WO2021160845A1 - Verfahren und anordnung zur simulation neurochirurgischer und orthopädischer wirbelsäulen- und zerebral-chirurgie - Google Patents

Verfahren und anordnung zur simulation neurochirurgischer und orthopädischer wirbelsäulen- und zerebral-chirurgie Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for simulating neurosurgical and orthopedic spinal and cerebral surgery in which model structures are provided which form anatomical structures, the organs or organ components to be surgically treated, optically, haptically and functionally by means of which surgical operations are carried out in a simulating manner.
  • the invention also relates to an arrangement for simulating neurosurgical and orthopedic spinal and cerebral surgery with model structures which form anatomical structures and which are optically, haptically and functionally reproduced organs or organ components to be treated surgically.
  • the invention thus relates to training and simulation environments in which surgeons can practice complex scenarios.
  • the long-term goal is to increase patient safety. It is the object of the invention to make surgery safer by further improving training.
  • the object is achieved by a method of the type mentioned at the outset, in which, according to the invention, a parameter of the operational simulation, such as pressure, accuracy, tension, position and / or force, is recorded by a sensor and assigned to the simulation event and stored, which is processed on request is issued.
  • a parameter of the operational simulation such as pressure, accuracy, tension, position and / or force
  • the basic idea of the invention is the integration of sensors in the modeled anatomical parts. Suitable measurement electronics and software are also used for this purpose.
  • the parameter is recorded by means of at least one of the model structures.
  • the parameter is stored together with a time indication of its occurrence. It is therefore possible at any time to assign the parameter to a point in time within the simulation. In particular with such a "time stamp" it is possible to save the parameter as a parameter sequence. Of course, other parameters of the same or different types can be saved in parallel as time-related individual values or also as parameter sequences Understand operation simulation times.
  • At least one of the parameters is recorded by means of optical recording.
  • optical recording it is possible to infer a parameter from a picture or video sequence alone. If, for example, a deformation of an anatomical structure is to be recorded visually when the instrument is placed on it, conclusions can be drawn about the applied compressive force from the optically visible size and type of deformation.
  • one of the sensors is provided in or connected to modeled neural structures.
  • one of the sensors is provided in or connected to muscular structures, ligaments and / or muscle fascia and that parameters are determined for measuring complications and bleeding, coagulation and hemostasis.
  • model structures consist of plastic composites and at the same time form the sensors. It is also possible that the model structures consist of intelligent materials and at the same time form the sensors.
  • sensors are being developed according to the invention for the first time, which can be seamlessly integrated into the model structures of the simulators and at the same time meet the highest haptic and optical requirements that are expected from surgical simulators. To date there are no such sensors on the market.
  • At least one of the sensors is arranged in modeled neural structures or to be connected to them.
  • At least one of the sensors is arranged in or connected to modeled muscular structures, ligaments and / or muscle fasciae is.
  • At least one of the sensors is designed to measure complications and / or bleeding, coagulation and / or hemostasis.
  • the solution according to the invention is illustrated below using an exemplary embodiment.
  • a trained surgeon (trainee) 1 operates on the RealSpine simulator 2. His surgical actions are measured in various parameters, such as pressure 3, accuracy 4, tension (Tension) 5, Position 6 and / or Kraft (Strength) 7 detected by the special sensors described above.
  • a direct acquisition, an optical recording (photograph record) 8 or a video recording (video recording) 9 can be used. All these results are then stored together in a processing unit 10 (results report) and can be processed and output. This is where the present technical invention ends.
  • the invention provides a certified evaluator 11 with a technical means with which this person can evaluate the simulated operation and finally create an assessment report 12 and, if necessary, create a certificate 13 on the surgeon's abilities (certificate) can.

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Abstract

Verfahren und Anordnung zur Simulation neurochirurgischer und orthopädischer Wirbelsäulen- und Zerebral-Chirurgie Der Erfindung, die ein Verfahren und eine Anordnung zur Simulation neurochirurgischer und orthopädischer Wirbelsäulen- und Zerebral-Chirurgiebetrifft, bei dem mit anatomische Strukturen bildende Modellstrukturen bereitgestellt werden, die chirurgisch zu behandelnden Organen oder Organbestandteilen optisch und haptisch und funktional nachgestaltet sind, mittels derer chirurgische Operationen simulierend durchgeführt werden, liegt die Aufgabe zugrunde, die Chirurgie durch eine weitere Verbesserung des Trainings sicherer zu gestalten und damit die Patientensicherheit zu erhöhen. Dies wird dadurch gelöst, dass ein Parameter der Operationssimulation, wie Druck, Genauigkeit, Spannung, Position und/oder Kraft durch einen Sensor erfasst und dem Simulationsergeignis zugeordnet gespeichert wird, der auf Anforderung in aufbereiteter Form ausgegeben wird.

Description

Verfahren und Anordnung zur Simulation neurochirurgischer und orthopädischer Wirbelsäulen- und Zerebral-Chirurgie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation neurochirurgischer und orthopädischer Wirbelsäulen- und Zerebral-Chirurgie bei dem mit anatomische Strukturen bildende Modellstrukturen bereitgestellt werden, die chirurgisch zu behandelnden Organen oder Organbestandteilen optisch und haptisch und funktional nachgestaltet sind, mittels derer chirurgische Operationen simulierend durchgeführt werden. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Simulation neurochirurgischer und orthopädischer Wirbelsäulen- und Zerebral-Chirurgie mit anatomische Strukturen bildenden Modellstrukturen, die chirurgisch zu behandelnden Organen oder Organbestandteilen optisch und haptisch und funktional nachgestaltet sind.
Die Erfindung bezieht sich damit auf Trainings- und Simulationsumgebungen, in denen Chirurgen komplexe Szenarien üben können.
International wird bisher chirurgische Simulation und Training meist mit simplen Kunststoffmodellen oder virtueller Simulation (alternativ mit Humanpräparaten) betrieben .
Von all diesen Technologien hebt sich die der Erfindung zugrundeliegende Technologie der Anmelderin, bekannt als RealSpine-Trainingsplatt form, seit vielen Jahren ab. Es konnte damit bereits gezeigt werden, dass mittels 3D-Druck, Modellierung und Kunstblut die Simulation und das Training in der Chirurgie verbessert werden kann. Bisher ist es jedoch nicht möglich, systematisch in allen beliebigen Szenarien durch Sensoren die Trainingsleistung der Teilnehmer zu messen.
Ziel ist langfristig die Erhöhung der Patientensicherheit. Dabei ist es Aufgabe der Erfindung, die Chirurgie durch eine weitere Verbesserung des Trainings sicherer zu gestalten.
Verfahrensseitig wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß ein Parameter der Operationssimulation, wie Druck, Genauigkeit, Spannung, Position und/oder Kraft durch einen Sensor erfasst und dem Simulationsergeignis zugeordnet gespeichert wird, der auf Anforderung in aufbereiteter Form ausgegeben wird.
Grundidee der Erfindung ist die Integration von Sensoren in den modellierten Anatomieteilen. Dazu wird außerdem eine geeignete Messelektronik und Software eingesetzt.
Hierzu ist in bevorzugter Weise vorgesehen, dass der Parameter mittels zumindest einer der Modellstrukturen erfasst wird.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Parameter zusammen mit einer Zeitangabe seines Auftretens gespeichert wird. Somit ist es jederzeit möglich, den Parameter einem Zeitpunkt innerhalb der Simulation zuzuordnen . Insbesondere mit einem solchen „Zeitstempel" ist möglich, den Parameter als Parameterfolge zu speichern. Es können selbstvertändlich andere Parameter derselben oder anderen Art parallel als zeitbezogene Einzelwerte oder ebenfalls als Parameterfolgen gespeichert werden. Somit lässt sich nach einer Aufbereitung der Werte jederzeit die Paramtersituation zu bestimmten Operations-Simulationszeitpunkten nachvollziehen .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest einer der Parameter mittels optischer Aufzeichnung erfasst wird. In einigen Situationen ist es möglich, allein durch ein Bild oder eine Videosequenz auf einen Parameter zu schließen. Ist beispielsweise eine Verformung einer anatomischen Struktur bei einem aufgesetzten Instrument bildlich zu erfassen, so kann durch die optisch sichtbare Größe und Art der Verformung auf die augebrachte Druckkraft geschlossen werden.
In einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass einer der Sensoren in oder verbunden mit modellierten neuronale Strukturen bereitgestellt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass einer der Sensoren in oder verbunden mit muskulären Strukturen, Bändern und/oder Muskelfaszien bereitgestellt wird und eine Parameterermittlung zur Messung von Komplikationen und Blutungen, Koagulation und Blutungsstillung erfolgt.
Die anordnungsseitige Lösung der Aufgabenstellung besteht darin dass bei einer Anordnung der eingangs genannten Art mit den Modellstrukturen zumindest mittelbar Parameter der Operationssimulation erfassende Sensoren verbunden sind, die ihrerseits mit einer die Parameter erfassenden, speichernden und auswertenden Verarbeitungseinheit verbunden sind.
In einer Ausgestaltung hierzu ist vorgesehen, dass die Modellstrukturen aus Kunststoffkompositen bestehen, und gleichzeitig die Sensoren bilden. Es ist auch möglich, dass die Modellstrukturen aus intelligenten Materialien bestehen, und gleichzeitig die Sensoren bilden.
Dies wird durch integrierte Spezial-Sensoren erreicht, die die Anatomie, Haptik und Optik des Eingriffs nicht verändern. Durch die nahtlos integrierte Sensorik können die Trainings erstmals überhaupt evaluiert werden und dabei in Haptik und Optik dennoch hochrealistisch bleiben.
Die Modellierung und die wissenschaftliche Validierung sind eng verzahnt und finden in enger Abstimmung mit klinischen Partnern statt (= klinische Validierung.
Hierzu werden erfindungsgemäß erstmals Sensoren entwickelt, welche sich nahtlos in die Modellstrukturen der Simulatoren integrieren und gleichzeitig die höchsten haptischen und optischen Anforderungen erfüllen, die von chirurgischen Simulatoren erwartet werden. Bis dato gibt es keine solche Sensoren am Markt.
Hierzu ist es erfindungsgemäß möglich, dass zumindest einer der Sensoren in modellierten neuronalen Strukturen angeordnet oder mit diesen verbunden ist.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass zumindest einer der Sensoren in modellierten muskuläre Strukturen, Bänder und/oder Muskelfaszien angeordnet oder mit diesen verbunden ist.
Es ist auch möglich, dass zumindest einer der Sensoren zur Messung von Komplikationen und/oder Blutungen, Koagulation und/oder Blutungsstillung ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles dargestellt.
Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Übersicht über die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit einer weiteren nichttechnischen Auswertung
Chirurgen möchten in immer komplexeren und immer realistischeren (in bisher nicht denkbaren Simulationsumgebungen) trainieren und dabei ihre eigene Leistung mit anderen Chirurgen (vor allem den Experten) vergleichen. Dazu sind die erfindungsgemäßen integrierten Messsysteme nötig.
Die hohe Komplexität in der Sensorik und Instrumenten- Gewebe-Interaktion, konnte bis dato von keiner Gruppe weltweit erreicht werden. Durch die Erfahrung der Erfinder mit den Materialien und Materialeigenschaften in der
Chirurgie-Simulation sowie den benötigten Technologien, wie Beschichtung, generative Verfahren, Verarbeitung von Additiven und technischen Textilien etc., wird diese Innovation möglich. Wie in der Zeichnung dargestellt, operiert ein trainierender Chirurg (Trainee) 1 am RealSpine-Simulator 2. Dabei werden seine chirurgischen Handlungen in verschiedenen Parametern, wie Druck (Pressure) 3, Genauigkeit (Accuracy) 4, Spannung (Tension) 5, Positon 6 und/oder Kraft (Strength) 7 durch die vorstehend beschriebenen Spezial-Sensoren erfasst. Hierbei kann eine direkte Erfassung, ein optische Aufzeichnung (Photograph Record) 8 oder eine Videoaufzeichnung (Video Recording) 9 zum Einsatz kommen. All diese Ergebnisse werden dann in einer Verarbeitungseinheit 10 zusammengefasst gespeichert (Results Report) und können aufbereitet und ausgeben werden. Hier endet die vorliegende technische Erfindung.
Durch die Erfindung wird einem Bewerter (Certified Evaluator) 11 ein technisches Mittel zur Verfügung gestellt, mit dem diese Person die simulierte Operationshandlung bewerten und schlussendlich einen Bewertungsbericht (Assessment Report) 12 erstellen und gegebenenfalls ein Zertifikat 13 über die Fähigkeiten des Chirurgen (Certificate) erstellen kann.
Bezugszeichenliste
1 Chirurg (Trainee)
2 RealSpine-Simulator
3 Drucksensor
4 Genauigkeitssensor
5 Spannungssensor
6 Positionssensor
7 Kraftsensor
8 Bildaufnahme
9 Videoaufnahme
10Verarbeitungseinheit
11 Bewerter
12 Bewertungsbericht
13 Zertifikat

Claims

Patentansprüche
1.Verfahren zur Simulation neurochirurgischer und orthopädischer Wirbelsäulen- und Zerebral-Chirurgie bei dem mit anatomische Strukturen bildende
Modellstrukturen bereitgestellt werden, die chirurgisch zu behandelnden Organen oder Organbestandteilen optisch und haptisch und funktional nachgestaltet sind, mittels derer chirurgische Operationen simulierend durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Parameter der Operationssimulation, wie Druck, Genauigkeit, Spannung, Position und/oder Kraft durch einen Sensor erfasst und dem Simulationsergeignis zugeordnet gespeichert wird, der auf Anforderung in aufbereiteter Form ausgegeben wird.
2.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Parameter mittels zumindest einer der Modellstrukturen erfasst wird.
3.Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Parameter zusammen mit einer Zeitangabe seines Auftretens gespeichert wird.
4.Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass der Parameter als Parameterfolge gespeichert wird.
5.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest einer der Parameter mittels optischer Aufzeichnung erfasst wird.
6.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass einer der Sensoren in oder verbunden mit modellierten neuronale Strukturen bereitgestellt wird.
7.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass einer der Sensoren in oder verbunden mit muskulären Strukturen, Bändern und/oder Muskelfaszien bereitgestellt wird und eine Parameterermittlung zur Messung von Komplikationen und Blutungen, Koagulation und Blutungsstillung erfolgt.
8.Anordnung zur Simulation neurochirurgischer und orthopädischer Wirbelsäulen- und Zerebral-Chirurgie mit anatomische Strukturen bildenden Modellstrukturen, die chirurgisch zu behandelnden Organen oder Organbestandteilen optisch und haptisch und funktional nachgestaltet sind, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass mit den Modellstrukturen zumindest mittelbar Parameter der Operationssimulation erfassende Sensoren verbunden sind, die ihrerseits mit einer die Parameter erfassenden, speichernden und auswertenden Verarbeitungseinheit verbunden sind.
9.Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass die Modellstrukturen aus Kunststof fkompositen bestehen, und gleichzeitig die Sensoren bilden.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , dass die Modellstrukturen aus intelligenten Materialien bestehen, und gleichzeitig die Sensoren bilden.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Sensoren in modellierten neuronalen Strukturen angeordnet oder mit diesen verbunden ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Sensoren in modellierten muskuläre Strukturen, Bänder und/oder Muskelfaszien angeordnet oder mit diesen verbunden ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Sensoren zur Messung von Komplikationen und/oder Blutungen, Koagulation und/oder Blutungsstillung ausgebildet ist.
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