WO2007062619A1 - Simulationssystem für chirurgische eingriffe in der human- und veterinärmedizin - Google Patents

Simulationssystem für chirurgische eingriffe in der human- und veterinärmedizin Download PDF

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WO2007062619A1
WO2007062619A1 PCT/DE2006/001966 DE2006001966W WO2007062619A1 WO 2007062619 A1 WO2007062619 A1 WO 2007062619A1 DE 2006001966 W DE2006001966 W DE 2006001966W WO 2007062619 A1 WO2007062619 A1 WO 2007062619A1
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WO
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surgical
phantom
simulation system
structures
risk
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PCT/DE2006/001966
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French (fr)
Inventor
Ronny Grunert
Mario Thalheim
Werner Korb
Original Assignee
Universität Leipzig
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G09B23/285—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine for injections, endoscopy, bronchoscopy, sigmoidscopy, insertion of contraceptive devices or enemas

Definitions

  • the invention relates to a simulation system with an anatomically simulated real training and test phantom for human and veterinary medicine for use in the training of surgeons and for the testing of complicated surgical procedures before the actual surgery to increase the chances of success of surgical intervention in various surgical disciplines.
  • phantoms are distinguished by their structure into systems with a mainly purely technical and preferably anatomical character.
  • the registration accuracy To evaluate the registration accuracy, three markers are used, which are close to each other and three more markers whose distance is greater.
  • the maximum deviations of the crosshairs from the cylinder tips are measured in three levels and displayed on a monitor.
  • WO 88/06329 discloses an eye phantom for the training of surgical techniques for removing the eye lens and introducing an artificial lens.
  • the modular components of this ophthalmic system were fabricated from fabric-equivalent plastics.
  • US Pat. No. 6,780,016 B1 discloses an operation trainer which simulates individual tissue layers and organs. It consists of 3 areas for performing certain surgical tasks. These include the abdominal area, the thorax and the neck. Organs can be filled with fluid to simulate real conditions.
  • the THR phantom has a modular structure for the realistic representation of the surgical area. It was designed with AutoCad and implemented exactly with CAM machines. Specialized plastics with tissue-equivalent Hounsfield units were used for the phantom (e.g., 800 HU Corticalis, 150 HU Spongiosa). Each individual component was milled with a CNC machine. The milling volume was planned by the surgeon. The intraoperative milling process is performed by the robot. After the milling process, the actual position of the cavity is determined with a coordinate measuring machine. The target position is derived from a prosthesis from Howmedic (model: Osteolock, size 3, sleeve 14). Subsequently, the deviation from the actual and desired position is analyzed.
  • Howmedic model: Osteolock, size 3, sleeve 14
  • an anatomical teaching and training model is known in which catheter operations in the human vascular system can be learned and demonstrated under realistic conditions.
  • the model vessel system is made of a transparent and flexible plastic material.
  • the size and shape of the model are modeled on the human anatomy. It can also be modeled pathological vascular changes.
  • the surgeon's or the model's surgical intervention can be tracked and monitored on an X-ray monitor.
  • the recognition of a possible unintentional injury to organs, the vascular system or risk structures is objectively not given. The viewer must be able to recognize possible errors subjectively and evaluate them professionally. This requires a high level of technical knowledge and practical experience.
  • a special feature is intended to use for nerve cords electrically conductive material that is integrated in a circuit and at the interruption of the circuit, which is equal to a severing (yes / no) a risk structure, an optical and / or audible warning is triggered.
  • the invention has for its object to develop a simulation system with an anatomically modeled real training and test phantom for human and veterinary medicine.
  • the simulation system will be suitable for the evaluation of newly developed surgical systems and instruments, for the training of surgeons and for the testing of complicated surgical procedures prior to the actual surgery to increase the chances of successful surgical intervention in various surgical disciplines.
  • Risk structures such as nerve cords, blood vessels, tendons and others should be considered.
  • the course and the result of the surgical procedure should be objectively recorded and presented.
  • a standardized comparison of individual results in the form of learning curves of a test person and learning curves of different test persons should be presented.
  • the Phantom serves both the simulation (training) and the test (evaluation) of surgical procedures and its surgical equipment, which simulates the real anatomical and functional conditions on the patient during a surgical procedure.
  • a phantom represents the human or animal body anatomically precise, and it can occupy different areas with different functions. In particular, "allowed" areas and “forbidden” zones (risk areas) can be defined within the phantom, which may be touched or penetrated by the instruments in different restrictive gradations and which not.
  • Associated with each phantom are one or more protocols that map the specific surgical procedure in the surgeon's (workflow) steps. Each protocol additionally includes the parameters to be measured during an intervention on a particular phantom.
  • the phantom is generated from medical imaging materials in the computer as a model and post-processed. Subsequently, the model is generated by means of a rapid prototyping method.
  • the invention relates to designing the different organs with different materials, so that touches or damage to certain structures can be detected. This can be achieved in particular by the embodiment by means of electrically conductive (metals, electrolytic liquids, etc.) or light-conducting materials.
  • the surgical scenarios to be learned can be trained in accordance with the sequence protocols on the phantoms.
  • parameters duration of exercise, economy of hand-movement, violation of functionally important anatomical areas, the so-called "forbidden zones", etc.
  • parameters are defined, which determine the quality of the procedure performed and thus several tests
  • such phantoms can be used to analyze, test, and evaluate surgical instruments or surgical procedures with surgical equipment, particularly for styling and prototyping of medical importance, where parameters can be measured which then provide information about the qualities of the instruments or surgical systems and intervention techniques.
  • handling, ergonomics, serviceability, reliability, safety can be evaluated for computer assisted surgical assistance systems.
  • the principle of the invention is that during the simulation of a surgical procedure on the real phantom model, which allows a realistic simulation of surgical scenarios for the trainee, trainee or the system tester, risk structures can be detected upon contact or injury.
  • the second claim an anatomically correct model (phantom) is generated with real tissue properties.
  • This phantom is designed as required for the simulation of the particular surgical procedure. It consists essentially of replicas of the relevant body structures and is designed for the training and training of surgeons as a standard phantom. This includes not only the relevant bone areas, but also the risk structures there such as nerve cords, tendons, arteries, internal organs and others.
  • the detectable risk structures may alternatively be electrically and / or photoconductive structures. They are produced by casting, spraying, manually introducing structures or other methods. The collected data is displayed on a computer screen. In this case, a precise orientation of the surgical instrument in use in the Phantom by location detection and penetration depth determination into the risk structure due to deep detection.
  • the principle of the electroconductive risk structures of the phantom is that to represent the risk structures, electrically conductive materials such as e.g. Metals, (such as) low melting alloys (Wood's metal), sheet, foil, wires, or plastic composites or plastic hoses filled with electrically conductive liquids.
  • electrically conductive materials such as e.g. Metals, (such as) low melting alloys (Wood's metal), sheet, foil, wires, or plastic composites or plastic hoses filled with electrically conductive liquids.
  • the electrically conductive risk structures are connected to a circuit.
  • the surgical instrument acts as a switch in this circuit.
  • the electrical circuit is closed.
  • the event of the switch closure is e.g. by means of a PC, in which a data acquisition card (DAQ) is registered with an evaluation software and further processed.
  • DAQ data acquisition card
  • photoconductive materials such as e.g. Optical fiber cable made of PMMA or fiber optic cable used.
  • a nerve can be represented by a fiber optic cable.
  • the source for coupling the light into the lightguide cables may be e.g. Diodes or bulbs that are connected to the fiber optic cables. If a risk structure is violated in the simulation of the surgical procedure, i. If a light guide cable is damaged, the illuminance at the end of the light guide cable changes. Illuminance is controlled by a sensor, e.g. a photodiode, solar cell, a phototransistor, an integrated photosensor or a photoresistor detected. The illuminance depends on the depth of penetration of the surgical instrument and thus allows a statement about the violation of the risk structure.
  • a sensor e.g. a photodiode, solar cell, a phototransistor, an integrated photosensor or a photoresistor detected. The illuminance depends on the depth of penetration of the surgical instrument and thus allows
  • the electrical and light-conducting detection principles can be used in combination for the realistic design of a model. Larger channels and areal areas can be better implemented with electrically conductive structures, but for narrow channels the light conduction is better. By the Combined application, suitable detection is possible for any particular structure.
  • the electrical impulses as end information due to the touch or violation of the risk structures of both detection principles are registered via the input channels of the data acquisition card. Since each risk structure is connected to a separate input channel, it can be determined which risk structure was touched or violated. Furthermore, the degree of injury; i.e. the depth of the injury is detected and displayed.
  • Phantoms are created that are realistic with their risk structures.
  • the test results and test series of trainee and postgraduate surgeons on the equally designed simulation systems can also be compared and evaluated by different clinical facilities.
  • Surgical procedures can be performed under real-world conditions such as the position of the patient on the operating table, the manipulation of the instruments by the surgeon, and so on.
  • Already during the procedure potentially damaged risk structures can be displayed and displayed in their dimensions.
  • the phantom material has almost the mechanical properties of the tissue, cutting, drilling or milling processes correspond to the real conditions.
  • a further advantage of the invention is the good spatial orientation of the surgeon during his intervention through the true-to-scale anatomical representation. From the test subjects learning curves can be created on the basis of their performed surgical procedures, which document the progress process of their skills and show possible weaknesses.
  • Complicated surgeries may be rehearsed prior to actual patient intervention on a scaled-down phantom that is realistically modeled for risk structures and tissue characteristics.
  • the first embodiment relates to an anatomically correct system for the simulation and evaluation of surgical procedures and surgical equipment for teaching and training in human and veterinary medicine.
  • the accompanying drawings show Fig. 1 to the basic structure of the simulation system for surgical procedures
  • FIG. 2 shows a measuring circuit consisting of a data acquisition board (DAQ) and a circuit with integrated electrical and light-conducting risk structures
  • FIG. 3 shows a measurement setup for determining the calibration function for the DAQ
  • the simulation system according to FIG. 1 consists of the phantom 1, the surgical tool 2, the electrical circuit 3 and the electronic control, measuring and evaluation unit 4.
  • the phantom 1 in this application is a petrous bone preparation and for the training of ENT physicians intended. It consists of the mastoid 10, the pars tympanica 11, the internal carotid artery 12, and the facial nerve 13.
  • the last two replicated components of the internal carpal artery 12 and facial nerve 13 are among the risk structures that should not be damaged during the surgical procedure , They are during the simulation of the surgical procedure detectable.
  • the principle of detection is based on electrical conduction in the internal arteria carotid 12 and on light conduction in the facial nerve 13.
  • the arteria carotis interna 12 inside with an electrical conductor 18 and the facial nerve 13 is provided with a Lichteitclu 14.
  • Exercises with a surgical instrument 2 designed as a milling cutter are to be carried out on this phantom 1.
  • the areas are marked (segmented) with a special software, which are of interest.
  • the record is then sent to a 3D printer.
  • This printer it is possible to create anatomically correct 3D models based on gypsum or starch and to influence the material properties by infiltration with special resins in such a way that real tissue properties can be reproduced.
  • the arteria carotid interna 12 which was declared as the first risk structure, was designed as a channel so that the structure after the printing process can be filled with a low-melting alloy (wood metal) and thus is electrically conductive.
  • a light guide cable 14 was introduced.
  • the cutter used in this application as a surgical instrument 2 is connected to the ground of the DAQ card and acts as a switch in the electrical circuit. If the arteria carotis interna 12 is damaged, the current no longer flows via the analogue input but via the surgical instrument 2 to ground.
  • the facial nerve 13 the principle of light conduction is used to detect the damage.
  • a photodiode 17 At the other end of the optical cable 14 is a photodiode 17, which detects the light and converts it into electricity. The resulting input voltage Ue 1 is measured at the analog input. If the risk structure nervus facialis 13 is damaged during surgery, the incident on the photodiode 17 illuminance and thus the current generated by the photodiode 17 changes. This event is registered with the data acquisition card and further processed.
  • the illuminance is dependent on the penetration depth of the surgical instrument 2 in the light guide 14.
  • a calibration function is necessary, which is applied to the measured data.
  • the values for the calibration function are determined with a special test arrangement and execution.
  • the experimental arrangement 5 comprises an LED 50, a light-conducting cable 51 and a photodiode 52, which are integrated into a measuring circuit.
  • a data acquisition card Connected to the electrical circuit is a data acquisition card which, on the one hand, supplies the LED 50 with an alternating voltage and, on the other hand, determines the current generated by the light.
  • the calibration function which describes the dependence of the current to the penetration depth, is determined with the test setup of the experimental setup 5. During the experiment, the intensity of the LED 50 remains constant. With a cutting instrument 53, the directions of movement of which are indicated by a double arrow, a defined thickness of the material is removed from the light guide cable 51. The cutting instrument 53, which is attached to a holding device 54 is moved by a measuring spindle 55 with a defined feed through the light guide 51. The measurement of the electrical quantity takes place in every position. After the measured value recording, there is a function which describes the relationship between incident light on the photodiode 52 and the penetration depth. The measured values recorded are relative, so that the calibration function is independent of certain factors such as light intensity or length of optical cable.
  • a user profile is created by the software. Then the number and name of the risk structures are determined. If a risk structure is violated during the surgical simulation, this event is registered, visually and acoustically assigned to the corresponding risk structure and further processed by the software.
  • the duration of the simulation is saved. Based on the information on the number of errors (damage to the risk structure) and simulation time, learning curves are created. The created learning curves provide comparable information about successes in education.
  • the second embodiment relates to the manufacture of a standardized phantom 1 St for comparing various surgical devices, instruments 2 and surgical techniques.
  • the system described in the invention enables the production of identical anatomically correct reproducible models, which are connected to the measuring circuit of FIG. With the identical simulation systems, it is thus possible to perform the simulated surgical procedure under standardized conditions. Thus, one is able to evaluate different devices for the same surgical application. From this, it can be determined which instruments 2 are better suited for the specific application. This is inside The development phase of new medical devices or instruments 2 is of great importance, since intervention in the development process can take place in good time. In addition to the evaluation of medical devices and instruments 2, various surgical techniques for one and the same objective can be evaluated.
  • the third embodiment relates to the production of a special phantom 1 Sp for the individual surgical planning of a patient, with the difficult surgical procedures can be planned and trained (eg planning the ideal access to the target volume). With the resulting reduction in the risk of potential complications, the quality of treatment can be improved and the patient's lay time reduced.
  • the planning and model creation are based on the current computed tomography or magnetic resonance tomography images. To simulate the special surgical procedure, the model can be connected to the measuring circuit described in the first embodiment.
  • the model also serves as the basis for technical discussions and discussions between the physicians of adjacent surgical disciplines for improved surgical planning.
  • the three-dimensional model image is suitable for the day-to-day planning of complex interventions, as they occur especially in nerves and vessels near the skull base.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System für chirurgische Phantome (1) für den Einsatz in der Human- und Veterinärmedizin in unterschiedlichen chirurgischen Disziplinen und die Herstellung desselben. Das Phantom dient sowohl der Simulation (Training) als auch dem Test (die 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 (1) 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 (1) festgelegt werden, welche von den chirurgischen Instrumenten (2) in unterschiedlich restriktiven Abstufungen berührt bzw. durchdrungen werden dürfen oder eben nicht. Nach der Erfindung ist es vorgesehen, eine Verletzung der Risikobereiche wie beispielsweise der Nervenstränge oder Blutgefäße sofort zu erkennen und anzuzeigen. Dabei wird nicht nur ein vollständiges Durchtrennen dieser Risikobereiche, sondern bereits der tatsächliche Verletzungsgrad erkannt und angezeigt. Zu jedem Phantom (1) 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 1).

Description

Bezeichnung:
Simulationssystem für chirurgische Eingriffe in der Human- und Veterinärmedizin
Beschreibung
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 Evaluationsund 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 auch 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. : Navigationsund 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 Plazieren einer Hyperthermie-Nadel mit einem Manipulator am Kopf- Phantom, der aus Styropur 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, BaIe: 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, October 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 Engriffs 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.
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. 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 dem 2. Patentanspruch 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 können alternativ elektrisch- und/oder lichtleitende Strukturen sein. 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. 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 und weiterverarbeitet.
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.
Im Simulations-Phantom können zur wirklichkeitsnahen Gestaltung eines Modells die elektrisch- und lichtleitenden Detektionsprinzipien kombiniert angewandt werden. 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 Probanten 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 Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des Simulationssystem für chirurgische Eingriffe an
Hand eines anatomisch korrekten, an die Messschaltung angeschlossenen
Rapid-Prototyping-Modells (Felsenbein), Fig. 2 eine Messschaltung, bestehend aus einer Datenakquisitionskarte (DAQ) und einem Stromkreis mit integrierten elektrisch- und lichtleitenden Risikostrukturen und Fig. 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 Fig. 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 Lichteitkabel 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 Fig. 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 Fig. 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 1St 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 Fig. 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 1Sp 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 Computertomographieoder 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.

Claims

Patentansprüche
1. Simulationssystem für chirurgische Eingriffe in der Human- und Veterinärmedizin mit einem anatomisch nachgebildeten realen Trainings- und Testphantom (1) durch Erzeugung eines anatomischen Modells (Phantoms) (1) mit realen Gewebeeigenschaften, Einfügen von maßstabsgerecht ausgebildeten abgegrenzten Raumbereichen, insbesondere Risikostrukturen wie Kanäle (Nervenstränge, Sehnen, Muskeln, Arterien, innere Organe) in das Phantom (1), und Einteilen des Objekts in erlaubte und verbotene Zonen, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Risikostrukturen detektierbar sind und elektrisch- und / oder lichtleitende Strukturen sein können, diese Strukturen als Drähte oder Kabel einzeln oder in Bündeln verwendet oder in Größe und Form querschnittsidentisch als Pulver oder Schmelze eines Strom leitenden Materials durch Spritzverfahren, Schichtenauftragsverfahren, Gießverfahren oder weitere Herstellungsverfahren hergestellt oder eine Infiltrierung von Substanzen während des Druckprozesses der umhüllenden Struktur oder im Anschluss daran erfolgt, wobei die Form und Größe des dargestellten zu detektierenden Objektes der organischen Form des Patienten entspricht, die als bildgebende Daten (CT- bzw. MRT etc.) hinterlegt sind,
• eine elektronischen Steuer- Mess- und Auswerteeinheit (4) vorgesehen ist, bestehend aus einer Hardware und einer Software zur Darstellung, Protokollierung und Auswertung des tatsächlich vorgenommenen chirurgischen Eingriffs mit einer
• bildlichen Darstellung auf einem Computerbildschirm,
• genauen Lagebestimmung eines chirurgischen Instruments (2) im Phantom (1) durch Ortsdetektierung und Ermittlung des Verletzungsgrads und
• genauen Lagebestimmung des chirurgischen Instruments (2) zu den Risikostrukturen durch Ortsdetektierung und Ermittlung des Verletzungsgrads .
2. Simulationssystem für chirurgische Eingriffe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines anatomisch korrekten Modells (Phantoms) (1) mit realen Gewebeeigenschaften • als Grundwerkstoffe für den Druckprozess Gips oder Stärke verwendet wird und eine Veränderung der Materialeigenschaften durch die Infiltrierung von Additiven vorgesehen ist,
• eine weitere Beeinflussung der Materialeigenschaften wie die Veränderung des Elastizitätsmoduls durch die Zugabe spezieller Harze zum Gipsgrundstoff vorgesehen ist und
• durch die Zugabe spezieller Harze zum Stärke-Grundwerkstoff realistische Seher- Module für die reale Nachbildung von Geweben und Organen erzeugt werden können.
3. Simulationssystem für chirurgische Eingriffe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der der Simulierung einer Berührung eines elektrischen Leiters (18) ausgebildeten Kanals mittels eines chirurgischen Instruments (2) Kanal und Instrument (2) so an eine Stromquelle angeschlossen werden, dass beim Berühren beider Teile der Stromkreis geschlossen und so durch den sich aufbauendem elektrischen Widerstand und dessen Auswertung basierend auf einer Kalibrierdatei ein Signal gebildet wird und eine Reduzierung des Kanalquerschnitts durch ein Eindringen des chirurgische Instruments (2) in den elektrischen Leiter (18) vorgesehen ist und die Eindringtiefe durch die Anwendung eines Schichtaufbaus sich vom elektrischem Widerstand unterscheidenden Materialien und dessen Auswertung ermittelt wird.
4. Simulationssystem für chirurgische Eingriffe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der Simulierung des Eindringens eines chirurgischen Instruments (2) in einen als lichtleitende Struktur (14) ausgebildeten Kanals die Bestimmung des Verletzungsgrades oder Bestimmung des beschädigten Querschnitts bei Lichtleitung aufgrund der Auswertung der Beleuchtungsstärke, basierend auf einer Kalibrierdatei, vorgesehen ist.
5. Simulationssystem für chirurgische Eingriffe nach den Ansprüchen 1 , 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine kombinierte Anwendung der Detektierung elektrisch- und lichtleitender Strukturen vorgesehen ist.
6. Simulationssystem für chirurgische Eingriffe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Software den Simulationsprozess steuert, überwacht und evaluiert und zu jedem Phantom (1) ein oder mehrere Protokolle zugehörig sind, die den spezifischen chirurgischen Ablauf in den einzelnen Arbeitsschritten des Chirurgen (Workflow) abbilden und jedes Protokoll zusätzlich die zu messenden Parameter während eines Eingriffs an einem bestimmten Phantom (1) beinhaltet, wobei zu den Parametern u.a. die Operationszeit, der aktuelle Operationsschritt und auftretende Fehler gehören.
7. Simulationssystem für chirurgische Eingriffe nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus den ermittelten Parametern zur Dokumentation eine Lernkurve erststellt wird.
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