EP1966782A1 - Simulationsvorrichtung zum simulieren von eindringvorgängen - Google Patents

Simulationsvorrichtung zum simulieren von eindringvorgängen

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Publication number
EP1966782A1
EP1966782A1 EP06828734A EP06828734A EP1966782A1 EP 1966782 A1 EP1966782 A1 EP 1966782A1 EP 06828734 A EP06828734 A EP 06828734A EP 06828734 A EP06828734 A EP 06828734A EP 1966782 A1 EP1966782 A1 EP 1966782A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
instrument
handle
force
simulation device
simulation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06828734A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Burgkart
Robert Riener
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102005062611A external-priority patent/DE102005062611A1/de
Priority claimed from DE200510062610 external-priority patent/DE102005062610A1/de
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1966782A1 publication Critical patent/EP1966782A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 device for simulating penetrations, which are carried out by means of a needle or pen-like instrument or tool, wherein subsequently only the term instrument is used.
  • injection simulators which are designed for different practice cases, such. For example, from DE 44 14 832 a model for practicing the insertion in blood vessels or from GB 2 288 686 A or WO 03/054834 A1.
  • a particular limitation of the haptic simulators hitherto is the definition of a very narrow work area, where under work area z. B. the body surface of the patient is to understand on the practitioner first select the correct injection site and possibly even by touching with your fingers the injection site must determine very precisely. For training z. B. as a doctor such exercises are essential. In other words, the practitioner not only has to be able to properly guide the instrument after the puncture, but he must also learn to strike the right puncture site.
  • haptic injection simulators known from the prior art have two system-related disadvantages: a. The simulation of the living organism (human, animal) is not possible. b. The learning process of "searching and finding the right puncture site” is also not possible.
  • the problem of overcoming the defect a is achieved with a simulation device according to claim 1.
  • the problem of overcoming the deficiencies a and b is achieved with a simulation device according to claim 5.
  • the simulation device for simulating penetrations of an instrument into a body has a handle with which the simulation device is manually guided by the operator.
  • the instrument is coupled to the handle so that the instrument is slidable with respect to the handle in a predetermined displacement direction, d. H.
  • d. H a predetermined displacement direction
  • a position-determining device which determines the current position of the instrument relative to the handle and generates a current position signal. More specifically, information about the displacement of the instrument tip with respect to the handle must be provided.
  • a force-determining device which determines the current force with which the instrument is pressed by means of the handle against the body, wherein the force-determining device generates a current force signal. It is further provided a computer-controlled drive device which causes the instrument can be retracted only against a predetermined force in the handle. This drive device is signal-technically connected to the position-determining device, the force-determining device and the computer.
  • the drive device is controlled by evaluating the current force and position signal.
  • a computer program is used which simulates the material properties of the body in the form of control signals for the drive device. This relationship will be described in more detail below.
  • the drive device is either integrated in the handle, or connected from the outside via a coupling device with the handle.
  • a coupling device z. B. a hydraulic hose suitable.
  • control philosophy should be described qualitatively so far that a person skilled in control engineering can build the simulation device.
  • the aim is to simulate the penetration of a needle into a living part of a human or animal body. It should be simulated that the body portion is covered on its surface with a skin, then z. If, for example, an adipose tissue follows, then a connective tissue layer is to be pierced, followed by a thick muscle tissue and then a solid bone tissue. All of the aforementioned tissue sections of the body are fictitious, i. H. only represented as a software model in the calculator.
  • the simulation serves the purpose of practicing a penetration action with a hand-guided instrument in a real body, it is expedient and serves the learning success, if the exercise can be performed not only on a model body, but also on a living body. For completeness, therefore, it is mentioned that even if the body portion of a hard Plastic (eg an anatomical model), the haptic effect in the simulation is the same as in a living body part.
  • a hard Plastic eg an anatomical model
  • the needle tip must be such that it can not penetrate the simulation. This is achieved by greatly increasing the area of the needle tip. So it is z. B. possible to attach to the needle tip a small plastic disc.
  • this pressure is determined by the force determination device. If the surgeon presses harder, skin penetration is simulated by the drive device suddenly pushing the needle a little into the handle, d. H. it simulates the penetration of the skin and the underlying fatty tissue, so that then the needle is present at the simulated connective tissue.
  • the drive device allows further insertion of the needle into the handle only when the surgeon presses the needle with the penetration force required in reality against the relatively strong connective tissue. Then comes the muscle tissue, whose penetration is simulated again by a specific retraction of the needle. Now, the needle is on the bone tissue, which can not be penetrated, so that the surgeon feels a stronger resistance, which is achieved by blocking the drive device even with stronger pressures.
  • the drive device is arranged in or on the handle, in which case the part of the drive device is meant, which generates the driving force. It is possible in the handle z. Example, to provide a spindle-nut assembly, wherein the spindle is driven by an electric motor and the nut running on the spindle is firmly connected to the instrument.
  • the position detecting device is arranged in or on the handle. It is possible to arrange in the handle an angle sensor so that the rotational movement of the spindle is detected according to claim 2. From the current position of the angle sensor, the current Nadeiposition can be determined.
  • the force-determining device is arranged in or on the handle. It is possible to arrange in the handle a force sensor so that the force generated by the handle when pressing the instrument against the body is transmitted to the force sensor.
  • the force sensor is thus to be arranged in a spindle-nut arrangement between the instrument and the spindle nut.
  • a position determining device which determines the current spatial position of the instrument relative to the body and generates an electrical position signal, which is supplied to the arithmetic and control unit.
  • Such position determining devices are known in the art as navigation systems, so that only the appropriate application for each case Determine gearsvortechnisch and signal technology to adapt.
  • it is z.
  • it is possible to simulate direction-dependent body characteristics, or it can be learned to set up the instrument at the medically correct point on the body surface (eg in the region of the spinal column) and to simulatively pierce the body in the medically correct solid angle.
  • a conventional, known in the art optical navigation device is used, wherein on the handle and the body navigation marks are provided, which are recognizable by a camera system for optical navigation.
  • the simulation is carried out on a solid model body, such. B. a back portion on which the insertion of the instrument in the area of the spine is practiced.
  • This fixed model body is coupled to a force measuring device which provides electrical measurement signals from which it is possible to calculate at which current point of the model body the instrument tip is placed.
  • This technique is known in the art and z. B. in DE 102 61 673 A1 described in detail.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the invention.
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of the invention.
  • Fig. 5 shows a first application of the invention.
  • Fig. 6 shows a second application of the invention.
  • Fig. 7 shows a first application of the invention with navigation system.
  • Fig. 8 shows a second application of the invention with navigation system.
  • the simulation device with a handle 1, with which the device by an operator with the Hand is guided.
  • the instrument is a needle 2, which is connected to the handle 1, wherein the needle 2 with respect to the handle 1 in the direction of the double arrow is slidably formed.
  • a spindle-nut assembly 3, 4 is integrated as a drive device, wherein the spindle 3 is driven by a likewise integrated in the handle 1 electric motor 5.
  • the running on the spindle 3 nut 4 is firmly connected via a force sensor 6 to the needle 2.
  • an incremental Winkelmeßsystem 7 is coupled to the electric motor 5.
  • the electric motor 5 rotates the spindle 3, the nut 4 is moved forward or backward in the direction of the double arrow. From the thread pitch of the spindle 3 and measured by the angle measuring 7 angle change of the displacement of the needle 2 can be determined.
  • a plastic disc 9 is glued to the skin at the intended injection site. This plastic disc 9 has a small recess into which the needle tip is inserted, so that slipping of the needle is avoided by the plastic disc. This plastic disc can also be replaced by a small ball attached to the tip of the needle.
  • the force applied by the surgeon by means of the handle on the needle force is measured by means of the force sensor 6 and fed as an electrical measurement signal to a computer.
  • the computer has software that simulates the various material properties of the body in the form of control signals for the drive device that controls the motor 6. If z. For example, when the mode "spinal cord puncture" is set, the software activating the material properties of the body between the outer skin of the body and the spine is activated. If, on the other hand, an injection into a vein of the forearm is to be simulated, the "forearm vein injection" mode is selected.
  • the surgeon uses the simulation device as a real medical instrument and thus performs the same medically determined movements as under real conditions.
  • a predetermined pressure is simulated that the outer skin is pierced, in which the needle 2 is moved a piece into the handle.
  • the needle is a larger or a small piece retracted into the handle. It is clear to the person skilled in the art of control engineering that the control loop required for this purpose must have such a dynamic behavior that the needle movements by the spindle-nut drive 3, 4, 5 must be as fast as during the movement of a real needle under real conditions.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention in which a cable-slide arrangement 10, 11 is used as the drive device. Since, in contrast to the spindle 3 used in FIG. 1, the cable does not have sufficient inherent rigidity, a needle guide 13 in the form of a sleeve is provided for guiding the needle 2.
  • the carriage 11 is fixed to the cable 10, which is movable by means of the motor 5 in the direction of the double arrow.
  • FIG 3 shows an embodiment in which the tool 2 is arranged at right angles to the handle 1, wherein the cable 10 is driven by the motor 5 and passes over two deflection rollers 12a and 12b.
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of the invention based on hydraulic cylinder-piston assemblies.
  • the first cylinder-piston assembly is operated by means of the spindle-nut arrangement 3, 4 described in Fig. 1.
  • the first piston 14 is connected via a piston rod 15 to the force sensor 6 and displaces hydraulic fluid in the first cylinder 16.
  • the displaced hydraulic fluid passes via the flexible hydraulic line 17 into the second cylinder 18 and displaces there the piston 19 which is in contact with the needle 2 is connected.
  • the principal operation of this embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • the interposed flexible hydraulic line 17 provides a decisive advantage, since now the handle 1 can be made very small, since he holds only the second cylinder-piston assembly contains.
  • FIGS. 5 and 6 show applications in a living human on the back and forearm.
  • FIG. 7 shows an embodiment of the invention using an optical navigation system 20 to 23, with which the current spatial position of the needle 2 with respect to the patient 8 is determined at a predetermined puncture site and an electrical position signal is generated, which is supplied to the arithmetic and control unit ,
  • the reference numerals 20 and 21 each indicate three navigation points, wherein the navigation points 20 define the position of the needle and the navigation points 21 the position of the patient.
  • the navigation points are optically detected and determines the spatial position of the needle 2. All data of the camera are fed to a computer.
  • the optical navigation method is well known to those skilled in the art, so that a more detailed explanation can be dispensed with. From the electrical position signal generated by the computer, it can be determined exactly whether the needle is attached to the medically correct position and at the correct angle. In this application of the invention, both a living patient or a plastic model can be used. When practicing on a live patient, the instrument tip must be provided with a stab-proof plate so that the patient is not injured by the instrument tip.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the invention using a torque-based navigation system. In this application of the invention, only a plastic model can be used, which has a high inherent rigidity. This plastic model is rigidly mounted on a multi-component load cell 24.
  • the multi-component load cell 24 When the instrument 2 is pressed by means of the handle 1 on the chest of the patient, the multi-component load cell 24 generates signals from which the touchdown point of the instrument tip is calculated. By means of a graphic animation, the correct or incorrect position of the touchdown point on the screen 25 can be displayed. Likewise, by means of an acoustic information from the speaker 26 can be informed about the correct or incorrect position of the touchdown point.
  • controllable drive device for defined displacement of the instrument 2 with respect to the handle 1 must be technically connected to the computing and control unit. This connection can be made via an electrical control line, but also wirelessly by means of a radio link. This compound was not shown in the drawings for the sake of clarity.
  • simulation devices can be provided for the first time, in which the instrument can be placed freely on any arbitrary point of a body, so that with this technology also finding the penetration point on the body and can be well practiced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Simulationsvorrichtung zur Simulation von Eindringvorgängen, die mittels eines nadel- oder stiftartigen Instruments oder Werkzeugs ausgeführt werden, wobei die Simulationsvorrichtung aufweist: einen Handgriff (1), der mit dem Instrument (2) verschiebbar verbunden ist, wobei der Handgriff (1) von einem Operateur gehalten wird, eine Positionsermittlungsvorrichtung (7), die die Position des Instruments (2) bezüglich des Handgriffs (1) ermittelt und ein Positionssignal erzeugt, eine Kraftermittlungsvorrichtung (6), die die Kraft ermittelt, mit der das Instrument (2) mittels des Handgriffs (1) gegen den Körper (8) gedrückt wird, wobei die Kraftermittlungsvorrichtung (6) ein Kraftsignal erzeugt, eine steuerbare Antriebsvorrichtung zum Verschieben des Instruments (2) bezüglich des Handgriffs (1) und eine Rechen- und Steuereinheit, die signaltechnisch mit der Antriebsvorrichtung verbunden ist, wobei die Rechen- und Steuereinheit einen Speicher aufweist, in dem körperspezifische Einstechinformationen und ein Rechenprogramm abgelegt sind und ausgehend von den Positions- und Kraftsignalen die Antriebsvorrichtung so gesteuert wird, daß beim Druck des Instruments (2) gegen den Körper (8) gleiche haptische Empfindung entsteht, wie bei der Handhabung eines realen Instruments, das in einen realen Körper eingebracht wird.

Description

Simulationsvorrichtung zum Simulieren von Eindringvorgängen
Die Erfindung betrifft eine Simulationsvorrichtung zur Simulation von Eindringvorgängen, die mittels eines nadel- oder stiftartigen Instruments oder Werkzeugs ausgeführt werden, wobei nachfolgend nur noch der Begriff Instrument verwendet wird.
Zum Beispiel im Bereich der Medizin ist die Einführung von Instrumenten wie Nadeln und Kathetern in einen menschlichen oder tierischen Körper eine der häufigsten Routinen im Klinikalltag. Die Durchführung solcher Routinen ist übungsbedürftig, da der Ausführende, d. h. der Operateur, ohne zusätzliche Hilfsmittel keine visuelle Information über die Lage der Instrumentenspitze bekommt, sondern sich nur auf seine haptische Empfindung, d. h. auf sein Tastempfinden verlassen kann.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Injektionssimulatoren bekannt, die für unterschiedliche Übungsfälle konstruiert sind, wie z. B. aus der DE 44 14 832 ein Modell zum Üben des Einstechens in Blutgefäße oder auch aus GB 2 288 686 A oder der WO 03/054834 A1.
Das Erlernen der vorstehend beschriebenen Techniken mit Hilfe von Simulatoren setzt voraus, daß der Lernende beim Üben am Simulator einen weitgehend realistischen Gesamteindruck erhält. Wenn mittels des Simulators dieser möglichst weitgehend realistischen Gesamteindruck jedoch nicht erreicht wird, besteht die Gefahr, daß der Lernende falsch trainiert wird, so daß es bei der Umsetzung des Gelernten oder Trainierten am lebenden Patienten zu Fehlhandlungen kommen kann, die zu Schädigungen führen können. Diese Schädigungen des Patienten sollen jedoch durch das vorherige Üben und Trainieren mit dem Simulator gerade vermieden werden.
Ein besonderes Problem bei den sogenannten haptischen Simulatoren, d. h. bei Simulatoren mit einer Kraftrückkopplung, sind die z. T. schweren und sperrigen Konstruktionen der Kraftrückkopplung, die dazu führen, daß die Simulationsbedingungen nicht mit den beim lebenden Patienten vorliegenden Bedingungen ähnlich sind.
Eine besondere Einschränkung der bisherigen haptischen Simulatoren ist die Festlegung auf einen sehr eng begrenzen Arbeitsbereich, wobei unter Arbeitsbereich z. B. die Körperoberfläche des Patienten zu verstehen ist, auf der der Übende zuerst die richtige Einstichstelle auswählen und ggf. sogar durch Ertasten mit den Fingern die Einstichstelle sehr präzise ermitteln muß. Für die Ausbildung z. B. als Arzt sind derartige Übungen unerläßlich. Mit anderen Worten, der Übende muß nicht nur das Instrument nach dem Einstich richtig führen können, sondern er muß ebenso lernen, die richtige Einstichstelle zu treffen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten haptischen, d. h. mit Kraftrückkopplung arbeitenden Injektionssimulatoren ermöglichen es nicht, den Simulator auf einen beliebigen Körper an einer beliebigen Stelle aufzusetzen, wie z. B. auf den Rücken eines lebenden Patienten oder auf eine beliebige Stelle ein anatomisches Modell aus Kunststoff. Die Hauptursache dafür ist die notwendige mechanische Verbindung zwischen dem Instrument, das der Übende mit der Hand führt und der Kraft- Rückkopplungsmechanik, die meist verborgen im anatomisches Modell integriert ist, woraus sich auch der weitere Nachteil ergibt, daß dieses Konstruktionskonzept eines haptischen Injektionssimulators nicht für lebendige Patienten anwendbar ist, wobei der Begriff „Injektionssimulator" im eingangs beschriebenen breiten Sinn zu verstehen ist.
Zusammenfassend ist also festzustellen, daß die aus dem Stand der Technik bekannten haptischen Injektionssimulatoren zwei systembedingte Nachteile aufweisen: a. Die Simulation am lebendigen Lebewesen (Mensch, Tier) ist nicht möglich. b. Der Lernprozeß des „Suchens und Findens der richtigen Einstichstelle" ist ebenso nicht möglich.
Insofern ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Simulationsvorrichtung bereitzustellen, die Mängel a und b des Standes der Technik überwindet.
Die Aufgabe zur Überwindung des Mangels a wird mit einer Simulationsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe zur Überwindung der Mängel a und b wird mit einer Simulationsvorrichtung nach Anspruch 5 gelöst.
Die Simulationsvorrichtung zum Simulieren von Eindringvorgängen eines Instruments in einen Körper hat einen Handgriff, mit dem die Simulationsvorrichtung von dem Operateur mit der Hand geführt wird. Das Instrument ist mit dem Handgriff so gekoppelt, daß das Instrument bezüglich des Handgriffs in einer vorbestimmten Verschieberichtung verschiebbar ausgebildet ist, d. h. wenn das Instrument gegen den Körper gedrückt wird, schiebt es sich in den Handgriff hinein. Dadurch entsteht für den Übenden und einen Beobachter der optische Eindruck, als wenn das Instrument in den Körper tatsächlich eindringt, obwohl es in den Handgriff einfährt.
Es ist dem Fachmann klar, daß dieses Einschieben in den Handgriff durch gleichwirkende, d. h. äquivalente Maßnahmen ersetzt werden kann. So ist es z. B. möglich, das Instrument teleskopartig auszubilden, d. h. es kann z. B. aus mehreren Rohrabschnitten bestehen, die ineinander schiebbar sind.
Es ist weiterhin eine Positionsermittlungsvorrichtung vorgesehen, die die aktuelle Position des Instruments bezüglich des Handgriffs ermittelt und ein aktuelles Positionssignal erzeugt. Genauer gesagt muß eine Information über die Verschiebung der Instrumentenspitze bezüglich des Handgriffs bereitgestellt werden.
Es ist weiterhin eine Kraftermittlungsvorrichtung vorgesehen, die die aktuelle Kraft ermittelt, mit der das Instrument mittels des Handgriffs gegen den Körper gedrückt wird, wobei die Kraftermittlungsvorrichtung ein aktuelles Kraftsignal erzeugt. Es ist weiterhin eine rechnergesteuerte Antriebsvorrichtung vorgesehen, die bewirkt, daß das Instrument nur gegen eine vorbestimmte Kraft in den Handgriff eingefahren werden kann. Diese Antriebsvorrichtung ist mit der Positionsermittlungs- vorrichtung, der Kraftermittlungsvorrichtung und dem Rechner signaltechnisch ver- bunden.
Die Antriebsvorrichtung wird unter Auswertung des aktuellen Kraft- und Positionssignals gesteuert. Dazu wird ein Rechenprogramm eingesetzt, das die Materialeigenschaften des Körpers in Form von Steuersignalen für die Antriebsvor- richtung nachbildet. Dieser Zusammenhang wird nachfolgend noch näher beschrieben.
Die Antriebsvorrichtung ist entweder in dem Handgriff integriert, oder von außen über eine Koppelvorrichtung mit dem Handgriff verbunden. Als Koppelvorrichtung ist z. B. ein Hydraulikschlauch geeignet.
Nachfolgend sollen die Regelungsphilosophie so weit qualitativ beschrieben werden, daß ein Fachmann für Steuerungs- und Regelungstechnik die Simulationsvorrichtung aufbauen kann.
Es soll das Eindringen einer Nadel in einen menschlichen oder tierischen lebenden Körperabschnitt simuliert werden. Es soll simuliert werden, daß der Körperabschnitt an seiner Oberfläche mit einer Haut bedeckt ist, anschließend soll z. B. ein Fettgewebe folgen, dann soll eine Bindegewebsschicht durchstoßen werden, da- nach folgt ein dickes Muskelgewebe und dann ein festes Knochengewebe. Alle vorstehend genannten Gewebeabschnitte des Körpers sind aber fiktiv, d. h. nur als Softwaremodell in dem Rechner repräsentiert.
Da die Simulation dem Zweck dient, eine Eindringhandlung mit einem handgeführ- ten Instrument in einen realen Körper zu üben, ist es zweckmäßig und dient dem Lernerfolg, wenn die Übung nicht nur an einem Modellkörper durchgeführt werden kann, sondern auch an einem lebenden Körper. Nur der Vollständigkeit wegen wird deshalb erwähnt, daß auch dann, wenn der Körperabschnitt aus einem harten Kunststoff bestehen würde, (z. B. ein anatomisches Modell), der haptische Effekt bei der Simulation der gleiche ist wie bei einem lebenden Körperabschnitt.
Wenn der Operateur die Simulationsvorrichtung an einen lebenden weichen Kör- perabschnitt drückt, dann muß verhindert werden, daß die Nadel tatsächlich in die Haut eindringt, d. h. die Nadelspitze muß so beschaffen sein, daß sie bei der Simulation nicht eindringen kann. Das wird erreicht, in dem die Fläche der Nadelspitze stark vergrößert wird. So ist es z. B. möglich, an der Nadelspitze eine kleine Kunststoffscheibe anzubringen.
Setzt der Operateur die Nadel mit der Scheibe auf die Hautoberfläche auf und drückt gegen die Haut, wird dieser Druck von der Kraftermittlungsvorrichtung ermittelt. Drückt der Operateur stärker, wird das Durchstoßen der Haut simuliert, indem die Antriebsvorrichtung die Nadel plötzlich ein Stück in den Handgriff einfährt, d. h. es wird das Durchdringen der Haut und des dahinterliegenden Fettgewebes simuliert, so daß anschließend die Nadel an dem simulierten Bindegewebe ansteht. Die Antriebsvorrichtung läßt ein weiteres Hineinschieben der Nadel in den Handgriff erst dann zu, wenn der Operateur die Nadel mit der in der Realität erforderlichen Durchstoßkraft gegen das relativ feste Bindegewebe drückt. Dann kommt das Muskelgewebe, dessen Durchdringen erneut durch ein spezifisches Einfahren der Nadel simuliert wird. Nun steht die Nadel an dem Knochengewebe, das nicht durchdrungen werden kann, so daß der Operateur auch bei stärkerem Drücken einen festen Widerstand spürt, der durch eine Blockierung der Antriebsvorrichtung erzielt wird.
Wegen der besseren Anschaulichkeit wurde ein Simulationsbeispiel gewählt, bei dem die Nadel bzw. ein anderes Instrument oder Werkzeug Gewebeschichten mit unterschiedlicher Festigkeit durchdringt. Es ist klar, daß die gleiche Regelungsphilosophie auch für Gewebe und Materialien einsetzbar ist, die nur geringe oder kei- ne Inhomogenitäten aufweisen. Außerdem ist klar, daß die benötigten Kräfte nicht nur von der Eindringtiefe, sondern auch von der Eindringgeschwindigkeit abhängig sind. Bei der Wiederaufnahme einer Eindringbewegung, z. B. nach einem Absetzen (Stoppen der Handbewegung) können zudem größere Kräfte zum Überwinden der Haftreibung benötigt werden, d. h. es treten sogenannte „Stick-und-Slip- Effek- te" auf, die ebenfalls simulierbar sind. Weiterhin ist dem Fachmann klar, daß gleichfalls die Form und die Beschaffenheit des Instruments in der Simulationssoftware berücksichtigt werden muß.
Die konkrete Ausbildung der einzelnen Komponenten der Simulationsvorrichtung, d. h. der Handgriff, das eigentliche Instrument, die mechanische Führung des Instruments, die Positionsermittlungsvorrichtung, die Kraftermittlungsvorrichtung und die Antriebsvorrichtung wird vom Fachmann an Hand der geometrisch- konstruktiven Erfordernisse ausgewählt, die die Übungssituation erfordern, wobei prinzipielle Ausführungsformen in den Unteransprüchen beansprucht sind.
Nach Anspruch 2 ist die Antriebsvorrichtung im oder am Handgriff angeordnet, wobei hier der Teil der Antriebsvorrichtung gemeint ist, der die Antriebskraft erzeugt. Es ist möglich, in dem Handgriff z. B. eine Spindel-Mutter-Anordnung vorzusehen, wobei die Spindel von einem Elektromotor angetrieben wird und die auf der Spindel laufenden Mutter mit dem Instrument fest verbunden ist.
Nach Anspruch 3 ist die Positionsermittlungsvorrichtung im oder am Handgriff angeordnet. Es ist möglich, in dem Handgriff einen Winkelsensor so anzuordnen, das die Drehbewegung der Spindel nach Anspruch 2 erfaßt wird. Aus der aktuellen Stellung des Winkelsensors kann die aktuelle Nadeiposition ermittelt werden.
Nach Anspruch 4 ist die Kraftermittlungsvorrichtung im oder am Handgriff angeordnet. Es ist möglich, in dem Handgriff einen Kraftsensor so anzuordnen, daß die Kraft, die mitteis des Handgriffs beim Drücken des Instruments gegen den Körper erzeugt wird, auf den Kraftsensor übertragen wird. Der Kraftsensor ist somit bei einer Spindel-Mutter-Anordnung zwischen dem Instrument und der Spindelmutter anzuordnen.
Nach Anspruch 5 ist eine Lageermittlungsvorrichtung vorgesehen, die die aktuelle räumliche Lage des Instruments bezüglich des Körpers ermittelt und ein elektrisches Lagesignal erzeugt, welches der Rechen- und Steuereinheit zugeführt wird. Derartige Lageermittlungsvorrichtungen sind dem Fachmann als Navigationssysteme bekannt, so daß lediglich die zum jeweiligen Anwendungsfall passende La- geermittlungsvorrichtung auszuwählen und signaltechnisch anzupassen ist. Durch diese Weiterbildung der Erfindung ist es z. B. möglich, richtungsabhängige Körpereigenschaften zu simulieren, oder es kann erlernt werden, das Instrument an dem medizinisch richtigen Punkt der Körperoberfläche (z. B. im Bereich der Wirbelsäu- Ie) aufzusetzen und im medizinisch richtigen Raumwinkel simulativ in den Körper einzustechen.
Nach Anspruch 6 wird eine herkömmliche, dem Fachmann bekannte optische Navigationsvorrichtung verwendet, wobei an dem Handgriff und dem Körper Navigati- onsmarkierungen vorgesehen sind, die von einem Kamerasystem zur optischen Navigation erkennbar sind.
Nach Anspruch 7 wird die Simulation an einem festen Modellkörper durchgeführt, wie z. B. ein Rückenabschnitt, an dem das Einstechen des Instruments im Bereich der Wirbelsäule geübt wird. Dieser feste Modellkörper ist mit einer Kraftmeßvorrichtung gekoppelt, die elektrische Meßsignale bereitstellt, aus denen berechenbar ist, an welcher aktuellen Stelle des Modellkörpers die Instrumentenspitze aufgesetzt ist. Diese Technik ist dem Fachmann bekannt und z. B. in der DE 102 61 673 A1 ausführlich beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine erste Anwendung der Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine zweite Anwendung der Erfindung. Fig. 7 zeigt eine erste Anwendung der Erfindung mit Navigationssystem.
Fig. 8 zeigt eine zweite Anwendung der Erfindung mit Navigationssystem.
Die Figur 1 zeigt als erste Ausführungsform der Erfindung die Simulationsvorrichtung mit einem Handgriff 1 , mit dem die Vorrichtung von einem Operateur mit der Hand geführt wird. Das Instrument ist eine Nadel 2, die mit dem Handgriff 1 verbunden ist, wobei die Nadel 2 bezüglich des Handgriffs 1 in Richtung des Doppelpfeils verschiebbar ausgebildet ist.
In dem Handgriff 1 ist als Antriebsvorrichtung eine Spindel-Mutter-Anordnung 3, 4 integriert, wobei die Spindel 3 von einem ebenfalls in dem Handgriff 1 integrierten Elektromotor 5 angetrieben wird. Die auf der Spindel 3 laufende Mutter 4 ist über einen Kraftsensor 6 mit der Nadel 2 fest verbunden. An den Elektromotor 5 ist ein inkrementales Winkelmeßsystem 7 gekoppelt. Wenn der Elektromotor 5 die Spin- del 3 dreht, wird die Mutter 4 in Richtung des Doppelpfeils vorwärts oder rückwärts bewegt. Aus der Gewindesteigung der Spindel 3 und der vom Winkelmeßsystem 7 gemessenen Winkeländerung kann der Verschiebeweg der Nadel 2 ermittelt werden.
Wenn das Einführen der Nadei 2 in einen lebenden Körper, wie z. B. in einen menschlichen Rücken nach Fig. 5 oder in einen Unterarm nach Fig. 6 geübt werden soll, wird die Nadel 2 ganz ausgefahren und befindet sich in der in Fig. 1 gezeigten Position. Der Operateur führt nun die Nadel 2 gegen den Körper 8 und drückt mit der medizinisch determinierten Kraft die Nadel auf die Körperoberfläche. Um zu verhindern, daß die Nadel bei einer weiteren Druckerhöhung die Außenhaut durchsticht und tatsächlich in den Körper eindringt, ist an der vorgesehenen Einstichstelle eine Plastikscheibe 9 auf die Haut geklebt. Diese Plastikscheibe 9 weist eine kleine Vertiefung auf, in die die Nadelspitze eingesetzt wird, so daß ein Abrutschen der Nadel von der Plastikscheibe vermieden wird. Diese Plastikscheibe kann auch durch eine kleine Kugel ersetzt werden, die an der Nadelspitze befestigt ist.
Die von dem Operateur mittels des Handgriffs auf die Nadel aufgebrachte Kraft wird mittels des Kraftsensors 6 gemessen und als elektrisches Meßsignal einem Rechner zugeführt. Der Rechner verfügt über eine Software, die die verschiedenen Materialeigenschaften des Körpers in Form von Steuersignalen für die Antriebsvor- richtung nachbildet, die den Motor 6 steuert. Wenn z. B. der Modus „Rückenmarkpunktion" eingestellt ist, wird die Software aktiviert, die die Materialeigenschaften des Körpers zwischen der Außenhaut des Körpers und der Wirbelsäule abbildet. Wenn dagegen eine Injektion in eine Vene des Unterarms simuliert werden soll, wird der Modus „Veneninjektion am Unterarm" ausgewählt.
Der Operateur benutzt die Simulationsvorrichtung wie ein reales medizinisches Instrument und führt demnach die gleichen medizinisch determinierten Bewegungen wie unter Realbedingungen aus. Bei einem vorbestimmten Druck wird simuliert, daß die Außenhaut durchstochen ist, in dem die Nadel 2 ein Stück in den Griff eingefahren wird. Jenachdem, wie groß die Einstechkraft war und in Abhängigkeit davon, ob der Operateur die Nadel weiter einsticht oder stoppt, d. h. ob die Ein- stechkraft beibehalten wird oder nicht, wird die Nadel ein größeres oder ein kleines Stück in den Griff eingefahren. Dem Fachmann für Regelungstechnik ist klar, daß der dazu erforderliche Regelkreis ein solches dynamisches Verhalten aufweisen muß, daß die Nadelbewegungen durch den Spindel-Mutter-Antrieb 3, 4, 5 genau so schnell erfolgen muß wie bei der Bewegung einer realen Nadel unter realen Bedingungen.
Nachfolgend werden mit den Figuren 2 bis 4 weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden nur die Merkmale und Funktionen beschrieben, die gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 ab- weichen.
Die Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der als Antriebsvorrichtung eine Seilzug-Schlittenanordnung 10, 11 benutzt wird. Da der Seilzug im Gegensatz zu der in Fig. 1 verwendeten Spindel 3 keine ausreichende Eigensteifig- keit aufweist, ist zur Führung der Nadel 2 eine Nadelführung 13 in Form einer Hülse vorgesehen. Der Schlitten 11 ist an dem Seil 10 befestigt, das mittels des Motors 5 in Richtung des Doppelpfeils bewegbar ist.
Die Figur 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Werkzeug 2 rechtwinklig zu dem Handgriff 1 angeordnet ist, wobei das Seil 10 vom Motor 5 angetrieben wird und über zwei Umlenkrollen 12a und 12b läuft.
Die Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfändung auf der Basis von Hydraulik-Zylinder-Kolbenanordnungen. Die erste Zylinder-Kolbenanordnung wird mittels der in Fig. 1 beschriebenen Spindel-Mutter-Anordnung 3, 4 betätigt. Der erste Kolben 14 ist über eine Kolbenstange 15 mit dem Kraftsensor 6 verbunden und verdrängt Hydraulikflüssigkeit in dem ersten Zylinder 16. Die verdrängte Hydraulikflüssigkeit gelangt über die flexible Hydraulikleitung 17 in den zweiten Zylin- der 18 und verdrängt dort den Kolben 19, der mit der Nadel 2 verbunden ist. Die prinzipielle Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist die gleiche wie die der ersten Ausführungsform. Die dazwischengeschaltete flexible Hydraulikleitung 17 erbringt jedoch einen entscheidenden Vorteil, da nunmehr der Handgriff 1 sehr klein ausgeführt werden kann, da er lediglich die zweite Zylinder-Kolbenanordnung ent- hält.
Die Figuren 5 und 6 zeigen Anwendungen bei einem lebenden Menschen am Rük- ken und am Unterarm.
Die Figur 7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung unter Nutzung eines optischen Navigationssystems 20 bis 23, mit dem die aktuelle räumliche Lage der Nadel 2 bezüglich des Patienten 8 an einer vorbestimmten Einstechstelle ermittelt und ein elektrisches Lagesignal erzeugt wird, welches der Rechen- und Steuereinheit zugeführt wird. Mit den Bezugszeichen 20 und 21 sind je drei Navigations- punkte bezeichnet, wobei die Navigationspunkte 20 die Lage der Nadel definieren und die Navigationspunkte 21 die Lage des Patienten. Mit Hilfe der Kameras 22 und 23, die in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung zueinander stehen, werden die Navigationspunkte optisch erfaßt und daraus die räumliche Lage der Nadel 2 ermittelt. Alle Daten der Kamera werden einem Rechner zugeführt.
Das optische Navigationsverfahren ist dem Fachmann an sich gut bekannt, so daß auf eine nähere Erläuterung verzichtet werden kann. Aus dem elektrischen Lagesignal, das der Rechner generiert, kann genau ermittelt werden, ob die Nadel an der medizinisch richtigen Stelle und in dem richtigen Winkel angesetzt wird. Bei dieser Anwendung der Erfindung kann sowohl ein lebender Patient oder ein Kunststoffmodell eingesetzt werden. Wenn am lebenden Patienten geübt wird, muß die Instrumentenspitze mit einer stichsicheren Platte versehen sein, damit der Patient durch die Instrumentenspitze nicht verletzt wird. Die Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung unter Nutzung eines kraft- momentenbasierten Navigationssystems. Bei dieser Anwendung der Erfindung kann nur ein Kunststoffmodell eingesetzt werden, das eine hohe Eigensteifigkeit besitzt. Dieses Kunststoffmodell ist auf einer Mehrkomponenten-Kraftmeßdose 24 starr befestigt. Wenn das Instrument 2 mittels des Handgriffs 1 auf den Brustkorb des Patienten gedrückt wird, erzeugt die Mehrkomponenten-Kraftmeßdose 24 Signale, aus denen der Aufsetzpunkt der Instrumentenspitze errechnet wird. Mittels einer grafischen Animation kann die richtige oder falsche Lage des Aufsetzpunktes am Bildschirm 25 angezeigt werden. Ebenso kann mittels einer akustischen Infor- mation aus dem Lautsprecher 26 über die richtige oder falsche Lage des Aufsetzpunktes informiert werden.
Auf dem Bildschirm 25 ist erkennbar, daß das Instrument 2 bereits in den Brustkorb eingedrungen ist.
Es ist klar, daß die steuerbare Antriebsvorrichtung zum definierten Verschieben des Instruments 2 bezüglich des Handgriffs 1 signaltechnisch mit der Rechen- und Steuereinheit verbunden sein muß. Diese Verbindung kann über eine elektrische Steuerleitung, aber auch drahtlos mittels einer Funkverbindung erfolgen. Diese Verbindung wurde wegen der höheren Übersichtlichkeit nicht in den Zeichnungen dargestellt.
Hervorzuheben ist, daß mit der Erfindung erstmalig Simulationsvorrichtungen bereitgestellt werden können, bei denen das Instrument frei wählbar auf jede beliebi- ge Stelle eines Körpers aufgesetzt werden kann, so daß mit dieser Technologie auch das Finden des Eindringpunktes auf dem Körper und gut geübt werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Simulationsvorrichtung zum Simulieren von Eindringvorgängen eines Instruments (2) in einen Körper (8), wobei die Simulationsvorrichtung aufweist:
- einen Handgriff (1), der mit dem Instrument (2) verschiebbar verbunden ist, wobei der Handgriff (1) von einem Operateur gehalten wird,
- eine Positionsermittlungsvorrichtung (7), die die aktuelle Position des Instruments (2) bezüglich des Handgriffs (1) ermittelt und ein aktuelles Positionssignal erzeugt,
- eine Kraftermittlungsvorrichtung (β), die die aktuelle Kraft ermittelt, mit der das Instrument (2) mittels des Handgriffs (1) gegen den Körper (8) gedrückt wird, wobei die Kraftermittlungsvorrichtung (6) ein aktuelles elektrisches Kraftsignal erzeugt,
- eine steuerbare Antriebsvorrichtung (3, 4, S, 7; 10, 11, 5, 7; W, 12, 5, 7; 3, 4, 14, 15, 16, 17, 18, 19) zum definierten Verschieben des Instruments (2) bezüglich des
Handgriffs (1) und
- eine Rechen- und Steuereinheit, die signaltechnisch mit der Antriebsvorrichtung (3, 4, 5, 7; 10, 11, S, 7; 10, 12, 5, 7; 3, 4, 14, 15, 16, 17, 18, 19) verbunden ist, wobei die Rechen- und Steuereinheit - einen Speicher aufweist, in dem körperspezifische Einstechinformationen und
- ein Rechenprogramm abgelegt sind und ausgehend von den aktuellen Po- sitions- und Kraftsignalen die Antriebsvorrichtung (3, 4, β, 7; 10, 11, 5, 7; 10, 12, β, 7; 3, 4, 14, 15, 16, 17, 18, 19) so gesteuert wird, daß beim Druck des Instruments (2) gegen den Körper (8) beim Operateur der gleiche Gegendruck, d. h. die gleiche haptische Empfindung entsteht, wie bei der Handhabung eines realen Instruments, das in einen realen Körper eingebracht wird.
2. Simulationsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die
Antriebsvorrichtung im oder am Handgriff angeordnet ist.
3. Simulationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsermittlungsvorrichtung im oder am Handgriff angeordnet ist.
4. Simulationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftermittlungsvorrichtung im oder am Handgriff angeordnet ist.
5. Simulationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lageermittlungsvorrichtung (20, 21, 22, 23) vorgesehen ist, die die aktuelle räumliche Lage der Instrumentenspitze des Instruments (2) bezüglich des Körpers (8) ermittelt und ein elektrisches Lagesignal erzeugt, wel- ches der Rechen- und Steuereinheit zugeführt wird.
6. Simulationsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Handgriff und am Körper Navigationsmarkierungen (20, 21) vorgesehen sind, die von einem Kamerasystem (22, 23) zur optischen Navigation erkennbar sind.
7. Simulationsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
- ein fester Modellkörper (8) verwendet wird, der an einer Kraftmeßvorrichtung (24) gekoppelt ist und
- in der Rechen- und Steuereinheit ein Meßwertverarbeitungsprogramm implernen- tiert ist, wobei die Kraftmeßvorrichtung so ausgebildet ist, um die bei einer Berührung des Modellkörpers (8) entstehenden Kräfte und Momente abzubilden und als elektrische Meßsignale bereitzustellen, und das Meßwertverarbeitungsprogramm so ausgebildet ist, um aus den Meßsignalen den aktuellen Kraftangriffspunkt der Instrumentenspitze zu bestimmen.
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