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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet
der Simulationen für
eine Schulung im medizinischen Bereich. Insbesondere offenbart die
vorliegende Erfindung ein System zur Schulung von Personen zur Durchführung von
in einer minimalen Art und Weise invasiven chirurgischen Eingriffen.
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2. Formulierung des Problems
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Eine
Operation in jeder beliebigen Form ist eine anstrengende Belastung
für einen
Körper.
Mit traditionellen Operationstechniken bedeutet selbst der Einschnitt
ein zusätzliches
Risiko der Infektion, eines Traumas und einer Erholungszeit für einen
Patienten, über
den Umstand hinaus, der zur Operation selbst Anlass gegeben hat.
Fortschritte im Bereich der Miniaturisierung von Werkzeugen und
Hilfsmitteln, ebenso von Videosystemen zur Begutachtung der internen
Gegebenheiten von Patienten, haben Anlass gegeben zu in einer minimalen
Art und Weise invasiven Operationstechniken. In diesem Gebiet der
Chirurgie, wird ein kleiner Einschnitt am Patienten vorgenommen
und das chirurgische Hilfsmittel wird in eine Vene, in eine Arterie
oder in einen Raum zwischen dem Gewebe eingeführt. Ein taktiles Gefühl wird
dem Chirurg durch das Hilfsmittel vermittelt, wenn es in den Patienten
eingeführt
wird, und visuell angezeigte Bilder von Röntgen- oder anderen Systemen zum Ermöglichen
einer internen Betrachtung des Körpers
werden dann zur Anwendung gebracht, um das Hilfsmittel zu positionieren
und um die notwendige Aufgabe der Operation zu vervollständigen,
sei es die Wiederinstandsetzung eines Organs wie des Herzens, die
Entfernung eines Gewebes, die Positionierung einer Sonde eines Herzschrittmachers,
eine endoskopische Operation oder ein anderer Vorgang. Aufgrund
der in einer minimalen Art und Weise invasiven Eigenschaft dieser
Art von Operation, können
Operationen an Patienten mit weniger als einer vollständigen Anästhesie
(Vollnarkose) und mit weniger als einer vollständigen Unterbringung in einem
Krankenhaus in einem sehr kurzen Zeitraum ausgeführt werden. Bedingt durch die
Eigenschaft dieser Art eines Operationsvorgangs, gibt es eine Anzahl
von speziellen Überlegungen.
Ein Fehler bei der Ausrichtung des Werkzeugs in einer exakten Art
und Weise in nerhalb des Patienten oder in einer entsprechenden Art
und Weise bei einer Erkennung des Gewebes, durch welches das Werkzeug
hindurch dringt, kann dazu führen,
dass das Hilfsmittel eine Vene, eine Arterie, ein Organ oder eine
andere interne Gewebestruktur durchbohrt oder zerstört. Ein
solcher Unfall wird in einer fast sicheren Art und Weise dazu führen, dass der
Patient einer sofortigen invasiven Notoperation, einer Krankheit
und vielleicht einer tödlichen
Verletzung unterliegt. Um einen solchen Unfall zu vermeiden, muss
der Chirurg in einer entsprechenden Art und Weise eine taktile Rückmeldung
von dem Hilfsmittel und eine Bilddarstellung von der Anzeige zur
Darstellung der Position des Hilfsmittels im Verhältnis zur
internen Gegebenheit des Patienten in Verbindung bringen. Weil die normalen
Druckverhältnisse
in Arterien, Kanälen,
Venen und Organen ebenso wie die physikalischen Bewegungen des Atmens
und des Herzschlags Veränderungen
hinsichtlich der internen Gegebenheit des Patienten zur Folge haben
und eine Bewegung des Hilfsmittel beeinflussen, schien es so, dass
es der einzige Weg für eine
praktizierende Person ist, die notwendigen Fertigkeiten und Techniken
durch eine Erfahrung mit lebenden Patienten zu erlernen. Zusätzlich variieren
die internen Zustände
und Gegebenheiten von Person zu Person. Zum Beispiel treten Einschränkungen
und Beschränkung
mit einer ausreichenden zu erwartenden Regelmäßigkeit in Erscheinung, aber
die präzisen
Orte variieren mit jedem Patienten. In einer entsprechenden Art
und Weise ist die Tendenz diejenige, dass diejenigen praktizierenden
Personen, die bereits mit dem Vorgang erfahren sind, gefragt werden,
die Operation durchzuführen.
Es ist daher schwierig für
unerfahrene praktizierende Personen, ein erwünschtes Maß an Vertrautheit und Kompetenz
zu erhalten, dass zu den erforderlichen Zertifikaten führt. In
einer zusätzlichen
Art und Weise gibt es Vorgänge,
die auf weniger als einer konstanten Basis durchgeführt werden.
Ohne den Vorgang häufig
durchzuführen,
hat die praktizierende Person keine Methode, um das hohe Maß an Fertigkeit
aufrecht zu erhalten, dass nur durch routinemäßige und häufige Leistung erhalten wird.
Ferner ist es nicht möglich,
neue Verfahren, Operationen und Vorgänge mit Ausnahme von an lebenden
Personen in die Tat umzusetzen. In einer entsprechenden Art und
Weise gibt es ein Bedürfnis
für ein
effektives Mittel zur Simulierung von Operationen im realen Leben,
zur Bereitstellung von einer taktilen Kraftrückmeldung und zur Simulierung
von einer Videobilddarstellung der internen Gegebenheit des Patienten und
des chirurgischen Hilfsmittels, wie sie in einer tatsächlichen
Operation erscheinen würden
und sich bewegen würden,
um eine Fertigkeit zu entwickeln und aufrecht zu erhalten, und um
neue Techniken in die Tat umzusetzen.
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Die
in der vorliegenden Erfindung einbezogenen Komponenten sind in manchen
Hinsichten ähnlich
zu Systemen für
Videosimulation, Systemen für
eine Schulung im medizinischen Bereich und Systemen für eine chirurgische
Schulung in einer minimal invasiven Art und Weise, die in der Vergangenheit
entwickelt wurden, und die folgenden umfassen:
| Erfinder | Patent-Nr. | Datum
der Erteilung |
| Kalawsky | 5
394 517 | 28.02.1995 |
| Cohen | 5
113 177 | 12.05.1992 |
| Olsen
u.a. | 5
012 342 | 30.04.1991 |
| Troxell | 4
975 770 | 04.12.1990 |
| Welsh
u.a. | 4
970 666 | 13.11.1990 |
| Walker
u.a. | 4
954 970 | 04.09.1990 |
| Gale | 4
952 024 | 28.08.1990 |
| Mecklenborg | 4
205 224 | 27.05.1980 |
| Hon | 4
907 973 | 13.03.1990 |
| Hon | 4
360 345 | 23.11.1982 |
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Kalawsky
offenbart ein computergesteuertes und integriertes Anzeigesystem
für eine
reale und virtuelle Umgebung mit zwei Videokameras, welche mit dem
Sichtfeld des Anwenders des Simulators übereinstimmen. Signale der
Videokameras werden analysiert, um die Präsenz der vorgegebenen Farbe
oder Intensität zu
ermitteln. Ein computererzeugtes Bild wird dann erzeugt und in dem
Sichtfeld positioniert, auf der Basis dessen, was oder was nicht
als in dem Sichtfeld vorliegend erfasst wird.
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Cohen
offenbart eine Vorrichtung für
ein Anzeigesystem, welches einem Piloten in einem Luftfahrzeug ermöglicht,
in einer simultanen Art und Weise ein Bild einer ausgewählten Anzeigeinformation
und eine Szene außerhalb
des Luftfahrzeugs während
schlechter Sichtverhältnisse
anzusehen. Ein kombiniertes Bild der äußeren Sicht und der Anzeige
wird auf dem Visier des Piloten präsentiert.
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Olsen
und andere offenbaren eine priorisierende Videoeinrichtung und ein
Mischgerät,
die ermöglichen,
dass zwei oder mehr Videoquellen, wie eine Inhouse-Datenterminalquelle
und eine Grafikenquelle für eine
Anzeige auf einem einzelnen Videomonitor vermischt werden.
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Troxell
offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der Konturen von Golfgrünflächen für TV-Übertragungen.
Ein Gittermuster von sich überschneidenden,
parallelen Linien wird über
die Golfgrünfläche projiziert, aufgenommen
und wird dann in einer simultanen Art und Weise mit der Übertragung
der Golfgrünfläche auf einen
TV-Bildschirm übertragen,
während
ein Spiel darauf stattfindet.
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Welsh
und andere offenbaren ein computergestütztes System zur Erzeugung
von hoch realistischen Videobildern, die das Erscheinungsbild einer
simulierten Struktur in einer tatsächlichen Umgebung abbilden, um
eine genaue Positionierung und Perspektive der Struktur bereitzustellen,
und um ein Rendern von Gebäuden
zu ermöglichen,
die in vorgeschlagenen Schauplätzen
vorzeitig gegenüber
der tatsächlichen
Konstruktion zu sehen sind. Eine Messung der tatsächlichen
Szene ist aus der Mitte der Ansicht und des Kamerastandpunktes erforderlich,
um das computererzeugte Bild in einer proportionsgetreuen Art und
Weise einzustellen.
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Walker
und andere offenbaren ein System zur Erzeugung von sich überlagernden
Bildern in einer raschen Art und Weise durch Farbmaltechniken unter
Verwendung eines Host-Computers mit einer geeigneten Operator-Schnittstelle
zur Erzeugung von Grafiken, und zur Manipulation von Überlagerungsbildern
in Bezug auf ein Hintergrundbild.
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Gale
offenbart ein dreidimensionales Sicht- und Geräuschreduktionsgerät für individuelle
Anwendungen. Ein Kopfgestell erzeugt visuelle Anzeigen in unmittelbarer
Art und Weise vor den Augen des Benutzers, und Lautsprecher erzeugen
Geräusche
in direkter Art und Weise an den Ohren des Benutzers, wobei ein
Benutzer in die Lage versetzt wird, in eine dreidimensionale und
virtuelle Realität
von Sicht und Geräusch
einzutauchen, für
eine verbesserte Erfahrung der Realität und für eine verbesserte Erfahrung
bei der Betrachtung.
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Mecklenborg
offenbart eine binokulare Betrachtungstechnik zur Ermöglichung
einer Simulation von Objekten, die mit einem verbesserten dreidimensionalen
Erscheinungsbild zu erkennen sind, in enger Anlehnung an einen Piloten
eines Flugsimulators. Diese Bilder, die den linken und rechten Augen
der Trainingsperson präsentiert
werden, sind gesonderte und unterschiedliche Bilder von jeweiligen
linken und rechten Anzeigesystemen, wobei diese Maßnahme ermöglicht,
dass die Größe, Form
und Ausrichtung jedes Bildes in einer gesonderten Art und Weise
kontrolliert wird.
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Das
Patent '345 von
Hon offenbart ein computergesteuertes interaktives Instruktionssystem,
um einem Individuum zu lehren, wie bei einer Wiederbelebung des
Herz-Lungen-Kreislaufs Hilfe zu leisten ist. Strukturiert in Richtung
eines Vergleichs einer Technik, die bei einem Dummy anzuwenden ist,
mit Hilfe von Standardindizien, die in dem Computerspeicher gespeichert
sind, schlägt
dieses System keine benutzerdefinierte invasive Ersatzbewegung innerhalb
des Subjekts vor. Ferner ist dieser Stand der Technik auf spezielle
Leistungen und externe Antworten ausgelegt und stellt keine vollständige uneingeschränkte Modellierung
der Umwelt von in einer potenziellen Art und Weise antreffbaren
Bedingungen dar.
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Das
Patent '973 von
Hon offenbart ein computergesteuertes interaktives Instruktionssystem,
um einem Individuum zu lehren, wie viele Arten von invasiven oder
semi-invasiven Vorgängen
auszuführen
sind. Dieses System umfasst die Benutzung eines simulierten Hilfsmittels
und ein physikalisches Modell zur Darstellung zumindest des Bereichs
eines Patienten, in welchem eine ausgewählte Prozedur auszuführen ist,
in einer physikalischen Art und Weise und in einer räumlichen
Art und Weise. Dieses Modell ist mit voneinander beabstandeten Sensoren,
Konstriktoren und anderen physikalischen Eigenschaften ausgerüstet, die
verwendet werden, um die physikalischen Eigenschaften einer internen
Gegebenheit eines Patienten nachzubilden.
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WO 96/16397 lehrt ein Computereingabegerät zum Simulieren
von medizinischen Prozeduren. Insbesondere ist das System an einen
länglichen
und flexiblen Gegenstand mit einem elektrischen System angekoppelt.
Das Gerät
ist dazu eingerichtet, um die Rotationsbewegung des Gegenstands
zu ermitteln. Wenngleich das Gerät
dazu vorgesehen ist, um mit einem System für eine virtuelle Realität zur Anwendung
gebracht zu werden, lehrt es keine einzige Methode des Integrierens
einer Wiedergabe des länglichen
und flexiblen Gegenstands im Zusammenhang mit einer tatsächlichen
visuellen Wiedergabe der internen Gegebenheit des Patienten.
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3. Lösung des Problems
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Keine
der Bezugsquellen aus dem Stand der Technik, die in der Suche aufgedeckt
wurden, zeigt ein Simulator für
einen in einer minimalen Art und Weise invasiven chirurgischen Eingriff
mit der Struktur gemäß der folgenden
Erfindung. Insbesondere kann dieses System zur Anwendung gebracht
werden, um eine Rückmeldung
der taktilen Kraft zu jedem Zeitpunkt des Vorgangs zu steuern, und
um die Simulation in einer dynamischen Art und Weise zu adaptieren,
so dass der praktizierende Arzt nicht daran gewöhnt wird, in den denselben
Orten dieselben Bedingungen in Erfahrung zu bringen, wie dies auch
niemals in einer realen Operation in Erscheinung treten würde. Ferner
umfasst keine der Bezugsquellen des oben zitierten Standes der Technik die
Realisierung von sowohl einer Anzeige des Hilfsmittels in einer
visuellen Art und Weise als auch einer Beeinflussung des Hilfsmittels
in einer taktilen Art und Weise innerhalb des Patienten, während die
interne Gegebenheit des Patienten durch den Vorgang der Atmung und
des Herzschlags in einer kontinuierlichen Art und Weise verändert wird.
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Anspruch
1 offenbart die Erfindung. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den
Ansprüchen
2–5 offenbart.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
System ist offenbart zum Produzieren von hoch realistischen, in
Echtzeit simulierten Operationsbedingungen für ein interaktives Training
von Personen, um in einer minimalen Art und Weise invasive chirurgische
Eingriffe auszuführen,
unter Einbeziehung von Hilfsmitteln, die durch schmale Einschnitte
in den Patienten eingeführt
und manipuliert werden. Das System umfasst ein Gehäuse mit
einer kleinen Öffnung.
Ein Hilfsmittel zur Simulierung eines chirurgischen Hilfsmittels
wird in die Öffnung
eingefügt
und gegenüber
dem Gehäuse
manipuliert. Eine Anordnung einer Bewegungsführung und eines Feldes von
Sensoren überwacht die
Position des Hilfsmittels gegenüber
dem Gehäuse
und stellt spezielle Daten der Position und der Ausrichtung des
Hilfsmittels innerhalb des Gehäuses
bereit. In einer ergänzenden
Art und Weise überwacht
die Anordnung der Bewegungsführung
und des Feldes von Sensoren die von der Trainingsperson auf das
Hilfsmittel aufgebrachte Kraft über
die gesamte Dauer der Simulation des Trainings hinweg. Unter Verwendung
einer Datenbank von Informationen zur Darstellung einer internen
Gegebenheit des Patienten und einer mit den Daten betriebenen Software,
erzeugt ein Computerprozessor ein Computermodell der internen Gegebenheit
des Patienten. Die Daten betreffend die Position und Orientierung
des Hilfsmittels werden durch den Prozessor mit Bezug auf dieses
Computermodell der internen Gegebenheit des Patienten interpoliert.
Mit Bezug auf dieses Computermodell, steuert der Prozessor das Auftreten
einer Rückmeldung
einer Kraft, die der Bewegung des Hilfsmittels entgegenwirkt. Ferner
wird durch ein Bildwiedergabesystem basierend auf dem Computermodell der
internen Gegebenheit des Patienten ein zweidimensionales Bild erzeugt,
welches das Hilfsmittel derart abbildet, wie es tatsächlich innerhalb
des Patienten erscheinen würde.
Dieses Computerbild des Hilfsmittels wird dann mit einer Videobildschleife
einer internen Gegebenheit eines lebenden Patienten zusammengefügt, wie es
durch einen synchronisierten Herzschlag und Atmungskreislauf erscheint.
Die zusammengefügten
Bilder werden dann auf einer Bildanzeige angezeigt.
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Ein
erstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine realistische
Simulation von Operationsbedingungen für einen in einer minimalen
Art und Weise invasiven Eingriff bereitzustellen, einschließlich einer
Rückmeldung
einer taktilen Kraft an jedem Punkt der Eingabe eines Hilfsmittels,
um zu ermöglichen,
dass sich die Simulation in einer realistischeren Art und Weise
an die Operationsbedingungen bei einem realen Patienten annähert.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine hoch realistische,
visuelle Abbildung des Operationsvorgangs bereitzustellen, wie er
bei tatsächlichen
Operationsbedingungen in Erscheinung treten würde, mit besonderem Augenmerk
auf die Veränderungen
der internen Gegebenheit des Patienten und der Position des Hilfsmittels,
wie sie bei dem natürlichen
Vorgang des Herzschlags des Patienten und der Atmung des Patienten
in Erscheinung treten würden.
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Noch
ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Simulation
für einen
in einer minimalen Art und Weise invasiven chirurgischen Eingriff
bereitzustellen, die in einer einfachen Art und Weise modifiziert werden
kann, um unterschiedliche Patienten oder Operationsvorgänge zu simulieren,
ohne die Notwendigkeit, die Anordnung für die physikalische Bewegungsführung und
die Sensoren in einer physikalischen Art und Weise zu modifizieren
oder zu verstellen.
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Diese
und andere Vorteile, Merkmale und Gegenstände der vorliegenden Erfindung
werden im Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung und
die Zeichnungen in einer noch einfacheren Art und Weise verständlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
in einer noch einfacheren Art und Weise verstanden werden.
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1 ist
ein vereinfachtes Diagramm zur Bereitstellung eines Überblicks
des vorliegenden Systems umfassend ein Hilfsmittel, eine Anordnung
von Sensoren, einen Prozessor und ein Bildanzeigegerät, um eine realistische
taktile und visuelle Umgebung für
das Training eines in einer minimalen Art und Weise invasiven chirurgischen
Eingriffs zu erzeugen.
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2 ist
eine oberseitige Ansicht im Querschnitt der Anordnung 10 der
Bewegungsführung
und der Sensoren, die mit dem Hilfsmittel 2 verbunden ist,
innerhalb des Gehäuses
1.
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3 ist
eine seitliche Ansicht im Querschnitt der Anordnung 10 der
Bewegungsführung
und der Sensoren, die mit dem Hilfsmittel 2 verbunden ist,
innerhalb des Gehäuses 1.
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4 ist
eine endseitige Ansicht im Querschnitt der Anordnung 10 der
Bewegungsführung
und der Sensoren, die mit dem Hilfsmittel 2 verbunden ist,
innerhalb des Gehäuses
1.
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5a ist eine seitliche Teilansicht der
Anordnung 10 der Bewegungsführung und der Sensoren, zur Veranschaulichung
der Verbindung der Komponente der gerahmten Anordnung 46 der
Anordnung 10 der Bewegungsführung und der Sensoren mit
einem Führungskabel 22,
das zur Erzeugung der Kraftrückmeldung
auf das Hilfsmittel 2 verwendet wird.
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5b ist eine seitliche Teilansicht der
Anordnung 10 der Bewegungsführung und der Sensoren, zur Bereitstellung
einer vergrößerten Ansicht
der Verbindung der gerahmten Anordnung 26 mit dem Führungskabel 22,
zur Darstellung des Sensors, der die relative Kraft misst, die auf
das Hilfsmittel 2 aufgebracht wird.
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6a, 6b und 6c sind Anzeigebilder zur Veranschaulichung
des zusammengefügten
Bildes des computererzeugten Hilfsmittels und des realen Videos
einer internen Gegebenheit des Patienten, wenn das Hilfsmittel 2 während des
Operationsvorgangs bewegt wird.
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7 ist
ein vereinfachtes Blockdiagramm zur Darstellung der Wechselwirkung
der Systemkomponenten.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Bei
Betrachtung der 1, umfasst das System zum Training
von Personen zur Durchführung
von in einer minimalen Art und Weise invasiven chirurgischen Eingriffen
ein Gehäuse 1,
umfassend die Anordnung 10 der Bewegungsführung und
der Sensoren (die nachstehend beschrieben wird), ein Hilfsmittel 2 zur
Simulierung eines chirurgischen Hilfsmittels, das in in einer minimalen
Art und Weise invasiven chirurgischen Eingriffen zur Anwendung gebracht
wird, einen Prozessor 3 zum Auswerten der Daten von dem
Sensor, einen Computer 4 enthaltend einen Videoprozessor,
und ein Anzeigegerät 5 zum
Bereitstellen einer visuellen Anzeige der internen Gegebenheit 6 des
Patienten mit einem computergenerierten, zweidimensionalen Bild 7 des Hilfsmittels 2,
wie es eingefügt
ist und während
des Eingriffs manipuliert wird. Wenngleich er in 1 als
gesondert dargestellt ist, kann der Prozessor 3 aber auch
auf eine einzelne Schnittstellenkarte für einen Computer beschränkt werden,
die in einer unmittelbaren Art und Weise innerhalb des Computers 4 angeordnet
wird. In jedem Fall sind die Sensoren innerhalb des Gehäuses 4 durch
eine Standardverkabelung 8 mit dem Prozessor 3 verbunden.
Es versteht sich von selbst, dass das Hilfsmittel 2, wie
es in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, ein Simulationsäquivalent
zu einem Katheter, einem Endoskop, einem Athroskop, einem Implantat
für eine
Herzschrittmachersonde oder einem anderen in einer minimalen Art
und Weise invasiven Werkzeug oder Hilfsmittel sein kann, das in
einer gewöhnlichen
Art und Weise zur Anwendung gebracht wird. Der Computer 4 ist
als Computer von einer herkömmlichen
Bauart mit einem Pentiumprozessor zu verstehen, mit einem herkömmlichen
Speicher und Speichermitteln. Das Anzeigegerät 5 ist als Vi deomonitor
von einer herkömmlichen
Bauart zu verstehen und kann vom Format NTSC, PAL, VGA oder SVGA
sein.
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In
den 2 und 3 ist die Konfiguration der
Anordnung 10 der Bewegungsführung und der Sensoren innerhalb
des Gehäuses 1 bei
der Betrachtung von der Oberseite (2) und von
der Seite (3) dargestellt. Das Hilfsmittel 2 wird
durch eine Öffnung 9 in
das Gehäuse 1 eingefügt. Zur
Simulierung eines echten in einer minimalen Art und Weise invasiven
chirurgischen Instruments, kann das Hilfsmittel 2 in einer
axialen Art und Weise (oder in einer seitlichen Art und Weise) und
in einer rotierbaren Art und Weise gegenüber dem Gehäuse 1 bewegt werden.
Die inneren Komponenten des Hilfsmittels 2 können ebenfalls
in einer unabhängigen
Art und Weise von dem Hilfsmittel 2 als Ganzes bewegt werden.
Das freie Ende des Hilfsmittels 2 innerhalb des Gehäuses 1 ist
an eine Anordnung 10 einer Bewegungsführung und Sensoren befestigt
(siehe 2 und 3). Diese Anordnung 10 der
Bewegungsführung
und der Sensoren dient dazu, die Bewegung des Hilfsmittels 2 innerhalb
des Gehäuses 1 einzuschränken, und
um eine genaue Messung des Hilfsmittels 2 gegenüber dem
Gehäuse 1 zu
bewerkstelligen.
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In
der vorliegenden Erfindung wird dies bewerkstelligt durch Verwendung
einer gerahmten Anordnung 46, an welcher Rotationssensoren 18 und 19,
eine Blattfeder 30, ein Sensor 31 für die aufgebrachte
Kraft und ein Befestigungsarm 29 fixiert sind (wobei jeder
dieser Komponenten weiter unten erläutert wird). Die gerahmte Anordnung 46 ist
wiederum an parallelen Führungsschienen 11 und 12 montiert,
und ist an ein Führungskabel 22 angeschlossen,
wie in 3 gezeigt ist. Die Führungsschienen 11 und 12 werden
von zwei parallelen Flächen 13 und 14 getragen,
die in einer senkrechten Ausrichtung zur Basis des Gehäuses 1 angebracht
sind. In einer kollektiven Art und Weise bilden die gerahmte Anordnung 46 mit
den oben beschriebenen Komponenten, das Führungskabel 22 und
die Führungsschiene 11 und 12,
die Anordnung 10 der Bewegungsführung und der Sensoren.
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Die
Eigenschaft und die Gestaltung des Hilfsmittels 2 ist derart,
dass es flexibel ist, um die Arterie, die Vene oder einen anderen
internen Raum, durch welchen es in einen realen Patienten eingeführt wird,
in einer einfachen Art und Weise zu biegen und sich demgegenüber anzupassen.
Zu Zwecken der Simulation des Operationsvorgangs im Rahmen der vorliegenden
Erfindung, ist es notwendig, nur die präzise Tiefe der Einführung ebenso
wie die Ausrichtung des Hilfsmittels 2 zu kennen. Zu diesem
Zweck, in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
wird die gesamte lineare Bewegung des Hilfsmittels 2 auf
eine einzelne Achse innerhalb des Gehäuses 1 eingeschränkt. Diese
Einschränkung
hinsichtlich der axialen Bewegung dient weiter dazu, die Reibung zu
verringern, die die Bewegung des Hilfsmittels beeinträchtigt,
indem die Komponenten zur Steuerung der Bewegung minimiert werden.
Endbegrenzungsschalter 15 sind an jedem Ende der Führungsschiene 11 angeordnet,
und werden dazu verwendet, um die Position der Anordnung 10 der
Bewegungsführung
und der Sensoren vor dem Start jeder Operationssimulation zurückzustellen.
Die Endbegrenzungsschalter 15 sind durch Kabel 16 an
den Prozessor 3 angeschlossen. In einer alternativen Art
und Weise kann einer oder können
beide Endbegrenzungsschalter 15 an der sich bewegenden
Anordnung 10 der Bewegungsführung und der Sensoren befestigt
sein. Die Kalibrierung der Zurückstellung
auf den Nullwert kann ebenfalls mit dem Bewegungs-Positionssensor 17 bewerkstelligt
werden.
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Eine
Drehung des Hilfsmittels 2 oder der internen Komponenten
des Hilfsmittels 2 wird durch axiale Drehsensoren 18 und 19 erfasst,
die in einer zum freien Ende des Hilfsmittels 2 nahe liegenden
Art und Weise angeordnet sind und die an der gerahmten Anordnung 46 fixiert
sind. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
wie abgebildet, sind diese Rotationssensoren 18 und 19 ebenso
wie der Bewegungs-Positionssensor 17 herkömmliche
Anordnungen von optischen Sensoren. Jedoch versteht es sich von
selbst, dass diese durch Potentiometer, magnetische Sensoren und
andere herkömmliche
Rotationssensoren ersetzt werden können. Die Rotationssensoren 18 und 19 sind
durch Kabel 20 und 21 an den Prozessor 3 angeschlossen.
Sämtliche von
dem Gehäuse 1 zur
Bearbeitungseinheit 3 reichenden Kabel werden zu einem
Gemeinschaftskabel 8 gebündelt, wie in 1 gezeigt
ist.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
das in den 2 und 3 dargestellt
ist, ist ein Führungskabel 22 gegenüber den
Führungsschienen 11 und 12 und
gegenüber
der montierten, gerahmten Anordnung 46 positioniert. Das
Führungskabel 22 wandert über eine
frei laufende Riemenscheibe 21 und über eine Riemenscheibe 24,
die an einem Servomotor 25 und einem Bewegungssensor 17 montiert
ist, um eine kombinierte Riemenscheiben-Servo-Sensor-Einheit 26 auszubilden.
Weil es der Zweck des Servomotors ist, eine resistive Drehmomentkraft
auf das Führungskabel
auszuüben
(wie nachstehend in einer vollständigeren
Art und Weise beschrieben wird), versteht es sich von selbst, dass
ein Schrittmotor, ein variables Kupplungssystem oder ein anderes
System zur Verzögerung
der Bewegung zur Anwendung gebracht werden kann. Wie in den 2 und 3 veranschaulicht
ist, ist eine Riemenscheibe 23 an der senkrechten Lagerfläche 13 befestigt und
die Riemenscheiben-Servo-Sensor-Einheit 26 ist an der senkrechten
Lagerfläche 14 fixiert,
um eine horizontale Positionierung des Führungskabels 22 zu
erreichen, in der Nähe
der Komponente der gerahmten Anordnung 46 der Anordnung 10 der
Bewegungsführung
und der Sensoren. In der Alternative könnte die Riemenscheibe 24 an
der Lagerfläche 14 fixiert
sein und die Riemenscheiben-Servo-Sensor-Einheit 26 könnte an der
Lagerfläche 13 fixiert
sein, ohne Auswirkung auf die vorliegende Erfindung. Der Servomotor 25 wird
durch Kabel 27 von dem Prozessor 3 gesteuert.
Der Bewegungssensor 17 ist durch Kabel 28 mit
dem Prozessor 3 verbunden.
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Die
Anordnung 10 der Bewegungsführung und der Sensoren ist
mittels eines Befestigungsarms 29 und einer Blattfeder 30 an
dem Führungskabel 22 befestigt
(siehe 4, 5a und 5b). Eine axiale Bewegung des Hilfsmittels 2 überträgt eine
Bewegung auf den Abschnitt der gerahmten Anordnung 46 der
Anordnung 10 der Bewegungsführung und der Sensoren, welcher
wiederum über
den Befestigungsarm 29 und über die Blattfeder 30 und
eine Drehung der Riemenscheiben-Servo-Sensor-Einheit 26 eine
Bewegung auf das Führungskabel 22 überträgt. Eine
Kraftrückmeldung
auf das Hilfsmittel 2 wird durch Aufbringen einer gegenläufigen Torsionskraft
zur Drehung der Riemenscheiben-Servo-Sensor-Einheit 26 bewerkstelligt.
Wenn dieser Servomotor 25 in Eingriff genommen wird, um
die die Bewegung verhindernde Torsionskraft aufzubringen, resultiert
eine Bewegung des Abschnitts der gerahmten Anordnung 46 der
Anordnung 10 der Bewegungsführung und der Sensoren gegenüber dem
stationären
Führungskabel 22 in
einer Auslenkung der Blattfeder 30. Die Auslenkung der
Blattfeder 30 wird durch einen Sensor 31 für die aufgebrachte
Kraft gemessen (siehe 5 und 5a). Die Anbringung des Sensors 31 für die aufgebrachte
Kraft an der wandernden, gerahmten Anordnung 46 erlaubt,
dass eine Kraftrückmeldung
auf das Hilfsmittel 2 zu jedem Zeitpunkt oder in jeder
Position während
einer axialen Bewegung des Hilfsmittels 2 übertragen
wird, so häufig,
wie es für
die Simulation verlangt wird. In einer zusätzlichen Art und Weise ermöglicht die
dynamische Positionierung des Sensors 31 für die aufgebrachte Kraft,
die durch die Bewegung der Anordnung 10 der Bewegungsführung und
der Sensoren eingeleitet wird, dass die Simulation ohne Notwendigkeit
einer physikalischen Einstellung der Position des Sensors 31 der
aufgebrachten Kraft oder der Riemenscheiben-Servo-Sensor-Einheit 26 zur
Einleitung der Rückmeldung
verändert
werden kann.
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In
den 4, 5a und 5b ist ein detaillierter Querschnitt der
Anordnung 10 der Bewegungsführung und der Sensoren dargestellt.
Die Rotationssensoren 18 und 19 sind innerhalb
der gerahmten Anordnung 46 positioniert und befinden sich
in der Nähe
des Hilfsmittels 2. Der Befestigungsarm 29, die
Blattfeder 30 und das Führungskabel 22 erscheinen
in dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel als positioniert.
Eine Veränderung
hinsichtlich der Position, Ausrichtung oder der Verbindungsmittel
zwischen der Anordnung 10 der Bewegungsführung und
der Sensoren und dem Führungskabel 22 verändert die
Leistung der vorliegenden Erfindung nicht. Zusätzliche Rotationssensoren oder
Bewegungssensoren können
einbezogen werden. Insbesondere können zusätzliche Sensoren verwendet
werden, um die Position und die Drehung von einzelnen Komponenten
innerhalb der Anordnung des Hilfsmittels zu überwachen (z.B. bei Operationssimulationen
unter Einbeziehung der Säuberung
von blockierten Durchgangswegen innerhalb des Körpers, wird das Simulationshilfsmittel
eine Bohrkomponente oder eine Stichkomponente enthalten). Es versteht
sich von selbst, dass die Einbeziehung von zusätzlichen Rotationssensoren
und bzw. oder zusätzlichen
Anordnungen der Bewegungsführung
und der Sensoren für
zusätzliche
simulierte Hilfsmittel oder interne Komponenten der Hilfsmittel
den Operationsvorgang gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht verändert,
sondern eher beabsichtigte Variationen der vorliegenden Erfindung
darstellt, um vorteilhafte Simulationen mit aufzunehmen.
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In
den 5a und 5b sind
die Blattfeder 30 und der Sensor 31 der aufgebrachten
Kraft gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
abgebildet. Es gibt viele gegenwärtige
Verfahren zum Ermitteln der aufgebrachten Kraft, und die Verwendung
einer Blattfeder 30 und eines Sensors 31 für die aufgebrachte
Kraft in der Gestalt eines magnetischen Sensors, wie in dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel
dargestellt, sind nicht dafür
vorgesehen, alternative Messmittel für die aufgebrachte Kraft auszuschließen. Der
Sensor 31 für
die aufgebrachte Kraft ist durch ein Kabel 32 an den Prozessor 3 angeschlossen.
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In
den 6a, 6b und 6c wird das zusammengefügte Bild eines tatsächlichen
Videos der internen Gegebenheit 6 eines Patienten und des
computererzeugten, zweidimensionalen Bildes 7 des Hilfsmittels 2,
wie es durch eine Simulation manipuliert wird, auf einem Anzeigegerät 5 angezeigt.
Um ein Computermodell der internen Gegebenheit 6 des Patienten
zu erzeugen, wird ein tatsächliches
Video eines lebenden Patienten verwendet. Bei einem normalen Patienten,
weisen der Atmungszyklus und der Herzschlagzyklus unterschiedliche Raten
auf, was die gewöhnliche
Erscheinung von mehreren Herzschlägen für jeden Atmungszug zur Folge hat.
Die Atmung beeinträchtigt
in einer unmittelbaren Art und Weise die Größe und die Konfiguration einer
internen Gegebenheit eines Patienten in einer kontinuierlichen Art
und Weise. Ähnlich
dazu überträgt der Herz schlag
einen repititiven Effekt auf die interne Gegebenheit; jedoch ist
der kombinierte Effekt ziemlich wechselhaft, wenn während des
Atmungszyklus der Herzschlag in Erscheinung tritt.
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Ein
Videorahmenbild zur Darstellung des simultanen Starts eines Atmungszyklus
und eines Starts eines Herzschlags wird anhand des tatsächlichen
Videos identifiziert. Ähnlich
dazu wird ein Videorahmenbild zur Darstellung des simultanen Endes
eines Atmungszyklus und eines Ende eines Herzschlags anhand des
tatsächlichen
Videos identifiziert. In Abhängigkeit
von einem lebenden Patienten, kann dieses zweite Rahmenbild des
in einer synchronisierten Art und Weise endenden Herzschlags- und
Atmungszyklus bei einem oder mehreren Atemzügen nach dem Beginn der Atmung
in Erscheinung treten. Mit diesen identifizierten Rahmenbildem des
Videos ist es anschließend
möglich,
eine sich wiederholende Schleife eines Videos zu erzeugen, indem
die synchronisierten Rahmenbilder zusammengefügt werden.
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Die
Videoschleife erzeugt dann eine visuelle Abbildung der internen
Gegebenheit, wie sie durch den normalen Vorgang der Atmung und des
Herzschlags beeinträchtigt
wird. Diese Videoschleife wird digitalisiert und als eine Computervideodatei
in einem herkömmlichen
Speichergerät
innerhalb des Computers 4 gespeichert.
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Aus
dieser Videoschleife werden Videobilder der internen Gegebenheit
des Patienten in Zuständen
in einer vollständig
expandierten Art und Weise und in Zuständen in einer vollständig kontrahierten
Art und Weise identifiziert, und die Durchgangswege der Arterien,
Venen und internen Strukturen werden im Einklang mit der zu simulierenden
Operation identifiziert. Die Positionen dieser internen Strukturen,
Arterien und Venen werden dann mit einem Computerdekodiergerät, wie einem
Lichtstift, Plotter oder einem anderen Gerät nachverfolgt, um eine Datenbank
von Randpunktpositionen für
die internen Strukturen zu erzeugen. Aus diesen Randpunkten bestimmt
dann ein mathematischer Algorythmus alle Anschlagspositionen für die internen
Strukturen innerhalb der Grenzen, im Einklang mit den Zyklen des
Herzschlags und der Atmung (z.B. durch lineare Interpolation etc.).
Diese Datenbasis von Randpunkten und Anschlagspositionspunkten für die internen
Strukturen wird dann von einer mit Daten betriebenen Software und
dem Computerprozessor 3 verwendet, um ein Arbeitscomputermodell
der internen Gegebenheit des Patienten zu erzeugen.
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Die
Sensordaten von den Rotationssensoren 18 und 19 und
dem Bewegungs-Positionssensor 17 werden dann durch den
Prozessor 3 interpoliert, und die Positionskoordi naten
für eine
computererzeugtes, zweidimensionales Bild des Hilfsmittels 2 werden
berechnet. Die berechneten Werte für dieses zweidimensionale Bild
des Hilfsmittels 2 werden dann von einem Videoabbildungsprozessor
verwendet, der innerhalb des Computers 4 enthalten ist,
um ein zweidimensionales Bild 7 des Hilfsmittels 2 zu
erzeugen. Das zweidimensionale Bild 7 des Hilfsmittels 2 wird
dann mit jedem Rahmenbild der Videoschleife zusammengefügt, um die
interne Gegebenheit 6 des Patienten abzubilden. In dieser
Art und Weise ist es möglich,
alle Positionen der internen Strukturen und die Bewegung des Hilfsmittels 2 zu
simulieren, wenn die simulierte Operation ausgeführt wird, in derselben Art
und Weise wie sich die internen Strukturen und das Hilfsmittel 2 in
einem realen Patienten bewegen würden.
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Das
zusammengefügte
Bild der internen Gegebenheit 6 des Patienten und des computererzeugten, zweidimensionalen
Bildes 7 des Hilfsmittels 2 wird dann auf dem
Anzeigegerät 5 präsentiert,
in einem Format, das mit den Eigenschaften des Anzeigegerätes (z.B.
NTSC, PAL, VGA oder SVGA) konsistent ist, wie in den 6a, 6b und 6c gezeigt ist. Die Standardinformationen
betreffend die Lebenszeichen des Patienten können ebenfalls auf dem Anzeigegerät 5 dargestellt
werden.
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In 7 wird
die Wechselbeziehung zwischen den Systemkomponenten dargelegt. Es
gibt zwei Subsysteme, ein elektrisches Subsystem 39 und
ein mechanisches Subsystem 40. Jedes der in dem mechanischen
Subsystem 40 abgebildeten Elemente ist innerhalb des Gehäuses 1 enthalten.
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Bei
Betrachtung des elektrischen Subsystems 39, ist das Verhältnis der
die Sensoren aufnehmenden Komponenten dargestellt. Als gesonderte
Komponenten dargestellt, wird die Kraftrückmeldungskarte 33 in Verbindung
mit den Endbegrenzungsschaltern 15 verwendet, um einen
Nullpunkt der axialen Bewegung der Simulation einzustellen und um
die Riemenscheiben-Servo-Sensor-Einheit 26 (2 und 3),
die hier als FFB-Motor 41 abgebildet ist, zu steuern. Die
analoge Prozessorkarte 34 ist verantwortlich für die Überwachung der
auf das Hilfsmittel 2 aufgebrachten Kraft, wie von dem
Sensor 31 für
die aufgebrachte Kraft mitgeteilt wird (3, 4, 5a und 5b).
Diese überwachte
Kraft wird über
die Verbindungs-Rückwandleiterplatine 42 zur Kraftrückmeldungskarte 33 kommuniziert.
Die Dekodierkarte 35 für
das Eindringen des Hilfsmittels 2 ist verantwortlich für die Überwachung
der axialen Bewegung des Hilfsmittels 2 gegenüber dem
Gehäuse 1.
In den 2 und 3 als Bewegungssensor 17 identifiziert,
informiert der Sensor 43 für die Eindringtiefe die Dekodierkarte 35 für das Eindringen
des Hilfsmittels 2 über
jede von dem Hilfsmittel 2 ausgeführte axiale Bewegung. Diese
Information wird über
die Verbindungs-Rückwandleiterplatine 42 und über eine
Computerschnittstellenkarte 38 an den Prozessor 3 kommuniziert.
Die Dekodierkarte 36 für
die Rotation des Hilfsmittels 2 ist verantwortlich für die Überwachung
der axialen Rotation des Hilfsmittels 2 gegenüber dem
Gehäuse 1,
wie durch den Rotationssensor 18 in den 2, 3, 4 und 5a mitgeteilt wird, welcher als der Rotationssensor 44 des Hilfsmittels
in 7 abgebildet ist. In bestimmten Eingriffen, kann
das Hilfsmittel 2 eine interne Komponente wie eine Stichkomponente,
eine Bohrkomponente oder beides aufweisen, die in einer unabhängigen Art
und Weise von dem Hilfsmittel 2 selbst gedreht werden können. Für weitere
Anwendungen auf zahlreiche Simulationen, ist der notwendige Rotationssensor 19 in
den 2, 3, 4 und 5a, der als der Bohrungsrotationssensor 45 in 7 identifiziert
ist, in der vorliegenden Erfindung enthalten und ist mit einer Dekodierkarte 37 für eine Bohrerrotation
verbunden. Der Bohrerrotationssensor 45 funktioniert in
einer ähnlichen
Art und Weise zu dem Rotationssensor 44 des Hilfsmittels.
Die Bohrerdekodierkarte 37 funktioniert in einer ähnlichen
Weise zu der Dekodierkarte 36 für die Rotation des Hilfsmittels.
Die Systemdiagnose- und Computerschnittstellenkarte 38 ist
verantwortlich für
die Abgleichung sämtlicher
Informationen zwischen den Komponenten des elektrischen Subsystems 39,
wie sie von dem mechanischen Subsystem 40 gesammelt werden,
und für
den Anschluss an den Prozessor 3. Wenngleich sie als gesondert
abgebildet sind, können
die Komponenten des elektrischen Subsystems 39 in einer
oder mehreren logischen Komponenten kombiniert werden und entweder
in dem mechanischen Subsystem oder dem Computer oder beidem angeordnet
werden. In einer kollektiven Art und Weise ermöglichen die Komponenten des
elektrischen Subsystems 39 und des mechanischen Subsystems 40,
wenn sie an den Prozessor 3 angeschlossen sind, dass der
Prozessor 3 die Position und das Auftreten einer taktilen
Rückmeldungskraft
steuert. In einer alternativen Art und Weise wird eine weitere Verringerung hinsichtlich
der Größe der elektrischen
Komponente ein elektrisches Subsystem produzieren, das als eine
einzelne Computerschnittstellenplatine mit einem platineneigenen
Prozessor behandelt werden kann. Eine solche Platine kann dann innerhalb
des Computers 4 angeordnet werden, unter Eliminierung eines
erforderlichen äußeren Raums
für das
gesonderte elektrische Subsystem 39.
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Die
obige Offenbarung legt eine Anzahl von Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Andere Anordnungen oder Ausführungsbeispiele, die nicht
in einer präzisen
Art und Weise dargelegt sind, können
entsprechend der Lehren der vorlie genden Erfindung und wie in den
folgenden Ansprüchen
dargelegt ist, praktiziert werden.