Signale umrechnet werden. Diese Kraft- und Bewegungsfeedback-Signale werden der Steuervorrichtung zugeführt, die die Antriebselemente so regelt, daß das Kindmodell bei einer charakteristischen Krafteinwirkung durch eine Person mittels der Antriebselemente so bewegt wird, daß von dem Kindmodell eine adäquate Reaktionsbewegungen ausgeführt wird, die dem natürlichen Bewegungsverhalten des Kindes in der betreffenden medizinischen Situation entspricht. Der Hebamme oder der auszubildenden Person wird somit das Gefühl eines „lebendigen" Kindes vermittelt. Damit werden erstmals völlig neuartige Ausbildungsmethoden im Bereich der Schwangerenbetreuung und der Geburtshilfe ermöglicht. Lediglich durch eine Programmänderung, d. h. per Knopfdruck, können unterschiedlichste klinische Situationen und Bewegungs-Reaktionsmuster des natürlichen Kindes simuliert werden.
Nach Anspruch 4 ist zusätzlich eine optische Displayvorrichtung vorgesehen, die mit dem Rechner der Steuervorrichtung signaltechnisch verbundene ist. Diese Displayvorrichtung kann ein Monitor oder eine Datenbrille sein. Während einer Simulation können unterschiedliche visuelle Informationen eingespielt werden. Wenn z. B. eine spezielle Situation einer Geburt simuliert wird, läuft synchron ein Film ab, der z. B. die gleiche Situation bei einer natürlichen Geburt zeigt. Es können aber auch andere Darstellungsarten gewählt werden, wie z. B. eine Röngenfilmdarstellung. Nach Anspruch 5 zeigt die optische Displayvorrichtung auch Hinweise und Zusatzinformationen an. Es ist für die Ausbildung besonders hilfreich, wenn z. B. zusätzliche Hinweise über gefährliche Situationen eingeblendet werden.
Nach Anspruch 6 ist zusätzlich ein Schallerzeuger zur Erzeugung von typischen Geräuschen vorgesehen. Es können sowohl Kindsgeräusche als auch Laute der Mutter eingespielt werden. Die Geräusche können synthetisch erzeugt werden oder auch natürlichen Ursprungs sein, d. h. es handelt sich um Tonbandaufnahmen, die während einer adäquaten natürlichen Situation aufgenommen wurden. Durch diese Maßnahme wird für die auszu- bildende Person ein sehr wirklichkeitsnaher Eindruck erzeugt, wenn z. B. bei einer heftigen Wehentätigkeit zeitgleich ein Stöhnen der Gebärenden eingespielt wird.
Nach Anspruch 7 sind die Schallerzeuger im Mutterleibstorso integriert. Damit können insbesondere die durch das Kind verursachten Geräusche sehr echt simuliert werden.
Nach Anspruch 8 wird ein Kindmodell bereitgestellt, das vorzugsweise zur Verwendung in einem Geburtensimulator nach den Ansprüche 1 bis 7 bestimmt ist. Das Kindmodell weist im Halsbereich und/oder im Bereich des Schädeldaches, das aus verformbaren Segmenten besteht, Weg- und/oder Kraft- und/oder Drucksensoren auf, die signaltechnisch mit dem Rechner der Steuervorrichtung verbunden sind.
Dieses Kindmodell ermöglicht bei der Anwendung mit einem Geburtensimulator nach Anspruch 1 bis 7, daß zusätzliche Informationen gewonnen werden, die den Lerneffekt verbessern. So können z. B. die Krafteinleitungen am Kind aufgezeichnet werden, wäh- rend eine ausgebildete Person am Geburtensimulator eine Geburt simuliert. Ebenso wird bei einer auszubildenden Person verfahren. Anschließend können die beiden Kraftverläufe verglichen und bewertet werden.
Eine bevorzugte Stelle für die Applikation eines Kraft- und/oder Momentensensors ist der Hals des Kindmodells. Eine bevorzugte Stelle zur Applikation von Wegaufhehmern oder Drucksensoren ist der Schädelbereich des Kindmodells. Wenn Wegaufhehmern vorgesehen sind, ist der Schädel analog zu einem natürlichen Kindsschädel verformbar und weist verschiebbare Schädelsegmente auf, deren Verschiebungen durch die Wegaufnehmer gemessen werden. Bei einer Anwendung des Kindmodells mit einem Geburtensimulator nach Anspruch 3 werden die Sensorinformationen des Kindmodells dazu verwendet, mehr und genauere Kraft- und/oder Momenteninformationen zur Berechnung der Reaktionskräfte und der dazugehörigen Reaktionsbewegungen bereitzustellen. Es soll weiterhin erwähnt werden, daß der Fachmann bei Bedarf auch weitere Sensoren an geeigneten Stellen am Kind oder auch am Mutterleibstorso anordnen wird, wenn es zur Signalgewinnung bei der Umsetzung einer konkreten Bewegungssimulation erforderlich ist. So können z. B. auf dem Bauchbereich des Mutterleibstorsos Drucksensoren angeordnet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausfuhrungsbeispielen in Verbindung mit schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten aktive Ausführungsform der Erfindung. F Kigg.. 2 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten aktive Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten aktive Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten aktive Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften aktive Ausfuhrungsform der Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten aktive Ausführungsform der Erfindung. F Fiigg.. 7 7 zeigt eine schematische Darstellung einer erste Ausführungsform einer zweiten Erfindung.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer zweiten Erfindung.
Fig. 9 zeigt eine interaktive Ausfuhrungsform der Erfindung. F Fiigg.. 1 100 zeigt einen ersten Regelalgorithmus für eine interaktive
Ausführungsform der Erfindung. Fig. 11 zeigt einen zweiten Regelalgorit mus für eine interaktive
Ausfuhrungsform der Erfindung. Die Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Geburtensimulators in Form und Größe eines Mutterleibstorsos 1 einer Schwangeren mit einem Kindmodell 2. Der Mutterleibstorso 1 ist in einem Bereich 3 auf einer Unterlage, z. B. ein Tisch, fest angeordnet. Das Kindmodell 2 befindet sich in einer Höhlung 4, welche die Gebärmutter simuliert. Der Mutterleibstorso 1 und das Kindmodell 2 sind aus einem weichelastischen Kunststoff ausgebildet. An dem Kindmodell 2 ist ein Linearantrieb 5 über einen Kraftsensor 6 angekoppelt. Der Linearantrieb 5 hat eine interne Positionserkennungsvorrichtung in Form eines Längenmeßsystems und ermöglicht eine wechselseitige Bewegung in Pfeilrichtung 5a. Der Kraftsensor 6 ist über ein Kugelgelenk 7a mit dem Kindmodell 2 verbunden. Wenn der Linearantrieb 5 das Kindmodell 2 aus dem Geburtskanal drängt, muß eine auszubildende Person das Kindmodell 2 wie bei einer richtigen Geburt halten und führen. Die dabei wirkenden Kräfte werden von dem Kraftsensor 6 erfaßt und als Kraftmeßsignale von einer Auswerteelektronik verarbeitet und als Kraftmeßdaten in einer Speichervorrichtung gespeichert. Die bei einer simulierten Geburt verfolgbaren Kraft- und Bewegungsverläufe werden mit gespeicherten Norm-Kraft- und -Bewegungsverläufen verglichen. Aus den Abweichungen zwischen den verfolgten Kraft- und Bewegungsverläufen und den gespeicherten Norm-Kraft- und - Bewegungsverläufen können Rückschlüsse auf den Trainingserfolg der auszubildenden Person gezogen werden.
Die Fig. 2 zeigt eine prinzipiell gleiche Anordnung wie Fig. 1, wobei der Linearantrieb 5 neben der wechselseitigen Bewegung 5 a zusätzlich noch eine Drehbewegung 5b ermöglicht. Im Unterschied zu Fig. 1 ist die Koppelstelle zwischen dem Kindmodell 2 und dem Kraftsensor 6 als ein torsionssteifes, federelastisches Glied 7b ausgebildet.
Die Fig. 3 zeigt die prinzipiell gleiche Anordnung wie Fig. 2, wobei der Linearantrieb 5 neben den Bewegungen 5a und 5b noch eine zusätzliche Schwenkbewegung 5c ermöglicht. Im Unterschied zu Fig. 1 oder 2 ist die Koppelstelle zwischen dem Kindmodell 2 und dem Kraftsensor 6 starr ausgebildet.
Die Fig. 4 zeigt die prinzipiell gleiche Anordnung wie Fig. 3, wobei der Linearantrieb 5 neben den Bewegungen 5a, 5b und 5c noch eine zusätzliche Bewegung 5d ausführt, die rechtwinklig zur Richtung der Bewegung 5a ist. Die Koppelstelle zwischen dem Kindmodell 2 und dem Kraftsensor 6 ist ebenfalls starr ausgebildet. Die Fig. 5 zeigt einen Linearantrieb 5, der aus drei Einzelantrieben 5ι, 52 und 53 besteht, deren Endabschnitte schwenkbar an einem Widerlager 8 und an einer Platte 9 angelenkt sind. Die Platte 9 ist über den Kraftsensor 6 mit einer Zweipunkthalterung 10 starr verbunden. Die Zweipunkthalterung 10 fixiert das Kindmodell 2 an den Punkten 11 und 12.
Die Fig. 6 zeigt einen Linearantrieb 5, der, wie unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben, ebenfalls aus drei Einzelantrieben 5χ, 52 und 53 besteht, deren Endabschnitte an je einem Widerlager 8ι, 82 und 83 verschwenkbar angelenkt sind. Die sich in Richtung des Kindmodells 2 erstreckenden Endabschnitte sind an diesem an verschiedenen Punkten 2\, 22 und 23 verschwenkbar angelenkt.
Dem Fachmann ist an Hand der schematischen Zeichnungen und der vorstehenden Erläuterungen klar, wie mittels der verschiedenen Antriebe unterschiedlicher Freiheitsgrade realitätsnahe Bewegungen des Kindmodells bewirkt werden können.
Die Fig. 7 zeigt ein Kindmodell 2, dessen Kopf über einen Kraft- und Drehmomentensensor 13 mit dem Rumpf verbunden ist. Bei der Geburtensimulation ist es besonders wichtig, Handgriffe am Kopf des Kindmodells 2 zu üben. Dabei wird der Hals des Kindes besonders beansprucht. Es ist daher bei der Überwachung einer simulierten Geburt von beson- derer Bedeutung, die Kopfgriffe zu kontrollieren, was mit dieser Ausfuhrungsform eines Kindmodells möglich ist. Für die Übertragung der elektrischen Meßsignale stehen dem Fachmann drahtgebundene sowie drahtlose Übertragungsverfahren zur Verfügung.
Die Fig. 8 zeigt ein Kindmodell 2, an dessen Kopf gegenüber der Darstellung in Fig. 7 zusätzlich Weg- und Drucksensoren 14 im Bereich der Schädelknochen angeordnet sind. Weiterhin sind einzelne Abschnitte der Schädeldecke des Kindmodells 2 verschiebbar ausgebildet. Wird z. B. eine Geburt simuliert, verschieben sich die Abschnitte der Schädeldecke wie beim natürlichen Geburtsprozeß, wobei beim Training zu beachten ist, daß die Verschiebungen medizinisch vorgegebene Grenzen nicht überschreiten. Mittels der Weg- und Drucksensoren sind während einer simulierten Geburt die Verschiebungen und Drücke erfaßbar, und aus den gewonnenen Daten kann beurteilt werden, ob die auszubildende Person den Kopf des Kindmodells richtig hält und führt. Dem Fachmann ist es freigestellt, geeignete Weg- und Drucksensoren und die dafür geeignete Signalverarbeitungstechnik auszuwählen und einzusetzen. Die Fig. 9 zeigt schematisch den Quersclinitt eines Geburtensimulators in Form eines Bauchtorsos 1 einer Schwangeren mit einem Kindmodell 2. Der Bauchtorso 1 ist in einem Bereich 3 auf einer Unterlage, z. B. ein Tisch, fest angeordnet. Das Kindmodell 2 befindet sich in einer Höhlung 4, welche die Gebärmutter simuliert. Der Bauchtorso 1 und das Kindmodell 2 sind aus einem weichelastischen Kunststoff ausgebildet. An dem Kindmodell 2 ist ein sechsgelenkiger Roboter 5 mit serieller Kinematik über einen Sechskompo- nenten-Kraft-Momenten-Sensor 6 angekoppelt.
Wenn der Roboter 5 das Kindmodell 2 bei einer simulierten Geburt aus dem Geburtskanal drängt, muß eine auszubildende Person das Kindmodell 2 wie bei einer realen Geburt erfassen und führen. Die dabei eingeleiteten Kräfte und Momente werden von dem Sechs- komponenten-Kraft-Momenten-Sensor 6 erfaßt, in elektrische Signale umgewandelt und einer Steuer- und Regelvorrichtung zugeführt.
Der Roboter weist eine serielle Kinematik auf, d. h., mehrere Robotersegmente sind über aktiv angetriebene Drehachsen miteinander seriell verbunden. Die Richtungen der Drehachsen sind so gewählt, daß der Endeffektor des Roboters mit dem an den Sechskompo- nenten-Kraft-Momenten-Sensor 6 angekoppelten Kindmodell in sechs Freiheitsgraden (drei Positionen und drei Orientierungen) bewegt werden kann. Die Winkelstellungen des Roboters werden über interne Gelenkwinkelsensoren erfaßt und der Steuer- und Regelvorrichtung zugeführt. Aus den Gelenkwinkeldaten wird die Lage des Kindmodells 2 im Raum bestimmt.
Wenn eine Person das Kindmodell 2 mit den Händen indirekt über die elastische Baudek- ke 6 oder auch direkt berührt, wird von der Person durch die von Hand oder mittels eines medizinischen Instrumentes auf das Kindmodell 2 aufgebrachten Kräfte eine Bewegung induziert. Das Kindmodell 2 reagiert darauf nach einem Bewegungsmuster, welches einer realen Reaktionsbewegung eines natürlichen Kindes entspricht.
Die Bewegungsinduktion des Kindmodells kann prinzipiell nach zwei Methoden erfolgen:
Die erste Methode ist die in Fig. 10 dargestellte Admittanzregelung, nach der die bei Berührung des Kindmodells 2 eingeleiteten Kräfte durch den Sechskomponenten-Kraft- Momenten- Sensor 6 erfaßt und zu dem Rechner mit dem Simulationsprogramm übertra- gen werden. Dort wird die resultierende Bewegung des Kindmodells 2 berechnet und als Sollgröße an die Roboterregelung weitergegeben. Die Roboterregelung vergleicht die errechnete Sollbewegung mit der gemessenen Roboterbewegung und speist den Roboter mit Motorströmen so, daß der Fehler zwischen gemessener und errechneter Bewegung rnini- mal wird.
Die zweite Methode ist die in Fig. 11 dargestellte Impedanzregelung, nach der die durch die Wirkung von Kräften und Momenten erzwungenen Positions- und Orientierungsänderungen erfaßt und zu dem Rechner mit dem Simulationsprogramm übertragen werden. Daraufhin werden die korrespondierenden Kräfte und Momente berechnet und als Sollgrößen an die Roboterregelung weitergeleitet. Die Roboterregelung vergleicht die berechneten Sollkräfte und -momente mit den tatsächlich auftretenden Kräften und Momenten und bewegt den Roboter so, daß der auftretende Fehler minimal wird.
Das Simulationsprogramm für die Geburtssimulationsberechnung beinhaltet somit ein Computermodell, welches die biomechanischen Beziehungen zwischen Becken, Gebärmutter, Bändern, Sehnen, Haut und Muskulatur der Mutter und dem Körper des Kindmodells enthält. Es beschreibt die statischen und dynamischen Zusammenhänge zwischen den auftretenden Kräften und Momenten, die eine Person, wie z. B. die auszubildende Hebamme, auf das Kindmodell aufbringt, und die Lagen und Bewegungen des Kindes hinsichtlich den RaumpositionenAorientierungen und deren Ableitungen, d. h. Geschwindigkeiten und Beschleunigungen relativ zum Körper der Mutter. Dadurch können entweder aus den gemessenen Kräften und Momenten die resultierenden Bewegungen des Kindmodells 2 (Admittanzregelung) oder aus der gemessenen Kindsbewegung die dazu- gehörigen Kräfte und Momente (Impedanzregelung), die auf die agierende Person übertragen werden, berechnet werden.
Durch die Regelung der mechanischen Kraftaktorik 5 hat die agierende Person den hap- tisch subjektiven Eindruck einer realen Reaktion. Durch entsprechende Parameterwahl in der Geburtssimulationsberechnung lassen sich nicht nur normale Geburtsvorgänge oder Kindsbewegungen simulieren, sondern auch seltene Situationen und Problemfälle darstellen und anschaulich vermitteln. Bei der Ausfuhrungsform der Erfindung nach Fig. 9 werden weiterhin aus den in der Geburtensimulation aufbereiteten Bewegungsinformationen in einer Bewegungsanimations- rechnung die Bewegungen und Verformungen der anatomischen Komponenten, wie z. B. Becken, Gebärmutter, Bänder, Sehnen, Haut, Muskulatur der Mutter und des Kindes, er- mittelt und in Echtzeit auf einem Monitor 7 visualisiert. Es können unterschiedliche Darstellungsarten gewählt werden, wie z. B. die gezeigte röntgenbildähnliche Darstellung oder eine ultraschallbildartige Darstellung, wobei z. B. besonders gefährdete Abschnitte oder Verletzungen farbig hervorgehoben werden können. Gleichfalls ist es möglich, zwischen verschiedenen Darstellungsarten umzuschalten. Da die visuellen Informationen zeitgleich mit den haptischen Informationen der agierenden Person übermittelt werden, entsteht für diese ein sehr realistischer Gesamteindruck.
Bei der Ausfuhrungsform der Erfindung nach Fig. 9 werden zusätzlich aus den biomechanischen Berechnungen auch noch Schmerzgrenzwerte ermittelt, die bei Überschreitung einen Befehl zum Abspielen eines Soundsamples auslösen. Diese Soundsamples sind in einem Speicher abgelegt und werden nach Anforderung aufgerufen und über ein Stereolautsprechersystem 8 wiedergegeben. Es ist für die agierende Person von nachhaltiger lernpsychologischer Wirkung, wenn z. B. bei einem falschen Handgriff ein Schmerzens- laut ertönt.
Nachfolgend werden weitergehende Hinweise zur Realisierung des Aktuators und dessen Steuerung gegeben.
Das Aktuator wurde mittels eines sechsachsigen Stäubli Industrieroboters RX90 verifi- ziert. Der originale Steuerrechner des Roboters benötigt verhältnismäßig lange Zykluszeiten von mehr als 16 ms. Für einen stabilen Betrieb des Geburtensimulators und eine störungsfreie und wirklichkeitsnahe Darstellung biomechanischer Eigenschaften sind u. U. höhere Abtastraten im kHz-Bereich unter Echtzeitbedingungen und eine hohe Rechenleistung zur Implementierung der modellbasierten Regelungsverfahren notwendig. Aus die- sem Grund wurde parallel eine PC basierte Ansteuerung aufgebaut. Über einen Umschalter können die Winkel-, Kraft- und Momentensensoren und die Analogsignale für die elektronischen Gelenkverstärker vom Stäubli-Rechner auf den PC umgeschaltet werden, wo eine Signalerfassung/-ausgabe durch entsprechende PCI-Karten erfolgt. Durch Konfiguration der elektronischen Gelenkverstärker auf eine Stromregelung kann so auf dem PC die vorstehend beschriebene, auf Gelenkmomentenschnittstellen beruhende Regelung implementiert werden. Aufgrund der wesentlich höheren Rechenleistung des PCs kann damit die Abtastzeit auf 250 μs verkürzt werden, was zu wesentlich besseren Ergebnissen als mit der Original-Architektur führt. Vorteilhaft bei diesem Vorgehen ist, daß alle anderen Ori- ginal-Komponenten wie die Gelenkverstärker, die Sicherheitselektronik für Bremsen und den Nothaltkreis sowie die Stromversorgung erhalten bleiben und weiterhin verwendet werden können.
Nachfolgend werden weitergehende Hinweise zur Realisierung des biomechanische Mo- dells gegeben.
Zur Umsetzung der Erfindung muß das zu Grunde liegende biomechanische Modell entwickelt werden. Im biomechanischen Modell wird der Zusammenhang zwischen den von außen (Bediener) auf das Kind eingeprägten Lasten, d.h. Kräfte und Momente (Ursache) und der zugrundeliegenden Bewegung oder Position (Wirkung) dargestellt. Ob nun bei der mathematischen Darstellung das Ursache- Wirkungs- oder Wirkungs-Ursache-Prinzip beschrieben wird, hängt dabei von der Art der Regelung ab. Bei der Admittanzregelung wird ein inverses Modell benötigt, d.h. es werden die Ursachen (Kräfte, Momente) als Funktion der Wirkungen (Positionen, Geschwindigkeiten) berechnet. Umgekehrt werden bei der Impedanzregelung in einem direkten dynamischen Modell (auch Vorwärtsmodell genannt) Wirkungen aus den Ursachen berechnet. Die Berechnungsweise, d.h. ob invers oder direkt, ist für die Modellierungsweise nur von untergeordneter Bedeutung. Im folgenden wird ein Modellierungsbeispiel in direkter Richtung skizziert:
Das Kind besitzt eine bestimmte anatomisch bedingte Form/Geometrie, die im einfachsten Fall als starr und steif betrachtet werden kann. Sinnvoll ist aber die Annahme, daß sich die Form des Kindes bei Kräften, die vom Bediener oder durch den Kontakt mit Abschnitten des Mutterleibs auf das Kind ausgeübt werden, passiv viskoelastisch verformt. Ebenso besitzt der Mutterleib, bestehend aus Gebärmutter, Bauch, Geburtskanal, Becken usw. bestimmte geometrische und viskoelastische Eigenschaften.
Wird nun vom Bediener eine Kraft und/oder ein Moment auf das Kind ausgeübt, so übertragen sich diese Lasten über das Kind an die Kontaktstellen Kind-Mutter (z.B. in der Gebärmutter oder im Geburtskanal). An diesen Stellen kommt es zu verförmungs- und rei- bungsbedingten Relativbewegungen. Je nachdem wie nun die geometrischen und viskoe- lastischen Eigenschaften der entsprechenden (d.h. involvierten) kindlichen und mütterlichen Körperabschnitte gestaltet sind, kommt es zu mehr oder weniger deutlichen Bewegungen (deutlich heißt hier: schnell oder in merklichem Ausmaß). Die Position des Kindes kann also durch das Aufbringen von Lasten von außen (über Vagina oder Bauchdecke) beeinflußt werden. Dabei ist anzumerken, daß sich das Kind auch ohne Zutun von außen - allein durch die Kontraktion der Gebärmutter - aus dem Mutterleib bewegen kann, sofern keine größeren mechanischen oder muskulären Widerstände auftreten. Wenn jedoch eine Verengung des Geburtskanals vorliegt, oder der Schädel des Kindes durch eine ungünstige Schräglage im Geburtskanal „verkantet", so muß der Bediener die Kräfte und Momente so einleiten, daß er entweder die „austreibenden Kräfte" erhöht (z.B. durch Abwärtsdrücken auf der Bauchdecke der Mutter) oder die Verkantung durch Drehbewegungen des Kindskopfes (indem er von außen in den Geburtskanal greift) beseitigt.
Das biomechanische Modell muß nicht notwendigerweise alle anatomischen Komponenten und Formen explizit beinhalten. Es reicht eine gewisse „abstrahierte" Darstellung der mathematischen Zusammenhänge zwischen eingeprägten Kräften und resultierenden Bewegungen. D.h. eine mathematische Funktion beschreibt welche Position, Orientierung und Geschwindigkeit sich ergibt, wenn eine Kraft und ein Moment an einer bestimmten Stelle am Kind in eine bestimmte Richtung wirkt. Dabei ist die Multidimensionalität des Problems zu beachten. D.h. die eingeleiteten Kräfte und Momente wirken in 3D Richtungen und können an beliebiger Stelle der Oberfläche des Kindes angreifen. Die resultierenden Positionen, Orientierungen und Geschwindigkeiten sind ebenso in 3D anzugeben. Die Beziehung zwischen Kraft/Moment und Lage Bewegung hängt zudem noch von der mo- mentanen Position des Kindes in der Gebärmutter bzw. im Geburtskanal ab. Diese mathematischen Beziehungen können auf der Basis linearer oder nicht-linearer algebraischer Gleichungen leicht hingeschrieben werden. Schwierig ist jedoch die korrekte Parametrisie- rung. Die Wahl der Parameter bestimmt, wie realitätsnah der normale oder pathologische Geburtsvorgang simuliert werden kann. Die Parameter können auf der Basis theoretischer Überlegungen abgeschätzt oder experimentell/messtechnisch gewonnen werden.
Nachfolgend werden weitergehende Hinweise zur Realisierung des grafischen Displays gegeben. Mit einem Monitor werden interne anatomische Komponenten, wie Beckenknochen, Gebärmutter, Plazenta, Muttermund, Blutgefäße sowie das Kind visualisiert. Optio- nal kann der Monitor zusammen mit einer Schutterbrille auch im Stereomodus betrieben werden. Die Bewegungsanimation erfolgt synchron mit den Bewegungen des Geburtensimulators. Der Bediener hat dadurch die Möglichkeit, die körperinternen, anatomischen und biomechanischen Zusammenhänge auch während der Bewegung des Kindes zu stu- dieren. Die Visualisierung erfolgt auf der Basis segmentierter und 3D-rekonstruierter CT- und MRT-Aufnahmen. Die rekonstruierte anatomische Darstellung stellt eine Zusatzinformation dar, die bei der medizinischen Ausbildung einen hohen didaktisch Stellenwert besitzt, bei einer realen Geburt jedoch nicht ersichtlich gemacht werden kann. In der klinischen Routine werden in der Regel nur Ultraschalltechniken zur Beobachtung und Beur- teilung der Geburt verwendet. Solche Ultraschallaufnahmen können auf der Basis von zusammengesetzten Einzelbildern, die synchron mit der Geburt ablaufen, in der Bewegungsanimation simuliert werden.
In der grafischen Animation werden bewegungssynchrone Lageänderungen der Körper- segmente, Verlaufsänderungen von Blutgefäßen oder der Nabelschnur, sowie Verformungen von Muskeln, Gebärmutter, Plazenta usw. berücksichtigt. Eine Visualisierung solcher Bewegungsvorgänge ist durch so genannte „kinematische CT und MRT Aufnahmen" möglich. Hierbei handelt es sich aber nur um eine cinematografische Technik, die keine interaktive Bedienung in mehr als einem Freiheitsgrad zuläßt und daher für eine Anwen- düng im VR-Bereich nur begrenzt geeignet ist (Dupuy et al. 1997; Witonski und Goraj 1999). Eine Alternative stellt eine modellbasierte Animation dar. Darin werden alle Komponenten in ihren relevanten geometrischen und viskoelastischen Eigenschaften und ihrem mechanischen Zusammenspiel modelliert. Für eine realitätsnahe Simulation sind aber FE- Rechnungen und komplexe Mehrkörper-Kontaktmodelle notwendig, die den simulations- technischen Aufwand erheblich vergrößern und so die Echtzeitfähigkeit des Systems gefährden können.
Empfohlen wird daher ein kombiniertes Verfahren, bei dem Bilddaten ebenso wie anatomische Modellbetrachtungen zum Einsatz kommen. Der Ansatz besteht darin, Geometrie- daten, die aus zahlreichen diskreten Geburtsmomenten rekonstruiert werden, so zu inter- und extrapolieren, daß jede beliebige Kindsposition in jedem wichtigen Freiheitsgrad dargestellt werden kann. Die Inter- und Extrapolationen können dabei modellunterstützt erfolgen, indem beispielsweise die Volumenerhaltung oder Längenkonstanz bestimmter Körperabschnitte berücksichtigt wird. Da dies mit verhältnismäßig geringem Rechenauf- wand möglich ist, können echtzeitfähige und glatte Bewegungsabläufe in jeder beliebigen Richtung erzielt werden.
Nachfolgend werden weitergehende Hinweise zur Realisierung des akustischen Displays gegeben. Bei der Geburt treten eine Reihe verschiedener akustischer Signale auf, die von Lautsprechern erzeugt werden. Dazu zählen Schmerzschreie der Mutter, Geräusche beim Austritt des Kindes, akustische dargestellte Signale, wie z.B. Wehentätigkeit der Mutter und EKG des Kindes. Die Lautsprecher können in der Nähe der künstlichen Körperabschnitte platziert oder in die Körperabschnitte so eingebaut werden, daß sie von außen nicht sichtbar sind.
Die Geburtsgeräusche können an mehreren Probandinnen während der Geburt aufgenommen werden. Zur Darstellung der Geräusche müssen Modelle gefunden werden, die die Art des Geräusches mit der zugrundeliegenden Situation und der ausgeführten Bewe- gungsaktionen des Bedieners in Zusammenhang bringen. Auf der Basis der Erfahrung zahlreicher Gynäkologen können diese Zusammenhänge zunächst mit Hilfe von linguistischen Variablen qualitativ beschrieben werden. Mit der Methode der Fuzzy-Logik können dann aus den linguistischen Angaben quantitative Zusammenhänge hergeleitet werden.

Claims

Ansprüche
1. Geburtensimulator mit nachfolgenden Merkmalen:
- einem Mutterleibstorso (1) aus flexiblem Material,
- einem Kindmodell (2) aus flexiblem Material, das in dem Mutterleibstorso (1) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die natürlichen Form- und Größenverhältnisse und Haptik eingehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß - das Kindmodell (2) über eine Koppelvorrichtung (7) mit einem steuerbaren Antrieb (5) verbunden ist, um das Kindmodell (2) im Mutterleibstorso (1) zu bewegen oder durch den Geburtskanal aus dem Mutterleibstorso (1) zu drängen, und
- eine programmierbare Steuervorrichtung zum Steuern des Antriebs (5) vorgesehen ist, wobei die Steuerung so erfolgt, daß natürliche Bewegungen des Kindes im Mutterleib nachgebildet werden.
2. Geburtensimulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewegung des Kindmodells (2) mehrere Koppelvorrichtungen (7) und mehrere steuerbare Antriebe (5) vorgesehen sind.
3. Geburtensimulator nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensoranordnung zum Detektieren von Kräften und Bewegungen vorgesehen ist, die durch eine untersuchende Person mit den Händen oder mit medizinischen Instrumenten auf den Mutterleibstorso (1) oder auf das Kindmodell (2) aufgebracht werden, wobei die Sensoren der Sensoranordnung an der Koppelvorrichtung (7) und/oder an den Antriebselementen (5) angeordnet sind und
- eine programmierbare, einen Rechner aufweisende Steuervorrichtung zum Ansteuern der Antriebselemente (5) vorgesehen ist, wobei die Steuervorrichtung so ausgebildet ist, daß die von der Sensoranordnung bereitgestellten Meßsignale dem Rechner zugeführt werden, in welchem ein Simulationsprogramm abgelegt ist, welches im Zusammenwirken mit der Steuervorrichtung veranlaßt, daß das Kindmodell (2) bei äußerer Krafteinwirkung mittels der Antriebselemente (8) so bewegt wird, daß das Kindmodell (2) adäquate Reaktionsbewegungen ausgeführt, die dem natürlichen Bewegungsverhalten eines Kindes im Mutter- leib bei der betreffenden Untersuchung oder bei dem betreffenden Geburtsabschnitt entsprechen.
4. Geburtensimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Steuervorrichtung signaltechnisch verbundene optische Displayvor- richtung vorgesehen ist, die die Kindsbewegungen in Echtzeit zeigt.
5. Geburtensimulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Displayvorrichtung Hinweise und Zusatzinformationen anzeigt.
6. Geburtensimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Steuervorrichtung signaltechnisch verbundene Schallerzeuger zur Erzeugung von typischen Geräuschen und Lauten vorgesehen ist, die bei realen Untersuchungen oder bei der natürlichen Geburt auftreten können.
7. Geburtensimulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallerzeuger im Mutterleibstorso (1) integriert sind.
8. Kindmodell, vorzugsweise für einen Geburtensimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Kindmodell (2) im Halsbereich und/oder im Bereich des Schädeldaches, das aus verformbaren Segmenten besteht, Weg- und/oder Kraft- und/oder Drucksensoren (13, 14) angeordnet sind, die signaltechnisch mit der Steuervorrichtung verbunden sind.
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