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Entwicklung eines Endoskopiesimulators mit spezieller

1. Abbildung 5 2 Um eine gr ere Realit tstreue und die neuen Trainingsmethoden zu realisieren muss sowohl die hier gezeigte Haptik als auch die zugeh rige Ansteuerung des EndoSim Koloskopiesimulators so erweitert werden dass sowohl ein aktives Force Feedback als auch eine Positionierung auf allen vier Freiheitsgraden erm glicht wird 5 3 Elektronik Neben der Umstellung der drei vorhandenen Antriebe auf ein besseres Konzept und der Entwicklung eines v llig neuen Antriebs sind nderungen und Erweite rungen an der Ansteuerung erforderlich Die daf r notwendigen Neuerungen an der Elektronik und an der Software werden zusammen mit den f r die anderen Ziele vorzunehmenden Arbeiten betrachtet 5 3 1 Aufgaben der Elektronik Da die zentrale Einheit zwischen Stromversorgung Computer Motor und Enco der eine elektronische Schaltung ist sollen unter dem Begriff Elektronik bei den weiteren Betrachtungen die folgenden Aufgaben zusammengefasst werden 86 EndoSim 5 4 Software e Stromversorgung der Motoren tiber eine geeignete Ansteuerung e Auslesen der Encoder und das Ubertragen der aktuellen Position zum Com puter e Ubertragung der Anweisungen vom Computer tiber die Ansteuerungen auf die Motoren 5 3 2 Erforderliche Neuentwicklungen Die vorhandenen Elektroniken zur Ansteuerung der Handradantriebe k nnen bei behalten werden Wie im n chsten Kapitel noch ausf hrlich gezeigt wird m s
2. 211 10 12 16 17 22 32 35 41 43 52 54 61 63 65 67 69 74 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 1 Haptik fiir exaktes Positionieren und aktives Force Feedback 2 Neue Anordnung von Vorschubmotor Zahnrad und Zahnriemen ON 3 Der verz gerungsfreie und verschleiBarme Direktantrieb 4__ Aktives Drehmoment auf Schlauchachse ber Getriebemotor Technische Zeichnung des neuen Force Feedback Ger tes nN 6 bertragung der Drehbewegung ber eine Klauenkupplung 7 Mechanische und elektrische Kopplung des Rotationsmotors 8 Schnittstellenkarten an Servoverst rker und Positionssteuerungen 9 Rotation ber Servoverst rker und Schnittstellenkarte ansteuern 7 3 Leistungsbewertung des Einf hrens anhand eingesetzter Kr fte 4 Leistungsbewertung des Einf hrens anhand der ben tigten Zeit 7 5 Anzeige der Untersuchungsdauer und des Aufenthalts 1m Lumen oe 1 Auf das Mesocolon wirkende Kr fte 2 2 2 2 2 2 2 2 2 oe 2 Haptik ge ffnet ohne Endoskopschlauch oe 3 Positionierung durch Erweiterung der Kraftregelung Ol Aufzeichnung einer Bewegungsabfolge im Record Modus 2 Bewegter Schriftzug zeigt Wiedergabe bei Programmstart an 3 Steuerung der Wiedergabe ber den Bedienbereich 4 Endoskopschlauch mit Bowdenz gen zur Bewegung der Spitze Bestimmen des Kr mmu
3. Abbildung 9 9 Beispiel einer Optimierung anhand des erreichbaren Bereiches Die aktuelle Position nach einer Bewegung ist schwarz dargestellt der gr tm gliche erreich bare Bereich umfasst zus tzlich die grauen Felder Je weniger Schritte noch auszuf hren sind desto kleiner ist der Weg welcher maximal in den Colon hinein oder heraus f hren kann Dies f hrt zu einer zunehmenden Beschr nkung und damit zur Verringerung von Verbesserungsm glichkeiten Damit steigt die Wahrscheinlichkeit dass nach Vergleich der Kr fte die w hrend des durchgef hrten Teils einer Abfolge aufgetreten sind mit den g nstigsten bisher erzielten Werten im erreichbaren Bereich abgebrochen werden kann Je weiter die Berechnung der Abfolge schon fortgeschritten ist desto klei ner ist die Anzahl der noch folgenden Bewegungen und damit der zu erreichen de Bereich Abb 9 9p Anhand des Vergleichs der Kr fte die w hrend des bisherigen Teils der Abfolge aufgetreten sind mit den g nstigsten Ergebnissen der Zielpositionen die in dem eingeschr nkten noch erreichbaren Bereich liegen 176 EndoSim 9 2 Automatische Hilfe und F hrung wird entschieden ob eine Verbesserung m glich ist und daher die Berechnung der Abfolge weiter verfolgt wird oder ob abgebrochen wird da keine bessere L sung m glich ist Je fr hzeitiger Berechnungen aufgrund von deutlichen Kraft unterschieden zwischen verschiedenen Wegen abgebrochen werden k nnen u
4. Abbildung 9 15 Die optische Ausgabe der Hilfe von EndoSim zeigt durch nacheinan der blinkende Pfeile bzw eine rotierende Walze den Weg der mit minimalem Widerstand ins K rperinnere f hrt In der ersten Zeile wird empfohlen den Endoskopschlauch hinein zu schieben und dann im Uhrzeigersinn zu drehen von links nach rechts In der zwei ten Zeile werden verschiedene Bewegungen mit den Handr dern f r die Ausrichtung der Endoskopspitze vorgeschlagen ee Sa 183 Kapitel 10 Ruckblick und Ausblick Immer soll nach Verbesserung des bestehenden Zustands gestrebt werden keiner soll mit dem Erreichten sich zufriedengeben sondern stets danach trachten seine Sache noch besser zu machen Robert Bosch 1940 Erfinder und Industrieller Zum Abschluss dieser Arbeit werden aus der Betrachtung des Erreichten Emp fehlungen fiir weitere Schritte angeregt Mit einem kurzen Ausblick zu weiteren interessanten Entwicklungsm glichkeiten schlie t dieses Kapitel 185 10 R ckblick und Ausblick 10 1 R ckblick 10 1 1 Anforderungen In der vorliegenden Arbeit wurde zun chst die zunehmende Bedeutung der mi nimal invasiven Medizin anhand des Teilgebietes Koloskopie dargestellt Nach Darlegung des Nutzens dieser endoskopischen Methode u a zur Krebsvorsorge wurden Probleme die sich bei der Anwendung dieser Technik ergeben beleuch tet Die weiteren Betrachtungen f hrten zu der Schlussfolgerung dass die meisten Schwieri
5. e Diese Statistiken sind kritisch auf fortlaufende Qualit tsverbesserungen zu berpr fen e Es ist laufend Buch ber das kognitive Training zu f hren welches durch die Teilnahme an Ausbildungsaktivit ten erfolgt Moorthy et al 2004 lehnt ab F higkeiten anhand der Anzahl durchgef hrter Untersuchungen festzulegen da Versuche von 2001 gezeigt h tten dass es trotz vergleichbarer Erfahrung betr chtliche Unterschiede in der Leistung gebe Auch die American Society for Gastrointestinal Endoscopy 2002 geht da von aus dass die Lernfortschritte stark vom Auszubildenden abh ngig sind Probleme Einerseits fordert die American Society for Gastrointestinal Endoscopy 2002 das Heranziehen von objektiven Kriterien zur Beurteilung ob der Auszubildende ei ne ausreichende Kompetenz erlangt hat andererseits fehlen bisher standardisierte oder objektive M glichkeiten F higkeiten zu berpr fen vgl 2000 Unabh ngig davon ob das K nnen w hrend der Ausbildung zum Abschluss derselben oder zur fortlaufenden Qualit tssicherung berpr ft werden soll ergibt sich daher das Problem objektive Kriterien festzulegen anhand derer die Kom petenz eines Endoskopikers getestet werden kann Als solche Kriterien k nnen u a die erreichte Eindringtiefe die Untersuchungszeit und die Komplikationsrate herangezogen werden vgl Cass 1993 Traverso 2002 Einschr nkend f r das Assessment ist jedoch dass die Schwierig
6. 191 10 3 RZ sae Seo 22 ae Here rn ee ae ne a Be ee Be BR a 192 XIV A Abk rzungsverzeichnis B Anmerkungen B l Rechtschreibung B2 Side d are ee B 3 Quellenbelege C_Softwaremodule C I Haptik soak oe ee ee C 2 Grafik 0 020 C 3 Akustik 0202 EREERRERE FERN ne D 4 Bestimmung der Drehmatrix Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis XV 195 199 199 199 199 201 201 201 201 203 203 206 207 208 213 265 Kapitel 1 Motivation Endoskopie zu griech skopein betrachten die pijen diagnost Verfahren zur Untersuchung Spiegelung von K rperh hlen und kan len Definition aus dem Brockhaus 2006c Mit der Geschichte der Einf hrung des erst k rzlich wiederentdeckten ersten Endoskops und der Darstellung einer heute als Vorsorgeuntersuchung wichtig ge wordenen endoskopischen Untersuchung Koloskopie wird die Besch ftigung mit diesem Gebiet der Medizin motiviert 1 Motivation 1 1 Entstehung der Endoskopie Abbildung 1 1 Selbstbildnis von Bozzini 1773 1809 und Kupferstich des Lichtleiters Im Juni 1805 wurde an einem Privatentbindungsinstitut in Halle eine Kolpo skopie Spiegelung der Vagina in einem Kreis von Hochschullehrern und rzten vorgef hrt vgl Reuter 2006 Diese erste dokumentierte endoskopische Untersu chung wurde erm glicht durch den Lichtleiter erfunden von Philipp Bozzini In
7. Pott 2004 Daher ist es g nstig w hrend des Einf hrens des Endoskopes die Darmwand nicht mit der Endoskopspitze zu ber hren Dies gilt auch f r die Untersuchung der Mucosa welche beim Zur ckziehen des Endoskops erfolgt Um dabei eine gute Sicht zu haben und diese durch ein sauberes Objektiv zu erhalten ist es hierbei besonders wichtig das Endoskop im Lumen zu halten d h Ber hrungen mit der Darmwand zu vermeiden Aus diesen beiden Gr nden ist die prozentuale Zeit des Endoskops im Lumen ein weiterer Indikator f r die Leistungsf higkeit des Ausf hrenden Als Zeiten mit Darmber hrung werden solche gez hlt w hrend deren die En doskopspitze in der Simulation die Darmwand ber hrt oder in sie eindringt was in der Realit t einem Eindr cken der Darmwand entspricht F r zwei F lle wurde implementiert dass neben der Zeit der Anteil mit Sicht sowohl absolut als auch prozentual bestimmt wird Einmal f r die gesamte Untersuchung und ein weite res mal wegen der besonderen Bedeutung f r das Erkennen von Ver nderungen in der Mucosa nur f r den R ckweg Am Ende der Untersuchung werden die Werte der beiden F lle ber extra Fenster ausgegeben Abb 75 EndoSim Statistische Daten 2 X EndoSim Statistische Daten Die f r das Zur ckziehen des Endoskops bis zum Rektum ben tigte Die f r die gesamte Untersuchung ben tigte T Zeit betr gt 5 Minuten und 28 Sekunden T Zeit betr gt 11 Minuten und 5 Sekund
8. Der simulierte Darm wurde unter Verwendung eines schweizer Visible Human Projekts als zweidimensionales Netz modelliert und mit Begrenzungsboxen f r eine schnelle Kollisionserkennung ausgestattet vgl Vollenweider 2000 Loka le und globale Verformungen des Darmes durch das Koloskop werden getrennt 63 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren berechnet Die dabei auftretenden Kr fte werden mit Hilfe eines Feder Masse Models in Bewegungen umgesetzt vgl Spaelter et al 2003 Das Koloskop wird als Kette von Elementen simuliert wobei die Positionen der Verbindungen unter Verwendung inverser Kinematik berechnet werden Baerlocher und Boulic 2004 Haptik Die berechneten Kr fte werden ber ein Force Feedback Ger t ausgegeben wel ches das Einf hren von Originalger ten erlaubt Abb 3 8 ber zwei Moto ren wird ein Differentialgetriebe angetrieben Bewegen sich beide Motoren mit gleicher Geschwindigkeit wird der Schlauch gedreht Bewegen sich die Moto ren unterschiedlich schnell wird die Differenz in eine Vorw rtsbewegung umge setzt Die bertragung der Bewegungen erfolgt durch Reibung auf den Schlauch der zwischen zwei rundlaufenden Riemen eingequetscht liegt Bei der Translation werden 44N und bei der Rotation 2 2 Nm erreicht vgl 2005 Kritische Betrachtung Ob die Simulation und das Force Feedback des Koloskopiesimulators f r den Ein satz als Trainingsger t realistisch genug sind wurde
9. ISBN 3 4111 0060 5 150 000 Stichw rter 24 B nde plus DVD ROM T 245 LITERATURVERZEICHNIS Milde 2007 MILDE R Programmieradapter fiir Atmel AVR Prozessoren Internet http rumil de hardware avrisp html Version August 2007 Moix et al 2006 Molx T ILIC D BLEULER H ZOETHOUT J A haptic device for guide wire in interventional radiology procedures In Studies in Health Technology and Informatics 119 2006 S 388 392 ISSN 0926 9630 Moix et al 2005 MoIx T ILIC D FRACHEBOUD B ZOETHOUT J BLEULER H A real time haptic interface for interventional radiology procedures In Studies in Health Technology and Informatics 111 2005 S 329 333 ISSN 0926 9630 Moorthy et al 2004 MOORTHY K MUNZ Y ORCHARD T R GOULD S ROCKALL T DARZI A An innovative method for the assessment of skills in lower gastrointestinal endoscopy In Surgical Endoscopy 18 2004 November Nr 11 S 1613 1619 http dx doi org 10 1007 DOI 10 1007 500464 004 9002 y ISSN 0930 2794 Muckenhaupt 2005 MUCKENHAUPT T Training in der flexiblen Endoskopie Entwicklung eines Simulators fiir die ERCP und Integration in ein modular aufgebau tes Gesamtsystem T bingen Medizinischen Fakult t der Eberhard Karls Universit t Diss 2005 NAS NAS The Network Audio System NAS Project Neumann et al 2003 NEUMANN M HAHN C HORBACH T SCHNEIDER I MEINI
10. JEON W K KIM B I RYU S H SUNG I K Factors affecting abdominal pain during colonoscopy In European Journal of Gastroenterology amp Hepatology 248 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS 19 2007 August Nr 8 S 695 699 nttp dx doi org 10 1016 DOI 10 1016 j gie 2006 03 149 ISSN 0954 691X Park et al 2007b PARK J MACRAE H MUSSELMAN L J ROSSOS P HAM STRA S J WOLMAN S REZNICK R K Randomized control led trial of virtual reality simulator training transfer to live patients In The American Journal of Surgery 194 2007 August Nr 2 S 205 211 http dx doi org 10 1016 j amjsurg 2006 11 032 DOI 10 1016 j amjsurg 2006 11 032 ISSN 0002 9610 Pearl und Marks 2006 PEARL J MARKS J M The Future of Teaching Surgical Endos copy In Surgical Innovation 13 2006 Dezember Nr 4 S 280 282 http dx doi org 10 1177 1553350606295963 DOI 10 1177 1553350606295963 Peifer et al 1996 PEIFER J W CURTIS W D SINCLAIR M J Applied virtual reality for simulation of endoscopic retrograde cholangio pancreatography ERCP In Medicine Meets Virtual Reality 4 1996 Pennazio et al 2002a PENNAZIO M SANTUCCI R RONDONOTTI E Capsule endoscopy Diagnostic yield and comparison with enteroscopy in patients with obscure gastrointestinal bleeding The Italien multicenter experience In Gastrointe stinal Endoscopy 34 2002 S A91
11. Um das am Simulator Gelernte erfolgreich auf Untersuchungen am Patienten zu bertragen muss das Ger t eine hohe Realit tstreue bieten Beim AccuTouch gibt es jedoch einige Gr nde die f r ein mangelndes Abbild der Realit t sprechen Dass nur zwei von acht Werten zwischen Simulator und Realit t bereinstim men liegt entweder an unrealistischen Berechnungen der Parameter oder was wahrscheinlicher ist an deutlichen Abweichungen zwischen einer realen und einer simulierten Untersuchung vgl 2007b an 59 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Beim Vergleich der Zeiten ohne Sicht ergeben sich bei den verschiedenen Lei stungsniveaus mit dem AccuTouch keine signifikanten Unterschiede vgl et al 2001 2002 Dies ist ein offensichtlicher Widerspruch zur Praxis denn An f nger verlieren viel fter die Sicht als Trainierte Auch dass zwischen Fortge schrittenen und Trainierten von den verschiedenen beobachteten Parametern nur der Prozentsatz der betrachteten Darmoberfl che signifikant abweicht entspricht nicht der Realit t Noch deutlicher zeigt sich dies bei der von MacDonald et al 2003 am Simu lator gewonnenen Perforationsrate 10 bei Anf ngern 12 bei Fortgeschritte nen und 27 bei Experten Davon abgesehen dass diese schwerwiegende Kom plikation in der Praxis viel seltener vorkommt stellt das Ergebnis der Simulation die Realit t auf den Kopf Das extrem h ufige Fehlverhalten der Experten is
12. den zweidimensionalen F llen aus der Formel 9 4lentsprechen 8 sin 5 2 NF sin 2 Da die Proportionalit ten sg p und 54 p z Zu erwarten sind werden die Gleichungen mit diesen und einer Konstante k multipliziert i u 2l sin i u 2l sin T ga er ee 0 gt Q 0 p sin sin sins sin k ie 3 k T 2 D 10 0 gt o sing 1 1 sn Jes 2 2 D 11 0 2 2 Das Gleichsetzen von D 9 mit ergibt in beiden Fallen die gleiche Kon stante und best tigt damit die Annahme der Proportionalit t sing _ sing 1 An gt Se 0 6 2 p 2 9 k 4l gt k 4l Durch Einsetzen dieser Konstanten k in Formel ergibt sich die gesuchte L sung o sin 5 sin Sp Al O o D 13 me 207 D Berechnung linearer Abbildungen D 4 Bestimmung der Drehmatrix F r die Bestimmung der Drehmatrix einer Drehung a im R um die z Achse wird nach Merziger und Wirth 2006 zun chst die Drehachse amp mit 1 angegeben D 14 al I o D Dazu wird ein beliebiger senkrechter Einheitsvektor 4 b 0 m 1 gew hlt b 1 D 15 Aus diesen beiden Vektoren wird dann die orthogonale Matrix A die eine karte sische Basis A A darstellt folgenderma en gebildet 00 1 A dbaxb o 1 0 D 16 10 0 1 0 0 Unter Verwendung von M a 0 cosa sina l sst sich damit die 0 sina cosa Drehmatrix M a bestimmen M a A M4 a AT
13. sin D 2 g sin 2 p DO 22 g sin 5 4 1 cos 5 cos 5 Analog dazu werden diese beiden Abbildungen ins Zweidimensionale fiir die zur Positionsbestimmung eingesetzte neue dreidimensionale L sung vorgenom men Als Erstes wiederum die Abbildung auf die x y Ebene sin E TE ETE ea aoei l sin sin 2 2 lim O lim 4l a SI 3 vr vn P sin cos _sin cos g cos cos 5 0 sin zl 0 92 s n 2 sin ail A 9 2 0 0 20 o singl sin 5 cos 5 0 1 0 2 1 cos g sin g 9 sin g 2l 2l sin 5 g 0 9 x 0 D 3 R 0 0 sin 2 COS 3 COS 3 Diese Berechnung zeigt dass die Abbildung der dreidimensionalen L sung f r den Spezialfall y 0 in den fr her begr ndeten zweidimensionalen Fall bergeht 204 EndoSim D 1 Abbildungen vom Drei ins Zweidimensionale Darauf folgt fiir diesen Fall die Berechnung der Abbildung von der Position des Objektivs im Dreidimensionalen auf die Position in der y z Ebene 0 sin 5 0 he a Obaki sin 5 sin 2 2 lim 097 lim 4 ee 630 60 0 ka sin 9 cos sin cos cos cos g l sin 2 2 2 A 0 1 sin Z Be g 4l Zp SIn 5 2 lsin 0 1 sin cos 2 2 cos 1 0 al E33 2lsin sin sin D 4 2 2 x sin cos cos 2 2 2 2 Damit wurde auch f r den Spezialfall 0 0 gezeigt dass die neu vorgestellte dreidimensionale L sung genau in die gew nschte Zw
14. ENDOSIM in den simulierten Darm hinein Falls wie hier der Modus Re play gew hlt ist folgt kurz darauf der entsprechend informierende Schriftzug ins Innere W hrend die Ausgaben ber Konsole sehr detailliert sind werden f r den An wender direkt nach dem Start der grafischen Ausgabe die wichtigsten Informatio nen nochmals in Form einer dreidimensionalen Einblendung eines Schriftzuges Abb und einer Richtungsanzeige Abb in das Bild gegeben Zuerst erscheint f r wenige Sekunden die Richtungsanzeige und es werden alle haptisch aktiven Richtungen durch aufeinander folgendes Aufleuchten der Pfeile bzw das Drehen der Walze angezeigt Danach bewegt sich der Schriftzug ENDOSIM in den Darm hinein um dort zu verschwinden Wurde durch ber gabeparameter festgelegt sofort mit einem der Modi Record oder Replay zu beginnen so folgt der entsprechende Text dem ersten in geringem Abstand Solange der Antrieb der Handr der noch ber ein Seilsystem erfolgte ergab sich das Problem dass der Drehbereich durch die Schnur begrenzt war Um dem Anwender einen m glichst gro en Spielraum zu lassen war es daher wichtig mit der Mittelstellung zu beginnen Da die Software wegen des relativen Positionssensors nicht direkt in der Lage ist festzustellen wie die Position beim Einschalten ist wurde folgender Algorithmus implementiert e Fahre bis zum Anschlag zu einer Seite A Positionswert e Fahre bis zum Anschl
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17. Training und Bewertung miteinander verkn pft und bezeichnet sie daher als zwei Seiten der gleichen M nze Kursteilnehmer die nach Kriterien ausgebildet sind machen sechs mal weniger Fehler 3 1 5 Trainingsmodelle versus Computersimulatoren Schon seit einem einem halben Jahrhundert werden Versuche unternommen en doskopische Untersuchungen zu simulieren Der erste Simulator war eine Puppe in die ein starres Endoskop eingef hrt werden konnte vlg 2002 Ein fr her Versuch mit einem k nstlichen Modell des Verdauungsappa rates stammt von 1969 Dabei wurden vorher aufgezeichnete Bilder passend zum Einf hren eines starren Endoskops gezeigt Wegen des gro en Interesses und der immer besseren verf gbaren Techniken wurden insbesondere in den letzten Jahren gro e Fortschritte erzielt Dementspre chend schreiben Greenwald und Cohen 2006 Significant advances already ha ve been made in the use of simulators for teaching and training in GI endoscopy Indeed during the past decade the evolution and improvement of these devices is readily apparent with each passing year Begonnen wurde mit der Entwicklung von unterschiedlichen Trainingsmodel len Simulatoren aus k nstlichen Organen Biosimulatoren und Einsatz von Ver suchstieren Einige Trainingsmodelle werden heute noch in der Ausbildung ein gesetzt Jedoch nimmt deren Bedeutung durch die Entwicklung immer besserer Computersimulatoren ab Daher wird im Folgende
18. geschrittenen und Trainierten jedoch nur noch ein einziger Zwischen Anf ngern und Fortgeschrittenen finden Moorthy et al 2004 weder bei der maximalen Ein dringtiefe noch bei der beobachteten Darmoberfl che oder der Zeit ohne Sicht signifikante Unterschiede Auch finden beim Ver gleich dreier Gruppen von zehn Parametern nur drei signifikant unterschiedlich Eindringzeit Gesamtzeit und die Zeit ohne Sicht berhaupt keine deutliche Un terscheidung am Simulator gibt es nach MacDonald et al 2003 zwischen Erfah renen und Experten Dies zeigt deutlich dass die verschiedenen am Simulator gemessenen Para meter nur teilweise von dem Leistungsniveau des Pr flings abh ngig sind Des Weiteren ergibt der Vergleich der Leistungsparameter bestimmt vom AccuTouch gegen ber denen durch Beobachter bei realen Koloskopien dass nur bei jedem vierten Parameter eine signifikante Korrelation vorliegt vgl 2007b Daher gilt dass Die Leistungsmessungen des Simulators eine beschr nkt bereinstimmende G ltigkeit zeigen Park et al 2007b was wiederum bedeutet dass Der computergest tzte Koloskopiesimulator nur eine einge schr nkte F higkeit besitzt verschiedene Level der tats chlichen Kompetenz in 58 EndoSim 3 3 Computersimulatoren der Ausf hrung von Koloskopien zu unterscheiden Sedlack und Kolars 2003b Die st rkste Motivation f r den Einsatz eines Computersimulators ist F hig
19. sen jedoch bei den beiden anderen Antrieben unter Verwendung vorhandener Servoverst rker neue Wege gegangen werden F r den dazukommenden Rota tionsantrieb ist eine Ansteuerung erforderlich Da der Motor f r den Vorschub ausgewechselt werden soll ist auch dort eine neue Ansteuerung angebracht 5 4 Software 5 4 1 Ansteuerung f r verbesserte Haptik Erst aus dem Zusammenspiel von Antrieb Positionsbestimmung Elektronik und Software entsteht als Einheit ein kombiniertes Force Feedback Positionierungs System Dementsprechend muss die Software der neuen Elektronik und Hardware angepasst werden F r die verbesserte Realit tstreue ist es erforderlich zus tzlich zu dem vor handenen deskriptiven Modell die Berechnung des situationsabh ngigen Drehmo mentes vorzunehmen und dieses als Kraft um die Schlauchachse des Endoskops auszugeben F r die Positionierung ist ein Algorithmus zu implementieren der die pas sende Geschwindigkeit Richtung Zielpunkt w hlt um einerseits schnell vorw rts zu kommen andererseits ein berschwingen ber das Ziel hinaus m glichst zu vermeiden a 87 5 Umsetzung 5 4 2 Erweiterungen f r neue Funktionen Die M glichkeit des Positionierens soll durch die Software gleich zu Trainings beginn f r ein benutzerfreundliches Verhalten eingesetzt werden Die Haptik wird durch Bewegen berpr ft und das Endoskop f hrt automa tisch auf die Startposition Handr der auf Mittelstellung und di
20. 00 1 1 0 0 0 0 1 I0 1 0 0 cosa sina 0 1 0 1 0 0 0 sina cosa 0 0 cosa sina 0 sina cosa 0 D 17 0 0 1 208 EndoSim Abbildungsverzeichnis 1 1 Selbstbildnis von Bozzini und Kupferstich des Lichtleiters 1 2 Dokumentationsbogen und relatives berleben f r Darmtumor 2 1 Starres und Flexibles Endoskop im Vergleich 2 2 Video Endoskopie Endoskopiekapsel und Zoom Endoskop 2 3 Reichweite verschiedener Endoskope 2 4 Anatomie des Colons mit Mesocolon 2 22 22 2 5 Komplikationsrate bei Koloskopien 2 6 Aufl sen einer N Darmschlinge 2 222 2 3 1 Das Colonoscopy Training Model Type I B der Firma Koken 3 2 Das ex vivo Trainingsmodelll 2 222222 ee ee ee ee ee ee 3 4 Das passive Force Feedback Ger t des GI Mentor II 3 5 Der AccuTouch von Immersion Medical beim Koloskopietraining 3 6 Das Force Feedback Ger t des AccuTouch 3 7 Der entkoppelte Ball Antrieb vom Virtual Endoscope System 3 8 Darstellung des Differentialantriebes des Simulators der EPFL 3 9 Der koreanische KAIST Ewha Colonoscopy Simulator Il 3 10 Haptik des KAIST Ewha Colonoscopy Simulators 3 11 Das Force Feedback Ger te von EndoSim 4 1 Sicheres und individuelles Training mit Endoskopiesimulatoren 5 1 Bedienteil eines flexiblen Koloskops 5 2 Erweiterung der Haptik von EndoSim
21. 9 2 Automatische Hilfe und F hrung 9 2 1 Empfehlungen als Trainingsunterst tzung Die zweite der beiden neuen Trainingsmethoden ist insbesondere f r Fortgeschrit tene interessant Scheint beim Training der Weg Richtung Caecum bzw termina les Ileum versperrt oder wird eine M glichkeit gesucht mit m glichst wenig Kraft weiter zu kommen kann Hilfe angefordert werden Abb 9 8 Der ber einen mehrfach optimierten Algorithmus berechnete Weg wird bei Auswahl von HelpDir optisch bei HelpAuto zus tzlich haptisch ausgegeben Abbildung 9 8 Um schwierige Situationen alleine l sen zu k nnen steht dem Benutzer sowohl eine haptische als auch die hier gezeigte optische Hilfe zur Verf gung 9 2 2 Berechnung der optimalen Bewegungsabfolge Der im Folgenden hergeleitete Algorithmus hat die Aufgabe aufbauend auf Kr f te die ber eine Simulation berechnet werden von einer beliebigen Position aus Empfehlungen f r den weiteren Weg geben zu k nnen Beispielhaft wird f r die Implementation die erweiterte Kraftberechnung von EndoSim eingesetzt nn u 171 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme Voraussetzungen fiir die Entwicklung des Algorithmus Da die resultierende Kraft wie dies bei der vorliegenden Simulation der Fall ist von der Abfolge der Bewegungen abh ngig sein kann ist es erforderlich bei der Suche eines m glichst g nstigen Weges ebenfalls die R
22. Auf dieser wird der Endoskopschlauch aufgewickelt Der Motor welcher auf der Rolle montiert ist sorgt f r aktive Kr fte bei der Rotation um die Schlauchachse 54 EndoSim 3 3 Computersimulatoren Leistungsbelege Der Entwicklung des Ger tes entsprechend behandeln die ersten Studien den Si mulator als Trainingsger t f r die Sigmoidoskopie Wie die alternative Bezeich nung kleine Koloskopie nahelegt handelt es sich dabei um eine vergleichbare wenn auch einfachere Untersuchung da nur ein Teil des schwierigen Eindringens durchgef hrt wird gt Abb 2 3 Um zu testen ob der AccuTouch verschiedene Leistungsniveaus unterscheiden kann wurden 45 Personen die ein Trainingsmodul dreimal ausf hrten von Datta in drei Gruppen eingeteilt Signifikante Unterschiede zwischen Anf ngern und Fortgeschrittenen konnten bei der betrachteten Darmoberfl che der zur ckgelegten Strecke und der ben tigten Zeit f r die Untersuchung festge stellt werden Zwischen Fortgeschrittenen und Erfahrenen ist nur der Prozentsatz der betrachteten Darmoberfl che abweichend Bei den Zeiten ohne Sicht ergeben sich bei beiden Vergleichen keine signifikanten Unterschiede Auch versuchten den Simulator zur Unterscheidung von Leistungsniveaus zu verwenden Aus 34 Personen bildeten sie ebenfalls drei Gruppen die auch drei Untersuchungen ausf hrten Die Auswertung zeigt dass mit dem Simulator zwischen Untrainierten und Trainierten sowie zwischen dem u
23. C 3 Akustik e Akustik Tonausgabe abh ngig vom Wohlbefindens des virtuellen Patienten 201 Anhang D Berechnung linearer Abbildungen D 1 Abbildungen vom Drei ins Zweidimensionale Zun chst wird die dreidimensionale L sung f r die Position des Endpunktes der Endoskopspitze nach Gillies und Williams 1987 Poon 1991 und K6rner 2003 ber eine Grenzwertbetrachtung auf spezielle L sungen im Zweidimensionalen umgerechnet Diese Abbildung l sst sich mit der sowohl bei den vorgenannten Autoren als auch in der vorliegeneden Arbeit ausf hrlich beschriebenen Situation Synchronisation der aktuellen Position zur Aufzeichnung ab Seite 163 im Zweidimensionalen vergleichen Zuerst die Abbildung auf die x y Ebene E A at sin 5 sin 5 9 9 lim HOjektiv _ Jim Al sin sin y0 9 y 0 V2 9 9 RE 20 2 P sin z sin 5 cos 5 cos 5 9 9 in sin 51 sin 5 nls Noy NID a gt 3 8 o a B N NID N SIn 5 0 D 1 0 nd 20 8 sin 5 COS 5 1 COS 5 2l sin I D Berechnung linearer Abbildungen Darauf folgend die Berechnung der Abbildung von der Position des Objektivs im Dreidimensionalen auf dessen Position in der y z Ebene sin sin O Objektiv 4l sin 2 sin lim O lim a 0 6 0 Y2 ie sin sin cos 9 c0s2 0 p 1 0 sin 2 9 Al 1 sin z v2 re 1 sin 1 cos amp 2 9 0 0 Yal u 2lsin
24. Die Benutzung von Endoskopiesimulatoren sollte die n tige Anzahl von sorg f ltig berwachten Verfahren an Patienten um die Prozedur kompetent ausf hren zu k nnen vermindern und ebenfalls die negativen finanziellen Auswirkungen des Endoskopietrainings reduzieren Gerson und Van Dam 2002 Die Forderung des dritten Punktes nach effizienter Ausbildung wird also umgesetzt indem m glichst viele teure Untersuchungen am Patienten durch einen Simulator ersetzt werden 3 1 4 F higkeiten objektiv berpr fen Das Training mit einem Simulator hat die Zeit welche ben tigt wird um eine vorgegebene Untersuchung auszuf hren verringert und unterscheidet klar zwi schen erfahrenen und neuen Auszubildenden Haque und Srinivasan 2006 Da mit l sst sich auch die Antwort zu dem letzten Punkt der objektiven berpr fung des Kenntnisstandes finden Indem f r verschiedene Pr flinge genau die gleiche Untersuchung simuliert wird erfolgt ein gerechter Vergleich der Leistungen a aE 29 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Die F higkeit eine Reihe unabh ngiger technischer F higkeiten erst anzulei ten und dann die Leistung zu berpr fen ist eine der grundlegenden Vorausset zungen des Simulatortrainings und der Bewertung von Auszubildenden Gerson und Van Dam 2002 Die empfohlene Lernmethode ist einen objektiven Ma stab aufzustellen und solange zu trainieren bis dieser erreicht ist So sieht Satava 2006
25. Gewebe mit dem Finger oder einem Instrument erreicht werden kann Damit ist es Philipp Bozzink durch die Entwicklung des Lichtleiters gelun gen als erster in Bereiche des lebenden K rpers vorzusto en die vorher dem Arzt verschlossen waren Dieses Ziel formulierte er als Titel der ein Jahr sp ter er schienenen Monographie Der Lichtleiter oder die Beschreibung einer einfachen Vorrichtung und ihrer Anwendung zur Erleuchtung innerer H hlen und Zwischen r ume des lebenden animalischen K rpers Bozzinil1807 1 2 Koloskopie zur Krebsfr herkennung Die heute wohl popul rste endoskoskopische Untersuchung ist die zur Fr herken nung eines Kolonkarzinoms eingesetzte Koloskopie und das aus gutem Grund Dickdarmkrebs entwickelt sich fast immer aus den Zellen der Schleimhaut die den Darm auskleiden Koch und Windeler 2005 B sartiger Krebs entwickelt sich meist aus warzenartigen oft pilzf rmigen Wurcherungen der Schleimhaut die Polypen genannt werden F r Deutschland gilt dass Darmkrebs mittler weile f r beide Geschlechter die zweith ufigste Krebserkrankung ist Die Zahl der j hrlichen Neuerkrankungen wird f r M nner und Frauen jeweils auf etwas ber 35 000 gesch tzt M nner erkranken im Mittel mit 69 Frauen mit 75 Jahren also vergleichsweise sp t Darmkrebs ist dar ber hinaus die zweith ufigste Krebstodesursache und damit f r jeden siebten bis achten Krebstodesfall verantwortli
26. ISSN 1436 9990 Robert Koch Institut 2006 ROBERT KOCH INSTITUT GESELLSCHAFT DER EPIDEMIOLOGISCHEN KREBSREGISTER IN DEUTSCHLAND E V Hrsg Krebs in Deutschland H ufigkeit und Trends Saarbr cken Februar 2006 5 berarbeitete aktualisierte Ausgabe ISBN 3 9808880 3 7 Roberts et al 2006 ROBERTS K E BELL R E DUFFY A J Evolution of surgical skills training In World Journal of Gastroenterology 12 2006 Mai Nr 20 S 3219 3224 ISSN 1007 9327 Rodining et al 1986 RODINING C B WEBB W R ZINGARELLI W J Postgraduate surgical flexible endoscopic education In Annals of Surgery 203 1986 S 272 274 252 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Roseveare et al 1998 ROSEVEARE C SEAVELL C PATEL P CRISWELL J KIMBLE J JONES C SHEPHERD H Patient controlled sedation and analgesia using propofol and alfentanil during colonoscopy A prospecitve randomized controlled trial In Endoscopy 30 1998 September Nr 9 S A187 A259 768 773 ISSN 0013 726X RSLab 2007 RSLAB RSLab Robotics and Simulation Laboratory Internet rslab kaist ac kr Version August 2007 Satava 2006 SATAVA R M Assessing surgery skills through simulation In The Clini cal Teacher 3 2006 Juni Nr 2 S 107 111 DOL 10 1111 1743 498X 2006 00096 x Saunders et al 1995a SAUNDERS B P HALLIGAN S JOBLING C FUKUMOTO M MOUS SA M E WIL
27. ISSN 0013 726X mr 223 LITERATURVERZEICHNIS Clark et al 2005 CLARK J A VOLCHOK J A HAZEY J W SADIGHI P J FA NELLI R D Initial experience using an endoscopic simulator to train sur gical residents in flexible endoscopy in a community medical center resi dency program In Current Surgery 62 2005 Februar Nr 1 S 59 63 10 1016 j cursur 2004 07 002 ISSN 0149 7944 Classen und Ruppin 1974 CLASSEN M RUPPIN H Practical training using a new gastrointestinal phantom In Endoscopy 6 1974 S 127 131 ISSN 0013 726X Classen et al 2003 CLASSEN M Hrsg TYTGAT G N J Hrsg LIGHTDALTE C J Hrsg Gastroenterologische Endoskopie 1 Auflage Stuttgart Thieme 2003 ISBN 3 1313 2401 5 Cohen et al 2006 COHEN J COHEN S A VORA K C XUE X BURDICK J S BANK S BINI E J BODENHEIMER H CERULLI M GERDES H GREENWALD D GRESS F GROSMAN I HAWES R MUL LIN G SCHNOLL SUSSMAN F STARPOLI A STEVENS P TEN NER S VILLANUEVA G Multicenter randomized controlled trial of virtual reality simulator training in acquisition of competency in colonos copy In Gastrointestinal Endoscopy 64 2006 September Nr 3 S 361 368 DOI 10 1016 j gie 2005 11 062 ISSN 0016 5107 Cohen et al 2004 COHEN L B HIGHTOWER C D WOOD D A MILLER K M AISENBERG J Moderate Level Sedation During
28. P 3 Nur durch die flexible Endo skopie wird ein tieferes Eindringen in den gewundenen Darm erm glicht 2 1 2 Koloskopie Die Koloskopie ist im Pschyrembel 2007 definiert als endoskop Untersuchung des Colons einschl distale Ileoskopie Ileokoloskopie Das daf r einge setzte Endoskop wird bezeichnet als Ko lo skop das s e zu T Kolon 3 u griech skopein betrachten Med Ger t zur direkten Untersuchung des Co lons 3 Brockhaus 1995 Die meisten Untersucher bevorzugen Instrumente von 160 170 cm L nge B P Saunders in Classen et al 2003 Das Kolon ist etwa 1 4m lang und unterscheidet sich im Aufbau vom D nn darm durch den Besitz von Haustren Taenien und Appendices epiploicae P 6 Endoskopisch einsehbar sind Brustraum Thorakoskopie Mediastinoskopie die gro en Atemwege bis zu den Bronchien Bronchoskopie der Magendarmtrakt Gastro Kolo Rekto Proktoskopie und der Bauchraum Laparoskopie Au erdem k nnen manche Gelenke auf diese Weise untersucht werden Arthroskopie Berufsverband deutscher Internisten e V 2008 7Haustra coli Ausbuchtungen zwischen den Taenien der Wand des Colons Taeniae coli Die in drei Streifen angeordnete L ngsmuskelschicht des Colons Appendices epiploicae Kleine fettgef lte Ausst lpungen der Dickdarmschleimhaut nn E 11 2 Einf hrung in die Thematik Abbildung 2 3 Reichweite verschiedener Endoskope Proktosk
29. Schill 2001 2002 e Physikalische Modelle Ein physikalisches Modell bildet das System in seiner Struktur nach Dabei ist Wissen ber die Funktionsweise des Sy stems erforderlich Bei physikalischen Modellen entsprechen die funktions bestimmenden Parameter echten im System nachmessbaren Kenngr en Das Modell ahmt die Funktionsweise des Vorbilds nach e Deskriptive Modelle In einem deskriptiven Modell wird das zu simulie rende System mathematisch so formuliert dass die beschreibende Glei chung eine Parametrisierung des beobachtbaren Verhaltens darstellt Die Funktionsweise des Systems muss dazu nicht notwendigerweise verstanden sein Das Modell ahmt das Verhalten des Vorbilds nach Das Ziel eines Trainingssimulators ist keine exakte physikalische Vorhersage son dern eine genaue Modellierung des zu trainierenden Verhaltens Deshalb wird im Gegensatz zum physikalischen Ansatz nach Raghupath i et al 2003 der die Be rechnung von nur wenigen Elementen erlaubt f r EndoSim ein deskriptives Kur venmodell vergleichbar mit dem Ansatz von Zilles und Salisbury 1995 einge setzt Damit lassen sich die auftretenden Kr fte schnell d h echtzeitf hig und realistisch berechnen ber dieses parametrisierte Kurvenmodell werden sowohl die globalen Kr fte zwischen Endoskop und Darm als auch die lokalen Kr fte zwischen Endoskopspitze und Darmwand bestimmt vgl 2003 70 EndoSim 3 3 Computersimulatoren Aktives F
30. VAN DAM J The future of simulators in GI endoscopy An unlikely possibility or a virtual reality In Gastrointestinal Endoscopy 55 2002 April Nr 4 S 608 611 Inttp dx doi org 10 1067 DOI 10 1067 mge 2002 120321 ISSN 0016 5107 Gerthsen und Meschede 2006 GERTHSEN C MESCHEDE D Gerthsen Physik 23 Auflage Berlin Springer 2006 Springer Lehrbuch ISBN 3 5402 5421 8 Gevatter 2000a GEVATTER H J Hrsg Automatisierungstechnik 1 Mefi und Sensor technik Bd 1 Berlin Springer Verlag 2000 ISBN 3 540 66883 7 Gevatter 2000b GEVATTER H J Hrsg Automatisierungstechnik 2 Gerdte Bd 2 Berlin Springer Verlag 2000 ISBN 3 540 67085 8 m E 231 LITERATURVERZEICHNIS Gevatter 2000c GEVATTER H J Hrsg Automatisierungstechnik 3 Aktoren Bd 3 Berlin Springer Verlag 2000 ISBN 3 540 67086 6 Gholson et al 1990 GHOLSON C F PROVENZA J M SILVER R C BACON B R Endos copic Retrograde Cholangiography in Swine A new Model for Endosco pic Training and Hepatobiliary Research In Gastrointestinal Endoscopy 36 1990 S 600 603 Gillies et al 1992 GILLIES D F HARITSIS A WILLIAMS C B Computer simulation for teaching endoscopic procedures In Endoscopy 24 1992 S 544 548 ISSN 0013 726X Gillies und Williams 1987 GILLIES D F WILLIAMS C B An interactive graphic simulator for teaching of fibrendoscopic tec
31. liegenden Arbeit angenommen haben e Vielen Dank Herr Professor Dr Dr Hans Joachim Bender dass Sie die verantwortungsvolle Aufgabe des Korreferenten bernommen haben e Last but not least meinen besonderen Dank an den der mir das vorlie gende Thema angeboten hat und sich trotz der Zusatzbelastung durch die Umbruchphase unseres Instituts viel Zeit genommen hat diese Arbeit im mer wieder mit kritischer Betrachtung und neuen Ideen zu begleiten Vielen Dank Herr Professor Dr Reinhard M nner viii Inhaltsverzeichnis 1 Motivation 1 1 Entstehung der Endoskopie 1 2 Koloskopie zur Krebsfriiherkennung 2 Einf hrung in die Thematik Bla te Be we AR See ir we 2 1 1 Endoskopie 2 ua ee Set a a ua a end 2 1 2 Koloskopie 222mm nennen 2 1 3 Probleme der Koloskopie 2 2 Ausbildung und Qualit tsmanagement 2 2 1 Ausbildung aka ss o oe bee oe ae bd 2 2 2 Qualit tsmanagement 0 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren 3 1 Effektive Ausbildung und Qualit tssicherung durch Simulatoren 3 1 1 Training unabh ngig von Patienten 3 1 2 Komplexit t des Trainings an Leistungsniveau anpassen 3 1 3 Kosten und zeiteffektiv ausbilden 3 1 4 F higkeiten objektiv berpr fen 3 1 5 Trainingsmodelle versus Computersimulatoren 3 2 Trainingsmodelle 2 2 2 2 2 Cm a 3
32. mit einer zu f llig gew hlten L sung zu starten um dann einen ebenfalls zuf lligen Schritt in Richtung eines Nachbarn auszuf hren Ist die Bewertung der neuen L sung bes ser als die vorhergehende so wird die neue L sung behalten Ansosnsten wird in der Umgebung der alten L sung weitergesucht Soll die Zielfunktion f S R maximiert werden sieht der Algorithmus folgenderma en aus 1 W hle einen Standpunkt sy S 2 W hle s Sin der N he von so 3 Falls f s gt f so w hle s als neuen Startpunkt und fahre mit 2 fort ansonsten fahre mit so als Startpunkt fort und w hle ein neues s in 2 Die Zielfunktion f ist im vorliegenden Fall die von der Position beim Aufruf der Hilfe Funktion aus erzielte Eindringtiefe Sowohl die Rechentiefe als auch die Ausgangsposition der Endoskopspitze m ssen w hrend der Entwicklung konstant bleiben Um zu vermeiden dass auf ein spezielles Hindernis optimiert wird wurde die Startposition so gelegt dass mit einer Abfolge sowohl das Signum als auch die Flexura coli sinistra zu berwinden ist Abb 9 12 Als Startwerte der Schrittweiten f r die Rotation um die Schlauchachse f r die Handr der und f r den Vorschub wurden die in den vorherigen Vergleichen eingesetzten Werte verwendet Bei jedem Durchgang wird per Zufall eine dieser drei Schrittweiten um einen kleinen Wert ver ndert Die nderung wird genau dann bernommen wenn nach Du
33. nchen Bogenhausen Hanser Fachbuchverlag 2006 ISBN 3 4464 0789 8 Shah et al 2002 SHAH S G BROOKER J C THAPAR C WILLIAMS C B SAUN DERS B P Patient Pain During Colonoscopy An Analysis Using Real Time Magnetic Endoscope Imaging In Endoscopy 34 2002 S 435 440 http dx doi org 10 1055 s 2002 31995 DOI 10 1055 s 2002 31995 Shah et al 2000 SHAH S G SAUNDERS B P BROOKER J C WILLIAMS C B Ma gnetic imaging of colonoscopy an audit of looping accuracy and ancillary maneuvers In Gastrointestinal endoscopy 52 2000 Januar Nr 1 S 1 8 ISSN 0016 5107 Shreiner et al 2007 SHREINER D WOO M NEIDER J OpenGL Programming Guide The Official Guide to Learning OpenGL Version 2 1 6 Auflage Amsterdam Niederlande Addison Wesley Longman 2007 ISBN 0 3214 8 100 3 Sichler 2002 SICHLER S Computergrafische Spezialeffekte f r medizinische Trainings simulatoren Mannheim Lehrstuhl f r Informatik 5 Universit t Mannheim Diplomarbeit M rz 2002 256 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Sievert und Silvis 1981 SIEVERT C E SILVIS S E A canine model of gastric and colonic polyps In Gastrointestinal Endoscopy 27 1981 S 12 16 ISSN 0016 5107 Simbionix Ltd 2007 SIMBIONIX LTD Simbionix GI Mentor II Internet Version August 2007 Simbionix Ltd 2008 SIMBIONIX LTD Product Brochure GI Mentor II Simbionix Version E 201
34. nstige Posi tion gebracht ist es m glich dass die dort vorherrschenden Kr fte so gro sind dass diese Ungleichung nie erf llt wird Dann wird bei der Auswahl des Weges die h chste Priorit t auf die Kraft gelegt Nur falls diese f r mehrere Optima gleich ist wird das maximale Vorw rtskommen als zweites Auswahlkriterium eingesetzt A 173 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme Grenzen des Algorithmus Die Rechentiefe d h die Anzahl der vorausberechneten Bewegungsschritte ist von der verf gbaren Zeit der Rechenleistung und dem Algorithmus abh ngig Der aktuell eingesetzte Rechner ben tigt pro Berechnungsschritt ca 2ms Da die Zeit auch bei zus tzlichen aufw ndigen Berechnungen im Bereich des Algorith mus kaum ansteigt ist davon auszugehen dass sie gr tenteils durch den Simula tionsaufwand zur Bestimmung der Kr fte definiert ist Mit Hilfe von erweiterten Programmoptimierungen durch den Compiler und durch den Einsatz eines aktuellen Rechners sollten Berechnungszeiten von deut lich unter 1 ms m glich sein Einen guten Anhaltspunkt bez glich des Fortschritts der Computertechnologie im Bereich der Rechenleistung bietet der standardisier te Benchmark SPEC vgl Brinkschulte und Ungerer 2007 Danach betr gt die Rechenleistung Basis Test CPU2006 f r den derzeit eingesetzten Rechner 9 31 f r einen vergleichbaren aktuellen Rechner ist sie mit 18 5 fast doppelt so hoch vgl
35. und die Verschiebungen des Dar mes durch F pchilauch da diese ber das Mesocolon abgefangen werden und dessen Kollision gt Dehnung zu Schmerzen beim Patienten f hrt 144 EndoSim 8 1 Akustische Ausgabe Abbildung 8 1 F een oben und BD g unten ziehen gleichberechtigt am Mesocolon dargestellt als Feder So ergibt sich beim gemischten Auftreten der Kr f te aus deren Summe n herungsweise die Gesamtkraft In beiden F llen bewegt sich der Darm bei Belastung durch die Kraft des Endoskops so dass unabh ngig von der Aus gangslage das Mesocolon direkt gegen die ber das Koloskop wirkende Kraft zieht 8 1 2 Bestimmung der Intensit t Da die entscheidenden Kr fte zusammen das Mesocolon dehnen Abb 8 1 wird die Gesamtkraft bestimmt indem die Einzelkr fte aufsummiert werden Schlauch Schlauch F mesocolon Kollision T E performung 8 1 Die deskriptive Modellierung der r ckwirkenden Kraft beim Eindr cken der Darmwand erfolgt wie bei der vorhandenen Simulation analog dem Hook schen Kraftgesetz einer Feder Schlauch F kollision Eindringtiefe in die Darmwand 8 2 a 145 8 Optimiertes haptisches und neues akustisches Feedback Auch bei der Berechnung der Verformungskraft wird analog zur Simulation vorgegangen Die Kraft durch Verformung verh lt sich dabei proportional zur De formation des Darmes durch das Koloskop F chlauc
36. 3 42008 Version April 2008 Singh et al 2006 SINGH H TURNER D XUE L TARGOWNIK L E BERNSTEIN C N Risk of Developing Colorectal Cancer Following a Negative Colonoscopy Ex amination In JAMA The Journal of the American Medical Association 295 2006 Mai Nr 31 S 2366 2373 Skopec 2007 SKOPEC M MEDIZINISCHE UNIVERSITAT WIEN Hrsg INTERNA TIONALE NITZE LEITER FORSCHUNGSGESELLSCHAFT Hrsg Schwer punktsammlung fiir Endoskopie Institut fiir Geschichte der Medizin Jo sephinum Internet Version August 2007 Soehendra und Binmoeller 1992 SOEHENDRA N BINMOELLER K F Overview of interactive endoscopy simulators In Endoscopy 24 1992 Nr 2 S 549 550 ISSN 0013 726X Spaelter et al 2003 SPAELTER U BLEULER H DURATTI L ILIC D MOIX T The Virtual Patient Surgery Simulation and Virtual Reality Modelling In Pro ceedings of the CAD FEM Users Meeting Internationale FEM Technolo gietage Berlin November 2003 i 257 LITERATURVERZEICHNIS SPEC 2006 SPEC STANDARD PERFORMANCE EVALUATION CORPORATION Hrsg SPEC CPU2006 Internet http www spec org cpu2006 Version April 2006 Spektrum der Wissenschaft 2007 SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT Operations Trainingssysteme in der Me dizin Internet nttp www spektrum de artikel 861879 amp _ z 798888 Version Januar 2007 Spring 2006 SPRING E Elektrische Maschinen Eine Einfiihrun
37. 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme 9 1 F hrung anhand professioneller Vorgaben Als erste der beiden neuen Trainingsmethoden soll das F hren lassen genauer betrachtet werden Daf r werden zuerst Bewegungen eines Experten w hrend ei ner simulierten Untersuchung aufgezeichnet Anschlie end lassen sich Lernende beliebig oft anhand dieser Aufnahme f hren Dies erlaubt dem Anf nger auch bei eingeschr nkter Verf gbarkeit von Fachpersonal schnell ein Gef hl f r die richtigen Bewegungen zu bekommen Die Realisation der daf r erforderlichen Voraussetzungen beim Simulator Positionsbestimmung und aktive Positionierung wurden bereits betrachtet Jetzt wird dargelegt wie die Aufnahme durch einen Experten und die Wiedergabe durch Auszubildende funktioniert I AWW Abbildung 9 1 Die Aufzeichnung einer Bewegungsabfolge durch einen Experten erfolgt im Record Modus Dieser wird bei Programmstart gew hlt und durch einen entspre chenden Schriftzug best tigt Nach Beendigung liegt die Abfolge als Datei vor 9 1 1 Bewegungen aufzeichnen Durch einen Startparameter wird die Aufzeichnung bei Programmaufruf aktiviert Nachdem die Wahl durch einen entsprechenden dreidimensional bewegten Schriftzug best tigt wurde gt Abb 9 1 wird eine simulierte Koloskopie durch gef hrt Dabei werden die Signale der vier Positionsgeber ausgewertet und in ein Integer Array abgelegt F r di
38. A n bestimmen __ Objektiv Objektiv A n C coon u CGoton n 9 11 op cos Q SIN 37 SIN Q SIn 5 in sin amp aa Blue sina sin cosa sin u 0 p sin cos _sin cos 4 za0 d p cos cos a 4l sin 8 sin u a n 2 sina n sin cos a n sin 5 On an gln 0 u oe sin a n sin en cos a n sin 2w O n y n sin a cos em sin en cos gn ite zao n Aln p n cos ein cos um 4l sin I sin ein Die g nstigste Auswahl Amin wird getroffen indem alle Aufzeichnungen n bez glich ihrer Abweichung A n verglichen werden F r dieses nmin gilt Ausrichtung des Objektivs Ist die Endoskopspitze beispielsweise durch Eindr cken in die Darmwand fixiert ndert sich beim Bewegen des Schlauches deren Position kaum so dass sich meh rere Nmin m m N ergeben Da die Blickrichtung des Objektivs dabei jedoch durch verschiedene Kr mmungen der Spitze deutlich unterschiedlich sein kann ist die Ber cksichtigung der Ausrichtung bei der Auswahl immer wichtig wenn mehrere Positionen der Aufnahme zur aktuellen Position vergleichbar gut liegen Die Ausrichtung des Objektivs entspricht dem Tangentenvektor des begleiten den Dreibeins am distalen Ende des Endoskops Die Erweiterung der Betrachtung der Tangenten vom zweidimensionalen Fall auf den Raum ergibt Abb 9 7 i sin 0 T eee sin p 9 13 YP V2 cos2 0 cos y m E 169 9 Neue Trainin
39. Betrachtung der Technik des Simulators Die Ergonometrie des AccuTouch berzeugt nicht weshalb Moorthy et al 2004 vor ihren Tests das Ger t zerlegten um u a den Monitor besser zu positionieren Das beim AccuTouch eingesetzte Force Feedback Ger t ist da es auf zwei Freiheitsgrade aktive Kr fte aus ben kann vielversprechend Als dieses System Anfang 2003 von Mitarbeitern unseres Instituts getestet wurde stellte sich jedoch heraus dass die translative Kraft auf den Schlauch mit einer gro en zeitlichen Verz gerung behaftet ist und dass der Schlauch falls er ein St ck weit eingef hrt wurde kaum noch zu drehen ist vgl K rner 2003 Die Verz gerung der translativen Kraft l sst sich durch die Tr gheit der gro en Rolle zusammen mit der ung nstigen bersetzung zwischen Antriebsmotor und Rolle erkl ren Die Ursache f r die schwerg ngige Rotation um die Schlauchach se ist wahrscheinlich die zu hohe Reibung welche sich durch das Aufwickeln des Schlauches auf der Rolle ergibt Abb B 6 Die beim G Mentor ge u erte Kritik bez glich der Ansteuerung der Kr m mung der Endoskopspitze trifft in gleicher Weise f r den AccuTouch zu denn auch hier werden an den Bedienr dern keine Kr fte erzeugt Motor Rotation Koloskop Motor Translation Rolle Abbildung 3 6 Funktionsweise des im AccuTouch eingesetzten Force Feedback Ger tes ber einen Zahnriemen bertr gt der Motor das Drehmoment auf die gro e Rolle
40. Colon entstehenden Moment zusammen Eine alternative Bezeichnung f r Vorzeichenfunktion ist Signumfunktion daher sgn 152 EndoSim 8 2 Force Feedback System In dem ca 15cm langen Rektum vgl Pschyrembel 2007 herrschen Bedin gungen die erstmalig von 1923 erfolgreich beschrieben wurden Ein klei neres rotierendes Rohr liegt zentrisch in einem gr eren ruhenden Rohr Dazwi schen befindet sich ein Gas oder eine Fl ssigkeit zur Schmierung Im vorliegenden Fall ist der kleinere sich drehende K rper der Koloskop schlauch Dieser weist typischerweise einen Durchmesser von d 10 13mm auf vgl Waye et al 2004 was einem durchschnittlichen inneren Radius von Ri 5 75 mm entspricht Gef hrt wird er durch das Rektum Dazwischen liegt eine Schicht die aus einem der blicherweise beim Koloskopieren verwendeten Gleitmittel besteht Meist werden wasserl sliche Gele benutzt besser sind jedoch lhaltige Mittel vgl 2007 Die Viskosit t der Schmierung liegt daher im Bereich von n 1mPas f r Wasser und n 1000 mPas f r l vgl 1978 Da die Dichte von Wasser 9 1000 amp betr gt und die von l nur wenig darunter liegt ergibt sich f r die kinematische Viskosit t v Yo _ 2 i 2 0 a q0 01 i E 8 10 Durch die Lamina muscularis mucosad der Darmschleimhaut die Tunica muscularis der Darmwand und im Ausgangsbereich durch den vom Musculus levator ani unterstiitzen Musculus sphincter
41. DUE in Datennetzen Beuth Verlag Berlin Dorf und Bishop 2007 DORF R C BISHOP R H Moderne Regelungssysteme 10 Auflage M nchen Pearson Studium 2007 ISBN 3 8273 7304 2 Duden 2006 DUDEN DUDENREDAKTION Hrsg SCHOLZE STUBENRECHT W Pro jektleitung Hrsg GESELLSCHAFT F R DEUTSCHE SPRACHE Beratende 226 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Mitarbeit Hrsg Duden Bd 1 Duden Die deutsche Rechtschreibung 24 v llig neubearbeitete und erweiterte Auflage Mannheim Bibliographi sches Institut amp F A Brockhaus AG 2006 ISBN 3 411 04014 9 Duden 2007 DUDEN DUDENREDAKTION Hrsg Duden Das gro e Fremdw rter buch 4 aktualisierte Auflage Mannheim Bibliographisches Institut 2007 ISBN 3 4110 4164 1 Buch plus CD ROM gebundene Ausgabe Dugas und Schmidt 2003 DUGAS M SCHMIDT K Medizinische Informatik und Bioinformatik Hei delberg Springer Verlag 2003 ISBN 3 540 42568 3 Dunkin et al 2007 DUNKIN B ADRALES G L APELGREN K MELLINGER D Surgical simulation a current review In Surgical Endoscopy 21 2007 M rz Nr 3 S 357 366 http dx doi org 10 1007 DOI 10 1007 s00464 006 9072 0 ISSN 0930 2794 Dunkin et al 2006 DUNKIN B D MARKS J MCCASHLAND T BUSHAN S SORBI D RASKIN J MOURELO R PONSKY J A Multi Institutional Study of the Impact of a Virtual Reality Simulator Training Curriculum on
42. Delius et al 2006 ist die maxi male Geschwindigkeit des Schlittens immer noch mehr als ausreichend Dadurch dass beim Positionieren nicht l nger Spr nge um den Zielpunkt herum auftreten wird die gew nschte Position in der Praxis jetzt sogar schneller erreicht Auch die verschiedenen Probleme welche bei der Ansteuerung des alten Mo tors ber den Computer aufgetreten sind haben sich gel st da der Getriebemotor den Einsatz der neuen Elektronik erlaubt Komponenten der Elektronik ab Seite 1 15 6 1 2 Direktantrieb der Handr der Probleme Der Antrieb der Handr der ber den Teflon Faden hat sich aus verschiedenen Gr nden f r die neuen Anforderungen nicht bew hrt Insbesondere das h ufige schnelle und pr zise Anfahren von verschiedenen Positionen bereitete Probleme Schon bei der Benutzung als Force Feedback Ger t f llt eine deutliche Rei bung auf Nur so lange der Faden neu ist glatte Oberfl che und optimal einge stellt ist korrekte Fadenspannung und geordnete Wicklung ist diese Kraft ak zeptabel Je fter die Handr der im Laufe der Zeit bewegt wurden um so gr er und ungleichm iger ist die Reibung Dies liegt an der sich abnutzenden Oberfl che des Teflon Fadens am Einschneiden des Fadens in den Kunststoff und an der zunehmenden Unordnung der Wicklung nn 97 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Abbildung 6 2 Die dem Benutzer abgewandte Seite des Force Feedback
43. Endoscopy Using Low Dose Propofol Midazolam and an Opioid In Gastrointestinal Endosco py 59 2004 April Nr 5 S 127 DOI 10 1016 S0016 5107 04 00628 5 ISSN 0016 5107 224 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Conrad 1998 CONRAD K Elektronik Welt Hirschau Conrad Electronic SE 1998 Cotton und Williams 2003 COTTON P B WILLIAMS C B Practical Gastrointestinal Endoscopy The Fundamentals 5 Auflage Oxford Gro britannien Blackwell Publis hers Ltd 2003 ISBN 1 4051 0235 7 Curtis et al 1995 CURTIS W D PEIFER J W SINCLAIR M Simulation of ERCP with computer generated imagery and a reality engine computer In Gastrointesti nal Endoscopy 41 1995 Nr 4 S 319 ISSN 0016 5107 Dafnis et al 2001 DAFNIS G GRANATH F PAHLMAN L HANNUKSELA H EKBOM A BLOMQVIST P The impact of endoscopists experience and learning cur ves and interendoscopist variation on colonoscopy completion rates In En doscopy 2001 Nr 33 S 511 517 DOI 10 1055 s 2001 14964 ISSN 0013 726X Datta et al 2001 DATTA V MANDALIA M MACKAY S DARZI A Evaluation and Validation of a Virtual Reality based Flexible Sigmoidoscopy Trainer In Gut 1 2001 Februar Nr 48 S AlI A124 Datta et al 2002 DATTA V MANDALIA M MACKAY S DARZI A The PreOp flexible sigmoidoscopy trainer In Surgical Endoscopy 16 2002 Oktober Nr 10 S 1459 1463 http dx d
44. Fyvaucr Je st rker diese Kraft ist umso deutlicher bildet sich die bei EndoSim simulierte N Darmschlinge aus Abb R 6 Diese Deformation korreliert mit einem unsymmetrischen Widerstand beim Drehen Da der genaue Verlauf des Zusammenhangs zwischen Fykemun und der n derung des Drehmomentes weder dem vorhandenen Darmmodell inneliegt noch f r den Ausf hrenden von Bedeutung ist wird eine lineare Abh ngigkeit ange nommen Diese gibt die Zunahme des Drehmomentes bei st rkerer Verformung wieder und erlaubt so dem Benutzer das wichtige Erkennen der Intensit t der durch das Endoskop verursachten Deformation M Schlauch m F chlauch son w 8 9 Verformungsrotation Verformung Durch die Multiplikation mit der Vorzeichenfunktiorf der Drehung w wird erreicht dass eine Drehrichtung erschwert und die andere erleichtert wird Da mit wird wie bei einer realen Untersuchung die richtige Vorgehensweise zum Aufl sen einer Darmschlinge erf hlbar Um die Realit tstreue sicherzustellen ist es erforderlich die St rke des Drehmomentes so einzustellen dass die Grenze der Erkennbarkeit einer realen Untersuchung entspricht Dies muss wie bei den anderen Parametern des deskriptiven Modells durch einen Fachmann erfolgen Das Drehmoment durch Reibung setzt sich zum einen aus dem im Rektum Schlauch Rektum MRotationsreibung Und zum anderen aus dem im darauffol IM Schlauch Colon Rotationsreibung entstehenden Moment genden
45. Grad zu bestimmen Dabei wird zwischen optischen und magnetischen Inkremental Gebern unterschieden Gevatter 2000a e Ein optischer Inkremental Geber besteht aus folgenden Subsystemen der Lichtquelle dem Lichtempf nger der Schlitzscheibe und der elektronischen Impulsverarbeitung e Magnetische Inkremental Geber bestehen aus den Subsystemen weich magnetische Scheibe oder weichmagnetische Scheibe mit hartmagnetischen Erregeranordnungen Permanentmagnete und Sensorelementen Die Encoder der wiederverwendeten Motoren f r die Handr der arbeiten optisch die f r den Vorschub und f r die Drehung um die Schlauchachse neu ausgew hl ten Encoder arbeiten magnetisch was wegen der geringeren Gr e g nstiger ist 6 2 2 Probleme der Ansteuerung Die Motoren der beiden Handr der werden jeweils ber eine MIP Positioniersteu erung angesteuert Der Vorteil dieser digitalen Positions Drehzahl und Strom Drehmomentregelung ist dass sie direkt ber eine serielle Schnittstelle RS 232C oder RS 485 an einen Computer angeschlossen werden kann der Nachteil ist ein hoher Preis vgl Maxon Motor 2003 Da sich diese Anbindung der Motoren an die Stromversorgung und den Computer bew hrt hat wurde sie beibehalten Als problematischer stellte sich die Verbindung von Stromversorgung und Computer mit dem Motor der Rotation um die Schlauchachse und mit dem Motor des Schlittenvorschubes dar Geschwindigkeits und ung
46. Lernfortschritte werden erzielt wird dahingehend interpretiert dass die normalerweise auftretenden Lernfortschritte kein Erlernen des Simulators sondern wirkliche Leistungsverbesserungen sind Ob solche Leistungsverbesserungen am Simulator sich auch wirklich positiv auf reale Untersuchungen auswirken sollen die folgenden Studien feststellen Dazu wurden von Park et al 2007b 24 Anf nger bei Koloskopien am Patien ten bewertet wobei jeder zweite vorher ein Simulationstraining absolviert hatte Die Trainierten sind signifikant besser Die Leistungsbestimmung durch den Si mulator stimmt jedoch nur beschr nkt mit der bei realen Untersuchungen berein Auch Ahlberg et al 2005 berpr ften ob ein Training mit dem AccuTouch schnellere Lernerfolge f r Anf nger erlaubt Der Versuch erfolgte mit 24 rzten welche keine Erfahrung in der Koloskopie jedoch Erfahrung in der Gastroskopie hatten Anhand dieser Erfahrung wurden drei Gruppen gebildet von denen jeweils ein zuf llig ausgew hlter Teil ein Vorbereitungtraining am Simulator durchf hrte Danach wurden alle Studienteilnehmer bei ihren ersten zehn Koloskopien am Pa tienten bewertet Die Ergebnisse mit Vorbereitungstraining sind signifikant besser das Caecum wird viel h ufiger erreicht und die Ausf hrungszeit ist geringer Eine vergleichbare Studie kommt von 2004b Dabei wurden acht Lernende von denen die H lfte ein Simulatortraining absolviert hatte bei ihren ersten Untersu
47. M J Accessing the Visible Human Project In D Lib Ma gazine 1995 Oktober http www dlib org dlib october95 10ackerman html Ackerman 1998 ACKERMAN M J The Visible Human Project A resource for anatomical visualization In CESNIK B Hrsg MCCRAY A T Hrsg SCHERRER J R Hrsg Proceedings of the 9th World Congress on Medical Informatics MEDINFO 98 1998 9 S 1030 1032 Ahlberg et al 2005 AHLBERG G HULTCRANTZ R JARAMILLO E LINDBLOM A AR VIDSSON D Virtual reality colonoscopy simulation a compulsory practi ce for the future colonoscopist In Endoscopy 37 2005 Dezember Nr 12 S 1198 1204 http dx doi org 10 1055 s 2005 921049 DOI 10 1055 s 2005 921049 ISSN 0013 726X Ahmad et al 2003 AHMAD A ALNOAH Z KOCHMAN M L KREVSKY B PEIKIN S R MERCOGLIANO G BAILEY M BOYNTON R REYNOLDS J C 215 LITERATURVERZEICHNIS CAMDEN P A WYNNEWOOD N J Endoscopic Simulator Enhances Training of Colonoscopy in a Randomized Prospective Blinded Trial In Gastrointestinal Endoscopy 57 2003 April Nr 5 S 1499 ISSN 0016 5107 Ahn und Lee 2004 AHN W J LEE D Y Interactive Haptic Modeling of Colon and Colonos cope In WESTWOOD J D Hrsg HALUCK R S Hrsg HOFFMAN H M Hrsg MOGEL G T Hrsg PHILLIPS R Hrsg ROBB R A Hrsg Medicine Meets Virtual Reality 12 Building a B
48. Mastery of Colonoscopy during Fellowship In SAGES 2006 April S 100 101 Dunkin 2003 DUNKIN B J Flexible endoscopy simulators In Seminars in Laparoscopic Surgery 10 2003 M rz Nr 1 S 29 35 ISSN 1071 5517 Ebert 1978 EBERT H Hrsg Physikalisches Taschenbuch 5 vollst ndig neu bearbei tete Auflage Braunschweig vieweg 1978 ISBN 3 5280 8417 0 EIA TIA 232 E 1991 Norm EIA TIA 232 E 91 Januar 1991 Interface Between Data Terminal FET 227 LITERATURVERZEICHNIS Equipment and Data Circuit Terminating Equipment Employing Serial Bi nary Data Interchange superceded by TIA 232 F Telecommunications Industry Association TIA Arlington VA Elberfelder Studienbibel 2005 ELBERFELDER STUDIENBIBEL BROCKHAUS Hrsg Elberfelder Studien bibel mit Sprachschliissel Haan F A Brockhaus GmbH 2005 ISBN 3 4172 5908 8 Erler Zimmer 2007 ERLER ZIMMER ERLER ZIMMER GMBH amp CO KG Hrsg Katalog mit Preisliste Nummer 33 Internet http www erler zimmer d Version September 2007 Euler 2001a EULER K Hygienestandards in der Gastroenterologischen Endoskopie Teil 1 In Endoskopie Aktuell Die Vierteljahreszeitschrift ber flexible medizinische Endoskopie 2001 Januar Nr 1 4 6 olympus europa com endo documents OLYInfo_I0Ol pdf Euler 2001b EULER K Hygienestandards in der Gastroenterologischen Endoskopie Teil 2 In Endoskopie Aktuell Die Viert
49. Multiplikation dieser Matrix mit dem Ortsvektor OF ektiv ergibt sich gt Objekti der von allen drei Winkeln abh ngige Ortsvektor O gy AObjektiv __ we a 0 p gt M a is 0 0 sin _ 9 cosa sina 0 2 sin sing i ae ee ee sina cosa 0 2 P 0 1 sin 2 cos 9 sin cos 0 cos cos 2 2 8 g gt Y cosa sin 5 sina sin 5 6 o sIn SIN sa g Lain amp 4l 2 2 sina sin cosa sin 9 9 0 p sin ET 9 sin A cos2 cos2 cos g are siya AObjekti naan Um f r den folgenden Vergleich die Objektivposition O7 bez glich des Colon Objektiv a 0 p von der Eindringstelle bis zum Koordinatenursprung zu addieren Darmes zu erhalten ist zum Ortsvektor O noch die L nge z49 des Darmes AObjektiv _ Anus bis Origo Objektiv Colon Colon Oa ao sgin f sj sin 0 COS Q sm 5 s n Q Sin 5 nZ an 5 sin SIN gt sina sin cosa sin 0 4 9 2 ag P sin amp g cos 8 sin 2 cos AO a cos cos gt cos a sin sina sin 0 2 sin gt sin ina sin 2 sin 2 Al n sin Q sin 5 cosa Sin gt 9 10 sin cos2 sin cos 240 0 cos cos g 4l sin 9 sin A 168 EndoSim 9 1 F hrung anhand professioneller Vorgaben Durch Vergleich der aktuellen Lage des Objektivs COY mitdenn N ver schiedenen Positionen des Objektivs bei den Aufzeichnungen oC n l sst sich die Abweichung
50. Nr 55 Lin et al 2006 LIN O S KOZAREK R A SCHEMBRE D B AYUB K GLUCK M F 241 LITERATURVERZEICHNIS DRENNAN F SOON M S RABENECK L Screening Colonoscopy in Ve ry Elderly Patients Prevalence of Neoplasia and Estimated Impact on Life Expectancy In JAMA The Journal of the American Medical Association 295 2006 Mai Nr 20 S 2357 2365 Logan 2008 LOGAN S Cross Platform Development in C Building Mac OS X Linux and Windows Applications 1 Auflage Boston MA USA Addison Wesley 2008 ISBN 0 3212 4642 X Long und Kalloo 2006 LONG V KALLOO A N AccuTouch Endoscopy Simulator Develop ment Applications and Early Experience In Gastrointestinal Endoscopy Clinics of North America 16 2006 Juli Nr 3 S 479 487 ISSN 1052 5157 Lorenzen 2003 LORENZEN K F Zitieren und Belegen in wissenschaftlichen Arbei ten Internet Version Juni 2003 Love 2005 LOVE R Linux Kernel Handbuch Leitfaden zu Design und Implementie rung von Kernel 2 6 M nchen Addison Wesley 2005 ISBN 3 8273 2247 2 Lucero et al 1995 LUCERO R S ZARATE J O ESPINIELLA F DAVOLOS J APUD A GONZALEZ B GROSSO M Introducing digestive endoscopy with the SimPrac EDF and VEE simulator other organ models and mannequins In Endoscopy 27 1995 S 93 100 ISSN 0013 726X Lunze 2007 LUNZE J Regelungstechnik 1 Systhemtheorethische Grundla
51. Projekt bernommen wurde nur unter Windows entwickelt wurde stellten sich bei den ersten Versuchen mit Linux einige gr ere Probleme heraus Daher sollen im Folgenden neben den Vorteilen der Entwicklung auf mehreren Plattformen die dabei auftretenden Schwierigkei ten und deren L sung betrachtet werden 126 EndoSim 6 3 Software Vorteile der Multiplattformentwicklung Die Ausf hrbarkeit eines Programmes auf mehreren Plattformen ist fiir den An wender von Vorteil denn er erh lt eine gr ere Unabh ngigkeit und damit eine gr ere Zukunftssicherheit da bei ung nstiger Entwicklung eines zugrundelie genden Betriebssystems leicht auf ein anderes ausgewichen werden kann Auch bei der Programmentwicklung ergeben sich Vorteile Die Software wird automatisch mit verschiedenen Compilern unter verschiedenen Betriebssystemen getestet Das hilft Entwicklern eine Menge Programmierfehler zu erkennen die m glicherweise sonst unendeckt geblieben w ren Logan 2008 Dies wurde genutzt um Schwachstellen der Software zu bek mpfen und viele verschiedene Optimierungen vorzunehmen Insbesondere das L sen der Probleme mit Threadg gt und die Reduktion der Ursachen von Compiler Warnings um mehr als 1000 resultieren in einer hohen Stabilit t der Software Problematische Inkonsistenzen bei der Gro und Kleinschreibung im Sour cecode wurden durch das case sensitive Dateisystem von Linux aufgedeckt und durch Einf hrung eines ein
52. SPEC 2006 Das Endoskop kann auf vier Freiheitsgraden in jeweils zwei Richtungen be wegt werden Daraus ergibt sich ein Suchraum S der acht M glichkeiten pro Bewegung umfasst Auf Bewegungskombinationen wurde weitgehend verzichtet da einzelne Bewegungen besser zu vermitteln sind Eine Ausnahme bilden Dreh und Schubbewegungen am Endoskopschlauch die beispielsweise zur Aufl sung von Darmschlingen zeitgleich ausgef hrt werden m ssen In diesem Fall werden die beiden Bewegungen bei Berechnung und Anzeige zusammengefasst Da die L nge der Abfolge linear zunimmt und die M glichkeiten s S sich bei jedem weiteren Schritt verachtfachen ergibt sich f r die Anzahl der Simu lationen eine polynominelle Gr enordnung von O Bewegungen gBewegungen vgl Landau 1909 Dadurch werden die maximal m glichen Bewegungsschritte begrenzt weshalb im Folgenden verschiedene M glichkeiten zur Reduktion der stark Ressourcen beanspruchenden Kraftberechnungen vorge stellt werden Standard Performance Evaluation Corporation Institution welche die aktuell bedeutendsten standardisierten Performance Tests f r die Rechenleistung im praktischen Betrieb definiert 174 EndoSim 9 2 Automatische Hilfe und Fiihrung 9 2 3 Optimierung des Algorithmus Die definierende Eigenschaft von einem diskreten Optimierungsproblem ist dass das unbekannte x von einer endlichen aber oft sehr gro en Menge genommen wird 2006 Die Menge der Bew
53. System Interfaces Portable Applications Standards Committee IEEE Computer Society USA KAIST Ewha 2007a KAIST EWHA KAIST Ewha Colonoscopy Simulator 1 Inter net http discrete kaist ac kr html research Version August 2007 KAIST Ewha 2007b KAIST EWHA KAIST Ewha Colonoscopy Simulator II Inter net http discrete kaist ac kr html research Version August 2007 Kant 1901 KANT I OSTWALD W Hrsg Annalen der Naturphilosophie Bd 1 Deutschland Philosoph 1901 1724 1804 Kassen rztliche Bundesvereinigung 2002 KASSEN RZTLICHE BUNDESVEREINIGUNG Dokumentationsbogen zur Fr herkennungs Koloskopie Muster 38 Berlin Kassen rztliche Bundes vereinigung Oktober 2002 Kassen rztliche Bundesvereinigung 2005 KASSENARZTLICHE BUNDESVEREINIGUNG Einheitlicher Bewertungs ma stab EBM Bd 1 K ln Deutscher rzte Verlag GmbH 2005 ISBN 3 7691 3171 1 Kassen rztliche Bundesvereinigung 2007a KASSEN RZTLICHE BUNDESVEREINIGUNG WEIGELDT U Hrsg Drei Jahre Fr herkennungskoloskopie in Deutschland Ergebnisse der wis senschaftlichen Begleitung von 2003 bis 2005 Pressekonferenz der Fe lix Burda Stiftung Internet Version Februar 2007 m nd 237 LITERATURVERZEICHNIS Kassen rztliche Bundesvereinigung 2007b KASSENARZTLICHE BUNDESVEREINIGUNG Schl sseldienst kostet mehr als Hausbesuch des Arztes Internet nttp www kbv de presse 10764 html Version Juni 2007 Keuchel
54. Transformator f r den Motor Servoverst rker und Schnittstellenkarte mit passendem Netzteil das f r die Kommunikation zwischen Computer und Servoverst rker zust ndig ist hat einen mobilen Einsatz aufgrund des Gewichts des Volumens und der Komple xit t der Verkabelung praktisch unm glich gemacht Auch das f r die neuen Trai ningsm glichkeiten erforderliche pr zise Anfahren bestimmter Punkte scheiterte 112 EndoSim 6 2 Elektronische Ansteuerung da durch die ung nstige bersetzung die Zielposition regelm ig bersprungen wurde Kompakter und pr ziser Antrieb f r den Vorschub ab Seite 93 Der Motor ist nur ein Grund f r den Wechsel Andere Gr nde sind die Pro bleme welche sich durch die Schnittstellenkarte ergaben Sie funktioniert nur mit einem kurzen Kabel und erfordert eine aufwendig durchzuf hrende Abfolge von acht Schritter fiir die Inbetriebnahme Unter Windows wurde gemessen dass tiber 50 der Rechenzeit nur f r die Kommunikation ber diese Karte verwen det werden F r Linux ab Kernel 2 6 steht berhaupt kein Treiber mehr zur Ver f gung Unterschiede zwischen Linux und Windows ab Seite 126 Weder f r Windows noch f r Linux ist ein Update der Closed Source Treiber durch den Entwickler geplant Da der neue Motor weniger elektrische Leistung ben tigt und damit eine klei nere kompaktere und kompatiblere Ansteuerung erlaubt wird auch f r diesen Motor die Ansteuerung ber den Servo
55. Version August 2007 Varley et al 2006 VARLEY R J GOODALL J E BINGENER J Can Proficiency Bench marks be Established using the Endoscopic Simulator In Surgical Endos copy 20 2006 April Nr 1 S 292 8407 DOI 10 1007 s00464 006 3022 8 IS SN 0930 2794 Vasile et al 2003 VASILE B RASULO F CANDIANI A LATRONICO N The patho physiology of propofol infusion syndrome a simple name for a complex syn drome In Intensive Care Medicine 29 2003 S 1417 1425 Verband der Privat rztlichen VerrechnungsStellen 2006 VERBAND DER PRIVAT RZTLICHEN VERRECHNUNGSSTELLEN Geb h renordnung f r rzte GOA Berlin PVS Verband 2006 Voges et al 1997 VOGES U HOLLER E NEISIUS B SCHURR M O VOLLMER T Evaluation of ARTEMIS the Advanced Robotics and Telemanipulator Sy stem for Minimally Invasive Surgery In Proceedings IARP of the 2nd Work shop on Medical Robotics 1997 Vollenweider 2000 VOLLENWEIDER M High quality virtual systems with haptic feedback m nd 261 LITERATURVERZEICHNIS Lausanne Schweiz Ecole Polytechnique F d rale de Lausanne EPFL Diss August 2000 von Clausewitz 1832 VON CLAUSEWITZ C Vom Kriege Deutschland preu ischer General und Milit rtheoretiker 1832 1834 1780 f 1831 von Delius et al 2006 VON DELIUS S FEUSSNER H SCHMID R M FRIMBERGER E Was bringt die elektromagnetische Navigation bei der Routine Koloskopi
56. auszugebende Drehmoment kleiner als das mechanisch vorgegebene sein wird die Bewegung motorisch unterst tzt Auf die se Weise lassen sich die mechanisch bedingten Reibungen ausreichend kompen sieren um der Realit t zu entsprechen Soll eine gr ere Kraft sp rbar sein so wird das prinzipiell vorhandene Dreh moment verst rkt indem der Motor gegen die Bewegung des Benutzers arbeitet So werden auch gro e Wiederst nde f r den Benutzer realistisch erf hlbar Fazit F r eine hohe Realit tstreue gt Realit tstreue maximieren ab Seite 79 wurde in EndoSim eine akustische R ckmeldung integriert und das deskriptive Modell f r die Simulation von Drehungen um die Schlauchachse erweitert Durch die Ber cksichtigung der f r das Drehmoment relevanten Reibungskr fte und insbe sondere durch das von Fachleuten geforderte F hlbarmachen der zum Aufl sen einer Darmschlinge erforderlichen Drehrichtung wurde dies verwirklicht m nd 157 Kapitel 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und Fuhrungssysteme Alles auf Erden l sst sich finden wenn man nur zu suchen sich nicht verdrie en l sst Philemon 3CBC griechischer Dichter In diesem Kapitel werden die neuen Trainingsmethoden beschrieben Es wird gezeigt wie eine professionelle F hrung ohne Ausbilder erm glicht wird und wie sich der Auszubildende bei Schwierigkeiten den richtigen Weg zu finden sowohl optisch als auch haptisch helfen lassen kann 159
57. bis jetzt nicht berpr ft Bei der Haptik ist im Vergleich zum Virtual Endoscope System vorteilhaft dass die Kraft bertragung nicht ber eine punktf rmige sondern ber eine strich f rmige Fl che erfolgt Ob diese etwas gr ere Auflagefl che ausreichend ist um das Koloskop dauerhaft vor Zerst rung zu bewahren kann jedoch bezweifelt wer den denn der erforderliche Anpressdruck muss mit 146 N verglichen mit ande ren medizinischen Force Feedback Ger ten 3 sehr hoch sein Weiterhin stellt sich die Frage ob die Motoren auch unter Belastung ausrei chend synchron laufen Aufgrund des Differentialgetriebes sorgen kleinste Ab weichung daf r dass aus einer Rotation eine translative Bewegung wird Des Weiteren lassen die komplizierte Umsetzung der Bewegungen ber das Differen tialgetriebe und das zwischen Gummiriemen eingequetschte Endoskop erhebliche unerw nschte Reibung erwarten 18Zum Vergleich Das auch am EPFL entwickelte hapische Interface f r interventionale Radio logie erzeugt eine Kraft von maximal 2 N f r die Translation und ein maximales Drehmoment von 4 5 mNm f r die Rotation vgl 2006 64 EndoSim 3 3 Computersimulatoren Eine wesentliche Einschr nkung hat der Koloskopiesimulator der EPFL mit dem Virtual Endoscopy System gemeinsam Beide besitzen kein Force Feedback beziiglich der Steuerung der Endoskopspitze 3 3 5 KAIST Ewha Als Gemeinschaftsprojekt vom RSLab des Korea Advanced Institute
58. dass sich eine in etwa gleichm ige Abstu fung zwischen den elf eingesetzen Aufnahmen ergibt 8 1 5 Auswirkungen der Tonausgabe Da die Auswirkungen der Vorgehensweise jetzt h rbar sind ist es nicht mehr er forderlich sich anhand einer Balkenanzeige ber die auftretenden Kr fte zu infor mieren So kann der Trainierende nach der sofort erfolgenden akustischen R ck meldung durch den virtuellen Patienten wie bei einer realen Untersuchung schnell sein weiteres Vorgehen ausrichten rn 147 8 Optimiertes haptisches und neues akustisches Feedback 8 2 Force Feedback System Aus dem urspriinglich auf drei Freiheitsgraden wirksamen Force Feedback Sys tem EndoSim ab Seite ist ein selbstjustierendes Force Feedback und Positionierungssystem f r vier Freiheitsgrade geworden gt Abb 8 2 Im Folgenden wird dargelegt wie das daf r erforderliche Positionieren mit den Motoren realisiert wurde und wie die haptische Realit tstreue erh ht werden konnte indem durch Erweiterung des deskriptiven Modells die Rotation um die Schlauchachse integriert wurde Abbildung 8 2 Das optimierte und erweiterte Force Feedback Ger t von EndoSim ohne F hrungsrohr und Schlauch l sst neben dem Antrieb f r den Vorschub rechts auch den Antrieb f r die Rotation um die Schlauchachse Mitte erkennen Unter Anwendung der in diesem Kapitel beschriebenen Methoden konnte die Positionierung mit allen Antrieben erm
59. der Endoskopschlauch nicht abknickt wird er von hier 4 Lamellen gestiitzt Evaluierung Die einzige Studie zum KAIST Ewha Colonoscopy Simulator I wurde mit sechs Praktizierenden und neun Studenten ausgefiihrt die jeweils in Gruppen mit Trai ning ausschlie lich am Patienten bzw in Gruppen mit Training sowohl am Pati enten als auch am Simulator eingeteilt wurden F r Praktizierende sowie f r Stu denten gilt gleicherma en dass die zus tzlich am Simulator Trainierten bei der Zeit ohne Sicht und der ben tigten Gesamtzeit besser abschneiden Andere Pa rameter zeigen f r das zus tzliche Simulatortraining keine signifikanten Vorteile vgl KAIST Ewha 2007a Zum KAIST Ewha Colonoscopy Simulator II liegen zwei Untersuchungen vor Bei der nicht klinischen Studie von Kim et al 2007 wurden aus einem kompli zierten Darmmodell mit ausgepr gten Kriimmungen und Darmschleifen schwer zwei vereinfachte Modelle entwickelt mittelschwer und leicht Nach einer Einf hrung wurde von 31 technischen Studenten eine leichte Un tersuchung am Simulator durchgef hrt Etwa die H lfte trainierte dann mittel schwere Untersuchungen bis die von Experten festgelegten Trainingskriterien er nn RO 67 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren f llt waren Zum Vergleich f hrten dann alle eine schwere Untersuchung durch Es zeigte sich dass Trainierte bessere Leistungen bei der Gesamtzeit den Zei ten des Luft Einblasens und Absaugens so
60. der Wechsel zwischen verschiedenen Modi auch einfach ber den Bedienbereich durchf hren Abb 9 3 NextPos HelpDir Help Auto Contig Abbildung 9 3 Das Umschalten zwischen dem Positionier und dem Kr fte simulieren den Force Feedback Modus erfolgt ber das O FFB Kontrollk stchen Rechts neben dem O XY Kontrollk stchen zum Vertauschen der Handr der befindet sich eine Bal kenanzeige die im Simulationsmodus die Gesamtkraft im Positioniermodus die Abwei chung der Haptik darstellt Das Zur ckschalten in einen positionierenden Modus erfolgt entweder durch wiederholtes Bet tigen des FFB Kontrollk stchens oder durch Bet tigung des NextPos Knopfes Im ersten Fall erfolgt die Positionierung in Abh ngigkeit von den vier Positionsreglern im zweiten Fall wird die g nstigste Stelle der Aufnahme herausgesucht und die Haptik entsprechend positioniert Von dort aus kann das Abspielen der Bewegungen komfortabel ber die Kn pfe I gt und gt gt gesteuert werden 162 EndoSim 9 1 F hrung anhand professioneller Vorgaben Wiedergabe unterbrechen und wieder aufnehmen Das F hren anhand einer Aufnahme kann nicht nur angehalten werden um es nach einer Pause wieder fortzusetzen sondern auch um diesen Modus tempor r oder auch dauerhaft zu verlassen Dabei wird von dem p
61. die Leistung P proportional mit der Drehzahl n zunimmt P M w M 2r n 6 13 Passend zum Motor wurde als Getriebe das GP 32 A gew hlt Die Reibung ist sehr gering da im Planetengetriebe nur eine Getriebestufe zum Einsatz kommt So l sst sich der Motor auch dar ber leicht von Hand drehen Der Getriebedurch messer betr gt 32 mm Daraus ergibt sich im Idealfall rundum folgender Abstand Abstand T F hrungsrohr innen TGetriebe aussen F hrungsrohr innen Getriebe aussen 2 2 _ 37mm 32mm u 2 2 5 mm 6 14 Da im Gegensatz zum Motor zwischen Getriebe und F hrungsrohr keine An schl sse sind und keine Leitungen liegen m ssen gen gt dieser kleinere Abstand Aus dem maximalen Dauerdrehmoment von 96 6 mNm des Motors multipli ziert mit den beiden durch das Getriebe vorgegebenen Werten dem Wirkungsgrad von 80 und dem Untersetzungsverh ltnis von 4 8 1 ergibt sich ein Drehmo ment von 370 944 mNm Das maximal kurzzeitig erreichbare Drehmoment er rechnet sich auch aus dem Wirkungsgrad und der Untersetzung des Getriebes je doch multipliziert mit dem Anlaufstrom 18 6 A und der Drehmomentkonstante 53 8 vgl Maxon Motor 2003 mN 4 8 0 8 18 6 A 53 8 3842 611mNm 6 15 Wie die Berechnungen zeigen bersteigt das maximal m gliche Drehmoment deutlich die geforderten 800 1000 mNm 104 EndoSim 6 1 Mechanik Die Genauigkeit des Drehwinkels h ngt von zwei Faktoren ab V
62. einfache dreidimensionale Darstellung vgl Ikuta et al 1998 2000 Das wichtigste Problem d rfte jedoch die Haptik sein So wurde die erste Version des Antriebes wegen des zu starken Schlupfes aufgegeben Auch f r die darauf folgenden Versionen gilt dass die maximalen Kr fte bzw Drehmomente kleiner sind als die von bei realen Untersuchungen festgestellten 43 N bzw 1 Nm Das systembedingte Problem dabei ist dass die Kr fte alleine durch Reibung auf den Schlauch bertragen werden m ssen Der Koloskopschlauch ist blicher weise mit Polytetrafluoroethylen PTFEJ berzogen da durch die geringe Rei bung dieses Kunststoffes die Untersuchung leichter und angenehmer wird F r die bertragung gro er Kr fte hat dies jedoch den Nachteil dass ein gro er An pressdruck erforderlich ist Diese Normalkraft F n l sst sich aus dem Reibungs koeffizient zwischen PTFE und Gummi u 0 3 nach 2005a und der dem Vorschub entsprechenden Reibungskraft Fr 43N nach 2006 berechnen FSP 3 1 F pa H 43N 5 143 333 N 3 2 7 F r den geforderten Vorschub muss die Kugel mindestens mit dieser Kraft konstant auf den Endoskopschlauch gedr ckt werden Da dies ber eine kleine punktf rmige Fl che erfolgt ergibt sich ein so gro er Druck dass mit einer Zer st rung der Oberfl che des Endoskops zu rechnen ist Bis heute liegen weder zur Haltbarkeit des Endoskops noch zum Nutzen des Virtual Endoscope Systems als Trainin
63. entweder optisch ber Pfeile auf dem Bild schirm ausgegeben werden oder wie bei einer von Fachpersonal angeleiteten Untersuchung haptisch erfolgen Zwei Vorteile ergeben sich hierbei e Dem Lernenden kann auch dann noch per Simulator geholfen werden wenn er zu wenig Erfahrung hat um aus einer f r ihn aussichtslosen Position weiter zu kommen Dies spart Aufsicht und damit Zeit des Personals ein e Das Weiterkommen alleine stellt noch keine Garantie f r eine optimale Ausf hrung dar Daher ist es von Interesse durch Nutzen der Hilfe einen m glichst optimalen Weg zu erlernen Das l sst eine Reduktion des n ti gen Kraftaufwandes erwarten und damit eine f r den Patienten schonende Vorgehensweise Ausbildung ab Seite 19 Training mit haptischer Hilfe f r patientenschonende Vorgehensweise Diese erstmalig als Development of a Guiding Endoscopy Simulator auf der MMVRP 15 von Rieger und M nner 2007 vorgestellte Idee soll dem Auszubil denden fundierte optische bzw haptische Hilfe anbieten Indem dem Lernenden gezeigt wird wie aus einer schwierigen Position heraus vorzugehen ist um das weitere Eindringen zu erm glichen wird eine gute Vorbereitung f r die sp tere Praxis erzielt Auch in F llen die ein Auszubildender zwar l sen kann jedoch nur mit gro em Kraftaufwand kann eine solche Hilfe den Weg zu einer patien tenschonenden Vorgehensweise aufzeigen 4 2 Komfortable und kosteng nstige Nutzung Wie d
64. glichkeiten f r unter versorgte Gebiete schaffen die keine Verbindung zu einem akademischen medi zinischen Zentrum oder einem endoskopischen Trainingsprogramm haben 28 EndoSim 3 1 Effektive Ausbildung und Qualit tssicherung durch Simulatoren 3 1 2 Komplexit t des Trainings an Leistungsniveau anpassen Der zweite Punkt ist ebenso durch Trainingsmodelle oder Computersimulatoren l sbar indem die Anforderungen dem Leistungsniveau des Lernenden angepasst werden So k nnen auch gezielt Pathologien trainiert werden die bei Patienten nur selten auftreten Durch optimales Ausw hlen von Art und Schwierigkeit der Untersuchung kann eine perfekte F rderung des Auszubildenden erzielt werden 3 1 3 Kosten und zeiteffektiv ausbilden Wird dem Auszubildenden zus tzlich h ufig die Gelegenheit zum Koloskopie ren gegeben ist mit einer Reduktion der Ausbildungszeit bei erh hter Qualit t zu rechnen Dies wird erm glicht indem Trainingssimulatoren das Training am Patienten und damit das Verursachen von finanziellen Belastungen durch diese Zeitverpflichtungen einsparen McCashland et al 2000 F r Bar Meir 2000b ist jedes Ger t welches Zeit einspart wertvoll Des Weiteren betont er Es ist offensichtlich dass ein Endoskopiesimulator Zeit spart da der Auszubildende schnell und sicher lernen und gepr ft werden kann mit weniger Unannehmlichkeiten f r Patienten und weniger Zeit unter Aufsicht
65. graden bietet Des Weiteren ist dabei erstmals ein Koloskopiesimulator mit Posi tionierung auf den vier Freiheitsgraden realisiert worden Dies wurde genutzt um dem Trainierenden neue M glichkeiten der Hilfe an zubieten Ein Lernender kann sich anhand von Aufnahmen f hren lassen diesen Wiedergabemodus f r eigene Versuche unterbrechen und sich bei Schwierigkei ten wieder auf den empfohlenen Weg zur cksetzen lassen F r Nutzer des Force Feedback Modus wurde die M glichkeit geschaffen sich bei Problemen einen vorausberechneten Weg sowohl optisch als auch haptisch aufzeigen zu lassen Die neu eingef hrten Methoden erweitern in Ausbildung und Assessment den Einsatzbereich von Endoskopiesimulatoren Zus tzlich zu den vorgestellten M g lichkeiten ist es durch die neue Haptik einfach m glich weitere Anwendungen zur Verbesserung das Trainings wie paralleles haptisches Training oder deloka lisierte Anleitung durch einen Experten zu realisieren Danksagung An dieser Stelle danke ich allen die zum Gelingen der Arbeit durch ihre Hilfe durch Motivation und vielfaltigen fachlichen Rat beigetragen haben Besonders hervorheben m chte ich die hilfsbereiten Kollegen der Technischen Informatik namentlich folgende e Olaf K rner von dem ich das Projekt bernommen habe e Ole Jakubik mit dem ich bis er in die R ume von VRmagic wechselte den Raum und Drucker teilte e Yuning Yang meinen freundlichen und hilfsbereiten Z
66. hrend bei einer festgelegten Rechentiefe die Effektivit t der Schritt Opti mierung konstant ist h ngt sie bei der Bereichs Optimierung und damit auch beim Einsatz beider Optimierungen von der Komplexit t der Situation ab Um einen guten Durchschnittswert zu erhalten wurde daher f r den zweiten Versuch die Berechnung des gesamten Weges durch den Darm ausgef hrt er 177 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme K 1000000 x r 4 o 100000 t J o J x b _ e b 10000 r I gt c 1000 h J i 100 n a e ohne Optimierung 8 10 o Schritt Optimierung e E x Bereichs Optimierung n J beide Optimierungen 1 1 2 3 4 5 6 Rechentiefe Abbildung 9 10 Das Diagramm zeigt die Anzahl der erforderlichen Kraftberechnun gen in Abh ngigkeit von den dabei eingesetzten Optimierungen und der ausgew hlten Rechentiefe Anzahl der Bewegungen einer Abfolge Ein exemplarischer Vergleich der Kraftberechnungen bei Rechentiefe vier ohne Optimierung und Rechentiefe sechs mit beiden Optimierungen zeigt dass bei vergleichbarem Rechenaufwand durch Kombinati on beider Einsparm glichkeiten zwei Schritte mehr im Voraus berechnet werden k nnen Wegen des starken Anstiegs der Bewegungsm glichkeiten ist es auch mit Op timierung nicht m glich den kompletten Einf hrvorgang auf einmal zu simulie ren Dennoch ist ein vollst ndiges Berechnen durch Unterteilen der Gesamtstre
67. im weiteren Verlauf um dem Anwender das Anfahren bestimmter Positionen ber Regler auf der grafische Benutzerfl che zu erm glichen Komplexere Anwendungen sind die 186 EndoSim 10 2 Ausblick F hrung des Benutzers anhand einer vom Experten erstellten Vorgabe und f r den Fall dass er beim freien Training in einer problematischen Situation nicht mehr weiter wei das Bereitstellen einer haptischen Hilfe Die Umsetzung der erstgenannten komplexeren Anwendung erlaubt Anf n gern ein von der Verf gbarkeit von Ausbildern unabh ngiges Training indem sie sich anhand einer am besten professionell aufgenommenen Bewegungsfolge f hren lassen Auch f r Fortgeschrittene steht mit der zweitgenannten Anwendung der optischen und haptischen Hilfe durch Berechnung des optimalen Weges eine Trainingsunterst tzung zur Verf gung Der Lernfortschritt kann durch Ver gleich der berechneten mit eigenen Bewegungen erzielt werden Indem sowohl Anf nger als auch Fortgeschrittene so weitgehend auf Hilfe eines Fachmanns verzichten k nnen ist der Simulator in der Lage die vielen Vor teile die mit einem unabh ngigen Training verkn pft sind voll auszuspielen Abbildung 10 1 In Verbindung mit Software und Elektronik ist das Force Feedback Ger t von EndoSim die erste Haptik welche auf allen vier Freiheitsgraden ein aktives Force Feedback und eine Positionierung erlaubt Dies ist Voraussetzung f r ei
68. keiten des Endoskopikers am Patienten zu verbessern spekulieren bez glich des AccuTouch dass falls das Simulatortraining berhaupt einen Nutzen hat dieser nur f r Anf nger relevant ist Dass bis heute keine der Untersuchungen einen Nutzen f r Fortgeschrittene zeigt best tigt diese Annah me Wie schon bei der Kritik zum G Mentor ausf hrlich dargelegt w re der Einsatz von Computersimulatoren jedoch mangels Alternativen gerade f r Fort geschrittene besonders interessant Nach der von Sedlack und Kolars 2002 beschriebenen Methode ist es m g lich festzustellen wieviel Training am Simulator erfoderlich ist um das Niveau eines Experten zu erreichen Selbst unter Ber cksichtigung dass die Bedeutung der Haptik des AccuTouch gezeigt haben im Ge gensatz zum GI Mentor ist damit noch nicht belegt dass Trainingserfolge am Simulator auch Leistungsverbesserungen in der Realit t bedeuten Daher ist die Betrachtung des Simulationstrainings als Vorbereitung auf rea le Untersuchungen von gro er Relevanz F r die Sigmoidoskopie ist der Nutzen zweifelhaft das beobachtende Personal bewertet die Gruppe mit Training am Simulator als nicht besser vgl Sedlack et al 2004a Bei der Koloskopie ergibt sich f r die ersten 30 Durchg nge vgl bzw f r die ersten zwei Monate vgl ein Vorteil Dass sich das Vorbereitungstraining nach dieser Zeit jedoch nicht mehr vorteilhaft auswirkt schr nkt wiederum den Nutzen deutlich ein
69. micum Dies ist Mittel der Wahl ausschlie lich zur Narkose Einleitung und zur Pr medikation Benzodiazepin mit starker Atemdepression kurzer Halbwertszeit 1 3 Stunden aber variabler Wirkdauer bis 20 Stunden und ausgepr gter Wir kungsverst rkung im Alter Arzneimittelkursbuch 2004 Propofol Handelsna me u a Disoprivan geh rt zu den kurz wirkenden intraven sen An sthetika und f hrt bei parenteraler Applikation rasch zum Bewusstseinsverlust der bei blicher Dosierung etwa vier bis acht Minuten anh lt F r eine erw nschte l ngerfristige Sedierung kann Propofol per Dauerinfusion gegeben werden Wegen seiner rasch einsetzenden Wirkung guten Sedierung und Vertr glichkeit ist Propofol ein ge sch tztes und h ufig angewandtes An sthetikum und Sedativum kommission der deutschen Arzteschaft 2004 nn a 17 2 Einf hrung in die Thematik Neben der erwiinschten sedierenden Wirkung haben diese Mittel jedoch auch schwerwiegende Nebenwirkungen vgl 2007 Wegen des Risikos von Atem und Herzstillstand ist Midazolam als Injekti onshypnotikum im Rahmen der sedierenden Behandlung bei diagnostischen en doskopischen Eingriffen mit mehr t dlichen Zwischenf llen belastet als Diaze pam 1 v Auch das Propofol Infusionssyndrom beschrieben bei 21 Kindern und 14 Erwachsenen von Vasile et al 2003 endete teilweise letal Daraus folgt dass solche Mittel die Untersuchung angenehmer machen aber auch gef hr
70. mit dem Endoskop auszuf hren sind um mit m glichst wenig Kraft tiefer in den Darm einzudringen Leuchtet beispielsweise zuerst der Pfeil r ckw rts auf dreht sich die Walze dann nach rechts und leuchtet zum Schluss zweimal der Pfeil vorw rts auf bedeutet dies dass der Benutzer am besten das Endoskop etwas herauszieht dann den Schlauch nach rechts dreht und schlie lich doppelt so weit wieder hineinschiebt Zwischen den Durchg ngen erfolgt eine kurze Pause damit ersichtlich wird dass es sich bei der darauf folgenden Anzeige um eine Wiederholung handelt So 182 EndoSim 9 2 Automatische Hilfe und Fiihrung wohl die Anzahl der Wiederholungen der zyklischen Anzeige als auch die Dauer die ein Pfeil aufleuchtet bzw die Walze sich dreht lasst sich frei einstellen Haptische Ausgabe der Empfehlung Unabh ngig von den Einstellungen f r die ausschlie lich optische Anzeige l sst sich f r den Fall dass die Hilfe ber HelpAuto ausgew hlt wurde einstellen wie schnell und wie oft die empfohlene Abfolge angezeigt werden soll Die Besonderheit bei Wahl dieser Funktion ist dass zus tzlich zur optischen Ausgabe das Force Feedback Ger t von EndoSim zur Positionierung genutzt wird Positionierungssystem f r vier Freiheitsgrade ab Seite 148 Dar ber wird das Endoskop entsprechend den Empfehlungen synchron zum Bild bewegt so dass der Benutzer die beste Vorgehensweise sehen und sp ren kann
71. seiner ersten wissenschaftlichen Abhandlung Lichtleiter eine Erfindung zur Anschauung innerer Theile und Krankheiten nebst der Abbildung beschreibt der Frankfurter Arzt Bozzini 1806 Aufbau und Funktion seiner Erfindung Der ca 35 cm hohe Lichtbeh lter enth lt eine Wachskerze die durch eine Fe dervorrichtung immer in der gleichen H he brennt ber einen Hohlspiegel wird das Licht durch die eine H lfte der Ansatzr hre auf das zu betrachtende Objekt gelenkt Das Bild wird ber die andere H lfte zur ck auf das Auge des Betrach ters geworfen Abb 1 1 Die verschiedenen dazu entwickelten Spekula zeigen Der 1850 51 von Hermann von Helmholtz 1867 1999 1910 entwickelte Augenspiegel wur de lange als erstes Ger t gesehen welches Einsicht in das Organinnere erlaubt Er erlaubt jedoch im Gegensatz zu den typischerweise als Endoskop bezeichneten und im Folgenden beschriebenen Ger ten keinen Eingriff Nachdem das lange Zeit verschollene Orginal des Lichtleiters in den USA wieder aufgetauchte und seit 2002 im Josephinum in Wien ausgestellt ist bestehen keine Zweifel mehr dass Bozzini der Erfinder des Endoskops ist vgl Skopec 2007 2 EndoSim 1 2 Koloskopie zur Krebsfr herkennung dass das Ger t f r die Untersuchung verschiedenster K rper ffnungen gebaut ist Auch das Vornehmen von Eingriffen mit Hilfe des Lichtleiters wird erm glicht indem einzelne Bl tter des Spekulums entfernt werden so dass das umliegende
72. virtuellen Endoskopspitze im simulierten Darm zu bestimmen und diese mit den analog aus der Aufnahme berechneten Werten zu vergleichen Anschlie end wird die beste bereinstim mung aus diesen Vergleichen ausgew hlt Te 163 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme Spiralband Metall Drahtgeflecht H lle Teflon Abbildung 9 4 Die Zeichnung zeigt die f r die Beweglichkeit der Endoskopspitze er forderlichen Elemente des Endoskopschlauches Durch das metallische Spiralband wird einerseits Stabilit t andererseits Beweglichkeit erreicht Das umgebende Drahtgeflecht sch tzt die empfindliche H lle welche aus dem sehr leicht gleitenden Polytetrafluoro ethylen PTFE Teflon besteht Die durch diese Beweglichkeit erm glichte Biegung der Endoskopspitze entsteht indem bei einem Paar Bowdenz ge durch die Handradbewegung der eine Zug verl ngert und der andere um die gleiche Strecke verk rzt wird Da die Z ge am distalen Ende des Schlauches fixiert sind muss sich die Endoskopspitze verbiegen Definition des Koordinatensystems Um Positionen vergleichen zu k nnen ist es erforderlich ein geeignetes Koor dinatensystem einzuf hren Aus praktischen Gr nden wird der Koordinatenur sprung an die Stelle gelegt an der die bewegliche Endoskopspitze beginnt Da der Koloskopschlauch durch das Colon gef hrt ist und die Mittellinie des Darmes als z Achse definiert wird ergibt sich im negativen Teil f r den Schl
73. vorausberechneten Weges Es wurde eine M glichkeit aufgezeigt wie sich ein g nstiger Weg ins Innere des Colons berechnen l sst Da die maximal zu berwindende Strecke durch die in einer akzeptablen Zeit erreichbare Rechentiefe beschr nkt ist wurden passend zum Algorithmus zwei Methoden zur Optimierung vorgestellt Damit konnte die Reichweite deutlich erh ht werden Um noch weiter zu kommen bieten sich zwei Ans tze an Erstens sind bei den vorgestellten Berechnungen weitere Optimierungen denkbar Zweitens erge ben sich im Bereich der Computertechnik laufend Fortschritte so dass auch durch Umstieg auf einen aktuellen Computer die Rechentiefe vergr ert werden kann Indem beide Ans tze kombiniert werden k nnte ein weiterer Weg im Voraus be rechnet werden im besten Fall die komplette Untersuchung auf einmal 10 2 3 Ergonometrie Eine komfortablere Handhabung lie e sich durch Optimieren des nachgebauten Bedienteils und durch Verkleiden des Force Feedback Systems erreichen Das im Vergleich zu seinem Vorbild eckigere Handteil hat durch den Umstieg auf den vorteilhaften da dauerhaft leichtg ngigen Direkt bzw Riemenantrieb noch zwei abstehende Motoren dazubekommen Dieses Problem lie e sich durch den Einsatz von Flachmotoren l sen Beispielsweise hat der EC 45 Flachmotor von 2007 trotz eines gr eren Drehmomentes eine Dicke von Anhaltemoment des RE 35 493 mNm vgl Maxon Motor 2003 Anhaltemoment des EC 45 Flac
74. we oes 88 xii 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software 91 6l Mechanik su oa 28a eR a 92 6 1 1 Kompakter und pr ziser Antrieb f r den Vorschub 93 6 1 2 Direktantrieb der Handr der 2 222 200 97 6 1 3 Rotation um die Schlauchachse 101 6 2 Elektronische Ansteuerung 108 6 2 1 Aufgaben der Ansteuerungen 108 6 2 2 Probleme der Ansteuerung 111 113 6 2 4 Aufbau der Schnittstellenkartel 2 2 2 2 2 115 6 2 5 Einsatz der Schnittstellenkarte 2 2 aaa 122 GI Schw ne aus Gao eve eth ee oe ee eee eee SS 123 6 3 1 Erweiterte Einstell und Kontrollm glichkeiten 124 6 3 2 Grafische Benutzeroberflache 125 6 3 3 Unterschiede zwischen Linux und Windows 126 034 R sult tj 2 as se ae 131 133 7 1 _Komfortabler Start des Ger tesl 222 2 une 134 7 1 1 Ausgaben ber Konsole bis zum Kalibrieren 134 7 1 2 Informationen nach Start der GUI 135 7 2 Informationen und Einstellungen beim Training 136 7 2 1 Richtungsanzeige als Einblendung in das Bild 136 136 Br 137 7 3 Bewertungen w hrend der Untersuchung 2 2 2 137 7 3 1 Darstellung der einzelnen Kr fte 2 2 2 137 7 3 2 Berechnung der Gesamtkraft 22222200 138 7 3 3 Darstellung der Gesamtkraft 22222200 138 see 139 7 4 1 Maximale und mi
75. weiteres rei Mechlauch Colon Rotationsreibung bungsbedingtes Drehmoment dazu Je tiefer das Koloskop in den Darm eingef hrt wird desto l nger ist der Weg auf dem die Darmwand ber hrt wird Da der Schlauch einen deutlich kleineren Durchmesser als das Lumen des Darmes besitzt ergibt sich ein schmaler fast linienf rmiger Ber hrungsweg b Vergleichbar mit einem Autorad welches bei Aquaplaning die Haftung ver liert rutscht so der Koloskopschlauch auf der Schmiermittelschicht welche aus der im Darm vorhandenen Feuchtigkeit und zus tzlichem Gleitmittel besteht der Mucosa entlang Auch bei dieser Schmiermittelreibung kommt es zu einer laminaren Str mung des Fluids denn der Spalt ist klein die Oberfl chen glatt und die Geschwindigkeit gering Die Reibungskraft entsteht dabei ausschlie lich durch die innere Reibung des Schmiermittels Zwischen zwei bewegten Platten mit der Fl che A die durch einen kleinen Spalt d getrennt sind ist ein Geschwindigkeitsgradient von v d zu erwarten was nach Gerthsen und Meschede 2006 zu einer der Geschwindigkeit proportionalen Reibungskraft f hrt v FRx Ang 8 16 Da der Gleitfilm den mit der Nomalkraft Fy angepressten beweglichen K r per tragen muss ergibt sich jedoch ein Druckgradient In der Mitte herrscht der h chste Druck nach au en f llt er auf den umgebenden Luftdruck ab Unter Be r cksichtigung des sich daraus ergebenden parabolisch gekr mmten Geschwin dig
76. werden Abbildung 3 11 Vereinfachte Darstellung des Force Feedback Ger tes von EndoSim Der Schlitten wird ber einen Zahnriemen bewegt An dem im F hrungsrohr liegenden Teil des Schlittens ist der Schlauch ber einen Positionsgeber befestigt ber Bowdenz ge werden von zwei extern positionierten Motoren Kr fte zu den Handr dern bertragen Simulation Ein zentraler Bestandteil der Software von EndoSim ist die VRM Bibliothek Vir tual Reality in Medicine die bereits bei dem ebenfalls an unserem Institut ent wickelten und mittlerweile kommerziell erh ltlichen Augenoperationssimulator EyeSi eingesetzt wird vgl Schill et al 2000 2001 2008 Ze 69 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Die Bibliothek erm glicht sowohl die Simulation als auch die Visualisierung von medizinischen Eingriffen Durch die Bereitstellung vielfaltiger Simulations modelle u a Mass Spring Finite Element Method Chainmail Dragnet Rigid Body Particle ist sie flexibel einsetzbar vgl Wagner 2003 Der Darmverlauf wurde aus einem von 2000 segmentierten Da tensatz des Visible Human Projekts vgl 1995 1998 generiert Um diese Kurve herum wurde dann ein Polygonmodell des Darmes mit dreieckf rmi gen Einschn rungen Haustren konstruiert vgl 2003 Von komplexen Systemen wie der hier vorliegenden Interaktion zwischen Darm und Endoskop k nnen grunds tzlich zwei verschiedene Arten von Mo dellen erzeugt werden vgl
77. 0 1000 mNm 13 5 mm 2 118 519 148 148 N 6 10 Durch die vorgegebene Geometrie des Force Feedback Ger tes sind die M g lichkeiten den Motor nachtr glich einzubauen stark eingeschr nkt Daher ist ne ben dem erforderlichen Drehmoment auf die Gr e zu achten Der Innendurch messer des vorgegebenen F hrungsrohres betr gt ca 37 mm Der Motor muss mit Getriebe und Encoder in dieses zum F hren des Koloskopschlauches verwendete Rohr passen Des Weiteren muss der Motor am Schlitten befestigt werden Aufgrund der vorgegebenen Buchse f r das Ankoppeln der Bewegung auf den Schlauch und des ebenfalls vorgegebenen Schlittens muss der Motor au erhalb der Schlitten Grundfl che montiert werden Erschwerend kommt hinzu dass diese Befesti gung wegen der auftretenden Kr fte einerseits stabil genug sein muss andererseits schmal genug um den Motor durch den unten liegenden Schlitz des F hrungsroh res ca 8 5 mm mit der au erhalb liegenden beweglichen Plattform zu verbinden m nd 101 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Um die Drehbewegung zu bertragen muss der Motor mechanisch mit dem Schlauch gekoppelt werden Dies soll einerseits ohne Schlupf geschehen anderer seits soll die Kupplung kleine Abweichungen der Motorachse zur Schlauchachse ausgleichen k nnen Abb 6 4 Abbildung 6 4 Durch den neu eingebauten Getriebemotor wird ein aktives Force Feedback der Drehung um die Schlauc
78. 2 1 Simulatoren aus k nstlichen Organen 3 2 2 Biosimulationsmodelle 2 2 2222 nenn 3 2 3 Versuchstere u u 2 amp Less wen she en 3 3 Computersimulatoren ees eee eee eRe RE RRS xi 11 13 19 19 23 3 3 1 GI Mentor 2 2 2 oo 41 3 32 AccuTouch 22 40 2er 52 eee eee eee ee 60 3 3 4 Koloskopiesimulator der EPFL 63 3 3 5 KAIST Ewha 2 4 5 4 4 8 0 a aa ola oa ee a 65 oy ok HE wh ac or ae abe e ag Se ae ree 69 4 Zielstellung 73 4 1 Neue M glichkeiten f r ein besseres Training 74 4 1 1 Haptisches Training mit virtuellem Ausbilder 74 ang a 76 4 2 Komfortable und kosteng nstige Nutzung 71 4 2 1 Komfortable Nutzung des Simulators 78 ee a Se ee Se ehe 78 ee sh Bes AUE Fe ee 78 4 3 1 Objektives berpr fen der F higkeiten 78 Inne areas 79 EEE ee ee 79 4 4 1 a ee ni 80 e Go ie dop ia gou e Gere iaae ie A ee A 80 5 Umsetzung 83 5 1 Ansatz zur Realisierung der Ziele 2 2 222200 84 5 2 Mechanik 4 0 0a a naar a aa an ae an 85 5 2 1 Weiterer Antrieb f r viertes Force Feedback 85 5 2 2 Aktives Force Feedback und Positionierung 85 5 3 Elektronik 2 02 Beek ek heed nd ee Be Rae eR eS RS 86 5 3 1 Aufgaben der Elektronik 86 de a Spee Gi ash ee a ee E 87 54 SOMME es lt ans un a ans aa Beate 87 5 4 1 Ansteuerung f r verbesserte Haptik 87 ae
79. 2lNach 1995b splenic flexure w rtlich bersetzt Milzkr mmung igender 22 Abste Dickdarm 3Querverlaufender Dickdarm 4CO wird trotz vieler Vorteile Ausscheidung ber Kreislauf und Lunge unter 20 Minuten weniger Schmerzen nach Untersuchung vgl Church und Delaney 2003 keine Explosionsgefahr bei Eingriff mit Funkenbildung problemloses R ntgen kaum verwendet vgl Classen et al 2003 Nachfolgende Beschwerden sind bei Reizdarm und bei Frauen h ufiger vgl Lee et al 2006 en 15 2 Einf hrung in die Thematik Mesocolon transversum Flexura coli sinistra Flexura coli dextra Colon ascendens Colon transversum Tleum terminale Colon descendens iW fd Colon sigmoidale Caecum Rectum Mesocolon sigmoidale Abbildung 2 4 Der Colon liegt in der Bauchh hle und ist teilweise beweglich Caecum Colon transversum und Colon sigmoidale sind vollst ndig durch das Mesocolon elastisch mit der hinteren Bauchwand verbunden Im Gegensatz dazu sind Colon ascendens und Colon descendens fest mit der hinteren bzw seitlichen Leibeswand verwachsen Komplikationen Um die Untersuchung f r den Patienten angenehmer zu machen k nnen Medika mente zur Analgesie und Sedierung eingesetzt werden In Studien zur Schmerzbek mpfung w hrend des Endoskopierens wurden von bei Erwachsenen und von Ali et al 2004 bei Kindern die Opioide Al JFentanylJund Pethidir eingesetzt Auch in der Studie von
80. 4 KORNER O RIEGER K MANNER R Haptic Display for All Degrees of Freedom of a Simulator for Flexible Endoscopy In COTIN S Hrsg METAXAS D N Hrsg Int Symp Medical Simulation ISMS Bd 3078 Cambridge MA USA Springer LNCS 2004 Lecture Notes in Computer Science 3078 ISBN 3 540 22186 7 S 161 167 Kr ger Brand 2002 KR GER BRAND H E Video Endoskopie Mit einer Kapsel den D nn darm inspizieren In Deusches rzteblatt J g 99 2002 Juli Nr 28 29 S A 1950 ISSN 0012 1207 K hnapfel et al 2000 K HNAPFEL U AKMAK H K Maass H Endoscopic Surgery Trai ning Using Virtual Reality and Deformable Tissue Simulation In Computers amp Graphics 24 2000 S 671 682 K hnapfel et al 1995 K HNAPFEL U KRUMM H KUHN C H BNER M NEISIUS B En dosurgery Simulations with KISMET A flexible tool for Surgical Instrument Design Operation Room Planning and VR Technology based Abdominal Sur gery Training In Proceedings VR 95 World Conference 1995 Kutti 2002 KUTTI N S C and Unix Programming A Comprehensive Guide Incor porating the ANSI and POSIX Standards 1 Auflage VT USA Lightspeed Books 2002 ISBN 1 9291 7540 X Kutz 2002 KUTZ M Handbook of Materials Selection 1 Auflage Hoboken NY USA Wiley amp Sons 2002 ISBN 0 4713 5924 6 Kwon et al 2005 Kwon J Y Woo H S LEE D Y Haptic device for colonoscopy trai ning simul
81. 7 wenig schmeichelhaft sind Der Simulator wird f r die ber pr fung von trainierten Endoskopikern als nicht verwendbar betrachtet Wichtiger als die Evaluation ist der Einsatz des G Mentors f r die Vorberei tung von realen Untersuchungen Nach der Untersuchung von Cohen et al 2006 erzielen Auszubildende nach einem vorher absolvierten Simulatortraining bei den ersten 80 100 realen Koloskopien bessere Ergebnisse Dies zeigt jedoch nur den Vorteil einer Vorbereitungsphase nicht jedoch ob die Art der Vorbereitung op timal war und ob die Ausf hrenden auf Dauer ein besseres Leistungsniveau er reichen Wie der einj hrige Vergleich von zeigt existiert kein anhaltender signifikanter Vorteil des Vorbereitungstrainings Nur dieser Er folg w rde ein aufw ndiges und teures Training mit dem Simulator rechtfertigen F r die Gleichsetzung von Simulatortraining mit dem Training am lebenden Objekt muss sichergestellt sein dass sich das am Simulator Gelernte direkt auf die Realit t bertragen l sst Dies jedoch setzt wiederum voraus dass die Simu lation sehr realistisch ist Da ein solcher Beleg aussteht meinen Ferlitsch et al 2002 dass keine Schl sse ber die Auswirkungen des virtuellen Trainings am Simulator auf die reale Endoskopie gezogen werden k nnten Eine ausreichende Realit tstreue des G Mentors l sst sich aus den folgenden Gr nden bezweifeln Die Studien zum r umlichen Sehen und dem zugeh rigen Vorstellungsver
82. Assistenz die neben grund legenden anatomischen und klinischen Kenntnissen vor allem das entsprechende manuelle Geschick bei der Aus bung des Drucks auf das Abdomen ben tigt H ufig wird an kritischen Stellen der koloskopischen Untersuchung auch eine Umlagerung des Patienten vorgenommen die den Colon in eine f r den Kolosko pierenden g nstigere Position bringt und das weitere Eindringen erleichtert Diese Methode ist laut Shah et al 2000 in 66 der untersuchten F lle erfolgreich und damit deutlich effektiver als die externe manuelle Kompression Auch diese M g lichkeit lie e sich mit EndoSim realisieren da das Ger t durch seine schlanke und durch den neuen Vorschubmotor kompaktere Bauform leicht drehbar zu lagern ist gt Das Anhaltemoment dieser noch flacheren Version betr gt 380 mNm Maxon Motor 2007 i FD 191 10 Riickblick und Ausblick Durch Integration von Drucksensoren in das flexible Mannequin und drehbare Lagerung k nnte ein ideales Trainingsger t geschaffen werden das von Lernen den der Koloskopie und der Assistenz gemeinsam genutzt werden kann So w rde automatisch auch das differenzierte Zusammenspiel der Beteiligten unabh ngig vom Patienten ge bt Denn die Untersuchung erfordert Teamarbeit zwischen Arzt und Endoskopieassistenz Pfeiffer und Neuhaus 2002 10 3 Fazit Abbildung 10 2 EndoSim einsatzbereit f r das Training links und w hrend des Trai nings rechts Durch
83. BN 1 8503 2117 5 Bosch 1940 BOSCH R Rede des Stifters Robert Bosch d A anl sslich der Einweihung des alten Robert Bosch Krankenhauses Deutschland Erfinder Industrieller Stifter 1940 1861 1942 Bowman und Wherry 1985 BOWMAN M A WHERRY D C Training flexible sigmoidoscopy In Gastrointestinal Endoscopy 31 1985 S 309 312 ISSN 0016 5107 Bozzini 1806 BOZZINI P Lichtleiter eine Erfindung zur Anschauung innerer Theile und Krankheiten nebst der Abbildung In Journal der practischen Arzneykunde und Wundarzneykunst 1806 Nr 24 S 107 Bozzini 1807 BOZZINI P Der Lichtleiter oder die Beschreibung einer einfachen Vor richtung und ihrer Anwendung zur Erleuchtung innerer H hlen und Zwi schenr ume des lebenden animalischen K rpers Weimar Landes Industrie Comptoir 1807 Bridges 1999 BRIDGES M The financial impact of teaching surgical residents in the operating room In The American Journal of Surgery 177 1999 Januar Nr 1 S 28 32 DOI 10 1016 50002 9610 98 00289 X ISSN 0002 9610 220 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Brinkschulte und Ungerer 2007 BRINKSCHULTE U UNGERER T Mikrocontroller und Mikroprozessoren 2 berarbeitete Auflage Berlin Springer 2007 ISBN 3 540 46801 3 Brocchi et al 2007 BROCCHI E PEZZILLI R TOMASSETTI P CAMPANA D MORSELLI LABATE A M CORINALDESI R Warm Water or Oil Assisted Colonos copy Toward Simpler Ex
84. Cohen kommen Opioide zum Einsatz Diese sind Wirksam bei Schmerzen starke und st rkste Arzneimittelkursbuch 2004 haben jedoch auch viele teils schwere Nebenwirkungen wie anaphylaktische Reaktion Schock und k nnen auch zum Tod durch Atemdepression f hren 6Nebenwirkungen und Wechselwirkungen von Alfentanil Handelsname u a Rapifen sind mit dem eng verwandten Fentanyl praktisch identisch Pethidin Handelsname u a Dolantin ist der nach INN international g ltige N ame Ali et al verwenden die in der USA bliche Bezeichnung nach USAN Meperidine 16 EndoSim 2 1 Endoskopische Untersuchungen Yoo 4 0 3 9 5 3 0 2 9 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 4 1 1 4 Blutung Perforation Herz Kreislauf gesamt Abbildung 2 5 Das Diagramm zeigt die H he der Komplikationsrate Anteil pro 1 000 Untersuchungen Kassen rztliche Bundesvereinigung 2007a von in Deutschland aus gef hrten Koloskopien aus den Jahren 2003 wei 2004 schwarz und 2005 schraffiert Bei einem klinischen Vergleich zweier Endoskopieverfahren ist angegeben dass in 33 bzw 25 der Untersuchungen auf Sedierung verzichtet wurde In 67 bzw sogar 75 der F lle kamen jedoch Midazolam und Propofol als Seda tive zum Einsatz vgl von Delius et al 2006 Auch Cohen et al 2004 setzen diese beiden Mittel ein nur Midazolam Handelsname u a Dor
85. Computersimulator bestehend aus einem Corpus aus Fiberglas einem Endoskop und einer Computereinheit Der erste Prototyp wurde 19987 vorgestellt vgl Dunkin et al 2007 Die aktuelle Version der GI Mentor II Abb 3 3 ist seit April 2002 erh ltlich Es wurden Anderungen beim Force Feedback vorgenommen und der Aufbau verkleinert Die grunds tzliche Funktionsweise wurde beibehalten so dass die Trainingsmodule kompatibel bleiben vgl Simbionix Ltd 2007 Entwickelt wurde der GI Mentor von Simbionix seit 1997 vgl Fried et al 2007 In Deutsch land wurde er jedoch erst im Jahre 2000 eingef hrt vgl 2003 Al 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Simulation und Grafik Die Computersimulation baut auf einem dreidimensionalen geometrischen Mo dell auf vgl Bar Meir 2000b Sie bildet sowohl die globalen Deformationen des Darmes durch das Endoskop als auch die lokale Deformation des Gewebes bei Interaktion mit der Endoskopspitze nach vgl Dunkin et al 2007 Fiir die grafische Darstellung wird die Textur des Gastrointestinaltraktes wel che auf videobasierten Aufnahmen realer endoskopischer Untersuchungen beruht vom Computer passend manipuliert vgl Aabakken et al 2000 Ausgegeben wird die Grafik ber einen ber hrempfindlichen LCD Flachbildschirm Zus tzlich wer den Ger usche von Insufflation und Absaugen von Luft sowie Patientenbeschwer den imitiert vgl 2007 Simbionix Ltd 2008 Trainingsmodul
86. D K E MENTGES D Tiibinger Endo Trainer SUSI Berlin Springer Verlag 2000 Deutsche Gesellschaft fiir Chirurgie Kongressband Grund und Mentges 2001 GRUND K E MENTGES D Teaching and Learning Manuskript Tiibin gen 2001 Grund et al 1992 GRUND K E STORZ B NARUHN M Integriertes didaktisches Konzept f r die Endoskopie Abstract XXI Kongre der DGE BV M nchen M rz 1992 Grund et al 1999 GRUND K E STRAUB T FARIN G Integriertes Ausbildungskonzept f r die diagnostische und interventionelle flexible Endoskopie In Zeitschrift f r Gastroenterologie 37 1999 S 933 ISSN 0044 2771 Gr nfeld 1879 GR NFELD J Zur Geschichte der Endoskopie und der endoskopischen Ap parate In Medizinisches Jahrbuch Wien 1879 S 237 291 nn 233 LITERATURVERZEICHNIS Gulbins und Obermayr 1995 GULBINS J OBERMAYR K UNIX System V 4 Begriffe Konzepte Kom mandos Schnittstellen 4 berarbeitete und erweiterte Auflage Berlin Springer 1995 Springer Compass ISBN 3 540 58864 7 Haque und Srinivasan 2006 HAQUE S SRINIVASAN S A meta analysis of the training effec tiveness of virtual reality surgical simulators In JEEE Transactions of Information Technology in Biomedicine 10 2006 Januar Nr 1 S 51 58 Ihttp dx doi org 10 1109 TITB 2005 855529 DOI 10 1109 TITB 2005 855529 Heinkel und Kimming 1972 HEINKEL H KIMMING M Phantomtrainin
87. Elektronik und Software a oO x o 3 oJ g Abbildung 6 8 Oben und rechts die Kombinationen aus neuer Schnittstellenkarte mit Servoverst rker ADS 50 5 f r Rotation und Vorschub Links und unten die elektrisch unver ndert f r die beiden Handr der eingesetzten Positionssteuerungen MIP 10 eingesetzt werden Ein DC Tachd ist f r den vorliegenden Fall nicht einsetzbar da dar ber nur die Geschwindigkeit nicht jedoch die Position bestimmbar ist ber einen Resolvei kann zwar die Position bestimmt werden jedoch recht grob 7 Bei Gleichstromtachogeneratoren handelt es sich um permanenterregte Gleichstrommaschi nen Gevatter 2000a Nachteilig ist dass die Me einrichtung selbst schon eine Last f r den Motor darstellt F r die Leerlaufspannung bzw induzierte Spannung der Gleichstrommaschine gilt Uo Gwe n 6 19 Mit const erh lt man Uo cw en 6 20 Der Resolver besteht aus einer drehbaren Prim rwicklung Rotor und zwei r umlich um 90 versetzten Sekund rwicklungen Stator Eine an die Prim rwicklung angeschlosse ne Wechselspannung wird transformiert auf die zwei Sekund rwicklungen bertragen An hand des sinus bzw cosinusf rmigen Spannungsverlaufes an den Sekund rwicklungen ist eine 110 EndoSim 6 2 Elektronische Ansteuerung Nur ein digitaler Inkrementalencoder ist in der Lage die Drehposition mit einer Genauigkeit von unter einem
88. Encoder verwertbarer Spannungsbereich erzielt wird F r einen Umkehrad dierer mit beliebig vielen Eing ngen gilt nach Gevatter 2000b Folgendes U Rr L Rr 6 23 v 1 v 1 u Im hier betrachteten Fall gibt es zwei Eing nge Einen vom Widerstandsnetz werk und einen weiteren um dieses Signal zu symmetrisieren Mitn 2 und Rr Ry folgt 2 U Us Ru y Ua ude U U R Ris 0 4 873V 12 V IMQ 47MQ 0 5MQ 5 104 5 617V_ fiir Reo OMQ 7 999 2 722V fiir Reo 5MOQ 2 2MN 6 24 116 EndoSim 6 2 Elektronische Ansteuerung Aus dieser Rechnung wird ersichtlich dass sich ber den Spindelpotentiome ter eine symmetrische Ausgangsspannung einstellen l sst Der Bereich der Aus gangsspannung von U wurde absichtlich etwas kleiner als der Eingangsspan nungsbereich des Servoverst rkers gew hlt da einerseits U 10 V nicht ber schritten werden darf andererseits eine etwas zu geringe Amplitude durch eine Einstellung am Servoverst rker angehoben werden kann Als Operationsverst rker wird der TL 08 5 eingesetzt der sich durch einen hochohmigen J FET Eingang einen geringen Temperaturkoeffizienten und eine f r diese Preisklasse hohe Slew Rate auszeichnet vgl STMicroelectronics 2001 Eine Filterung erfolgt nicht da hochfrequente Teile des Ausgangssignales Oberschwingungen wegen der Tr gheit des Motors keine Auswirkungen haben Der RISC Microcont
89. Entwicklung eines Endoskopiesimulators mit spezieller Haptik f r verschiedenartige neue Trainingsmethoden Inaugural Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften der Universitat Mannheim vorgelegt von Dipl Phys Klaus Rieger aus Baden Baden Mannheim 2008 Dekan Professor Dr Felix Freiling Universit t Mannheim Referent Professor Dr Reinhard M nner Ruprecht Karls Universit t Heidelberg Korreferent Professor Dr Dr Hans Joachim Bender Universit tsklinikum Mannheim Tag der m ndlichen Pr fung 15 September 2008 Zusammenfassung Koloskopie ist ein endoskopisches Verfahren zur Untersuchung des Colons Da das Erlernen der Untersuchung schwierig ist und fiir den Patienten gef hrlich sein kann wird versucht durch den Einsatz von Trainingsmodellen oder Computersi mulatoren ein patientenunabh ngiges Training zu realisieren Die M glichkeiten und Grenzen dieser Methoden werden in der vorliegenden Arbeit aufgezeigt und daraus neuartige Methoden zur Verbesserung des Trainings abgeleitet Um diese neuen Trainingsm glichkeiten zu realisieren wurde der vorhande ne Simulator EndoSim um eine akustische Ausgabe erg nzt Die Haptik wurde sowohl im Umfang als auch bez glich der Funktionalit t erweitert Dadurch ent stand der erste Koloskopiesimulator welcher eine maximale Realit tstreue durch aktives Force Feedback auf allen bei dieser Untersuchung m glichen Freiheits
90. Fortgeschrittene handelt bei denen in der Praxis sicher noch mit deutlichen Fortschritten zu rechnen ist Damit best tigen die Studiener gebnisse die Einschr nkungen des Ger tes Komplexe manipulative Techniken z B Darmschlingen welche den Simulator f r fortgeschrittene Endoskopiker attraktiver machen w rden werden nicht simuliert Ferlitsch et al 2001 2Simbionix ver ffentlicht keine Preise f r den GI Mentor II Es ist trotzdem m glich die Gr enordnung des Preises durch Vergleich mit hnlichen Systemen abzusch tzen Ein Trainingsmo dell f r die Laparoskopie Box trainer kostet 495 Der Lap Mentor von Simbionix liegt bei ca 90000 also dem 182 fachen vgl 2007 Fr 49 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Die Technik des G Mentors hat sicher auch Auswirkungen auf die unein heitlichen Ergebnisse der sechs Untersuchungen welche die Evaluation mit die sem Simulator betrachten Ubereinstimmend wird festgestellt dass die groBen Leistungsunterschiede zwischen einem Anf nger und einem Experten zu trennen sind Bei geringen Unterschieden zwischen Anf ngern und Fortgeschrittenen bei 2005 und zwischen Fortgeschrittenen und Experten bei Koch 2007 ist jedoch keine sichere Aussage m glich Diplomatisch fordern daher Felsher et al 2005 weitere Versuche um festzustellen ob dieser Simula tor zur Evaluation eingesetzt werden kann w hrend die Expertenmeinungen bei 200
91. GREENLAND R L Colonoscopic Withdrawal Times and Adenoma Detecti on during Screening Colonoscopy In New England Journal of Medicine 355 2006 Dezember Nr 24 S 2533 2541 ISSN 0028 4793 Beer Gabel et al 1992 BEER GABEL M DELMOTTE S MUNTLAK L Computer assisted trai ning in endoscopy C A T E From a simulator to a learning station In Endoscopy 24 1992 S 534 538 ISSN 0013 726X Bergmann et al 1998 BERGMANN L SCHAEFER C DORFM LLER T HERING W T STIERSTADT K Lehrbuch der Experimentalphysik Mechanik Relati vit t W rme Bd 1 11 v llig neubearbeitete Auflage Berlin Walter de Gruyter 1998 ISBN 3 1101 2870 5 Berufsverband deutscher Internisten e V 2008 BERUFSVERBAND DEUTSCHER INTERNISTEN E V Internisten im Netz Internet http www internisten im netz de de_ endoskopie allgemein_332 html Version April 2008 Blaha und Gschwantler 2004 BLAHA B GSCHWANTLER M Kapselendoskopie Sinn oder Unsinn In Journal f r Gastroenterologische und Hepatologische Erkrankungen Sonder heft 1 2004 Nr 2 S 25 28 rn 219 LITERATURVERZEICHNIS Blanchette und Summerfield 2004 BLANCHETTE J SUMMERFIELD M C GUI Programming with Qt 3 Oslo Norwegen Prentice Hall PTR 2004 Bruce Perens Open Source Series ISBN 0 1312 4072 2 Born 1995 BORN G The File Format Handbook Boston MA USA International Thomson Computer Press 1995 IS
92. Ger tes Der neue Motor passt unter die Schiene wo er mit einer Schelle befestigt ist Der lange Zahn riemen nach links laufend ist unver ndert der kurze fr her nach rechts jetzt nach schr g unten verlaufend konnte wie auch die Zahnr der durch einen speziell gebauten Adapter der sich auf der Motorachse befindet wiederverwendet werden Sowohl f r die Wicklungen im Bedienteil als auch f r diejenigen auf den au erhalb montierten Gewindestangen gilt dass der Faden von den verschiedenen Positionen auf der Walze zu einem fixen Punkt gelenkt werden muss um ihn dann durch den Schlauch zu f hren Daraus ergibt sich je nach Wickelposition eine mehr oder weniger starke Schr glage der Schnur die an der Stelle die den Faden auf einen definierten Weg lenkt zu gro en Kr ften f hrt So wurde beobachtet dass die Oberfl che des Teflon Fadens an diesen Umlenkungsstellen schnell abge rieben wird Bei der Umlenkung im Handteil schneidet sich der Faden zus tzlich in den Kunststoff was die Reibung noch mehr vergr ert Durch die unterschiedliche Schr glage des Fadens ver ndert sich auch die Fa denspannung w hrend des Betriebs Dies f hrt bei zunehmender Spannung zu gr erer Reibung und h herem Verschlei bei abnehmender Spannung kann es 98 EndoSim 6 1 Mechanik zum Abrutschen des Fadens von der Rolle im Handrad kommen was eine auf wandige Reparatur erfordert Mit zunehmender Anzahl an Bewegungen nimmt di
93. Intervall ton tog das Verh ltnis zwischen ein und ausgeschaltetem Zustand variiert t U U tel ton 6 18 PWM fon tog pwm 6 18 Steht diese Technik auf allen 4 Quadranten zur Verf gung handelt es sich um 4 Quadranten Pulsweitenmodulation oder kurz 4 Q PWM Dies ist bei den Endstufen s mtlicher bei EndoSim eingesetzer Ansteuerungen der Fall Bestimmung der Position Eine weitere Voraussetzung f r den Einsatz eines Motors in einem System wel ches sowohl einen definierten Ort anfahren soll als auch in der Lage sein soll ein situationsabh ngiges Force Feedback zu erzeugen ist die genaue Bestimmung der Position Daf r gibt es drei bekannte Methoden die in Verbindung mit Motoren 5 In Abh ngigkeit vom Schaltzustand und von der Stromflu richtung kann der Vierqua drantensteller vier Zust nde annehmen Sch nfeld 1995 Diese lassen sich in den vier Quadranten eines Diagramms darstellen I Treiben Rechtslauf II Bremsen Rechtslauf III Treiben Linkslauf IV Bremsen Linkslauf zu Drehzahl bez Einschaltdauer Das Drehmoment des Motors ist dem Strom proportional my km mim und unterliegt wie der Strom pulsfrequenten Schwankun gen Die Pulsfrequenz wird so gew hlt da die Motordrehzahl den Drehmomentschwankungen nicht folgt Damit entspricht die station re Drehzahl dem Mittelwert der Netzspannung UyT T Te UnT Im Re Rm Q km m 6 17 i 109 6 Entwicklung von Mechanik
94. L LO F D SWAIN C P The measurement of forces exerted during colo noscopy In Gastrointestinal Endoscopy 52 2000 August Nr 2 S 237 240 nttp dx doi org 10 1067 mge 2000 107218 DOI 10 1067 mge 2000 107218 ISSN 0016 5107 Arzneimittelkommission der deutschen Arzteschaft 2004 ARZNEIMITTELKOMMISSION DER DEUTSCHEN ARZTESCHAFT Schwere unerwiinschte Arzneimittelwirkungen nach Propofol Infusionen zur Sedie rung In Deutsches rzteblatt 50 2004 Dezember Nr 101 S 3447 Arzneimittelkursbuch 2004 ARZNEIMITTELKURSBUCH BECKER BRUSER W Hrsg Arzneimittel kursbuch 2004 05 Fakten und Vergleiche fiir 14 500 Medikamente 14 Auf lage Berlin A V I Arzneimittel Verlags GmbH 2004 ISBN 3 921687 29 2 Arzneimittelkursbuch 2007 ARZNEIMITTELKURSBUCH BECKER BRUSER W Hrsg Arzneimittel kursbuch 2007 08 14 500 Arzneimittel Nutzen und Kosten systematisch verglichen 15 Auflage Berlin A V I Arzneimittel Verlags GmbH 2007 ISBN 3 921687 31 4 Atmel 1998 ATMEL AVR Assembler User Guide Rev 1022A A 01 98 San Jose CA USA Atmel Corporation Januar 1998 http www atmel com dyn resources prod_documents doc1022 pdf mr 217 LITERATURVERZEICHNIS Atmel 2003 ATMEL AT90S SL4433 8 bit Microcontroller with 4K Bytes of In System Programmable Flash Revision 1042H AVR 04 03 San Jos CA USA Atmel Corporation April 2003 Atmel 2006 ATMEL AVR Hardware Design Consid
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99. Regelungen anhand der folgenden drei Schritte Lunze 2007 e Messen Die Regelgr e wird entweder direkt gemessen oder aus ande ren Messgr en berechnet mr 149 8 Optimiertes haptisches und neues akustisches Feedback e Vergleichen Der Wert der Regelgr e wird mit dem Wert der F hrungs gr e verglichen Die Differenz zwischen beiden Gr en ist die Regelab weichung e t w t y t 8 4 e Stellen Aus der Regelabweichung wird unter Beriicksichtigung der dyna mischen Eigenschaften der Regelstrecke die Stellgr e bestimmt Im vorliegenden Fall ist die F hrungsgr e w t die gew nschte Position und die Regelgr e y t die ber den Encoder bestimmte Position Durch Subtraktion dieser beiden Gr en ergibt sich der Abstand als Regelabweichung e t Unter Zuhilfenahme der zwischen der letzten und der aktuellen Messung ver gangenen Zeit At wird zus tzlich die Geschwindigkeit des Motors v bestimmt Vist 1 8 5 Mit Hilfe dieser Momentangeschwindigkeit und der zuvor bestimmten Re gelabweichung l sst sich die Stellgr e bestimmen Da der Haptik von EndoSim komplizierte kaum in eine Formel zu fassende Reibungskr fte inneliegen und durch das unbestimmte Verhalten des Benutzers weitere nicht vorhersehbare Kr f te auftreten k nnen kommt dabei ein heuristischer Ansatz zur Bestimmung der bestm glichen Kraft zum Einsatz Je gr er die Positionsabweichung ist umso gr er wird di
100. S Hrsg HOFFMAN H M Hrsg MOGEL G T Hrsg PHILLIPS R Hrsg ROBB R A Hrsg VOSBURGH K G Hrsg Medicine Meets Virtual Reality 15 in vivo in vitro in silico Designing the Next in Medicine Bd 125 Amsterdam Niederlande IOS Press Februar 2007 Studies in Health Technology and Informatics 15 ISBN 978 1 58603 713 0 385 387 Ritter et al 2006 RITTER E M MCCLUSKY D A GALLAGHER A G ENOCHSSON m 251 LITERATURVERZEICHNIS L SMITH C D Perceptual visuospatial and psychomotor abilities corre late with duration of training required on a virtual reality flexible endoscopy simulator In American Journal of Surgery 192 2006 September Nr 3 S 379 384 ISSN 0002 9610 Ritter et al 2003 RITTER E M MCCLUSKY D A LEDERMAN A B GALLAGHER A G SMITH C D Objective psychomotor skills assessment of experi enced and novice flexible endoscopists with a virtual reality simulator In American Journal of Gastroenterology 7 2003 November Nr 7 S 871 878 DOI 10 1016 S1091 255X 03 00148 3 ISSN 0002 9270 Robert Koch Institut 2002 ROBERT KOCH INSTITUT Anforderungen an die Hygiene bei der Auf bereitung flexibler Endoskope und endoskopischen Zusatzinstrumentariums In Bundesgesundheitsblatt Gesundheitsforschung Gesundheitsschutz 45 2002 April Nr 4 S 395 411 http dx doi org 10 1007 DOI 10 1007 500103 002 0395 2
101. Saun ders in Classen et al 2003 Kwon et a1 2005 Auch wenn die Kompensation Kr fte durch Tr gheit und Reibung reduziert ist ein realistisches Gef hl noch nicht sichergestellt Diesbez glich ist auch die niedrige Abtastrate von 57 Hz bei der Rotation bzw 50 Hz bei der Translation auffallig Sicher ist bei dieser Haptik dass sich durch das Fehlen eines Force Feedbacks auf die zwei R der am Handteil kein realistisches Gef hl einstellen kann vgl Kwon et al 2005 KAIST Ewha 20074 Bei den Studien fallt auf dass mehrere Parameter keine signifikanten Unter schiede zeigen So finden sich wohl im Gegensatz zur Praxis weder bei Anzahl 68 EndoSim 3 3 Computersimulatoren und Zeiten des Sichtverlustes noch bei der Anzahl der entdeckten Polypen signifi kante Unterschiede zwischen trainierten und untrainierten Personen vgl KAIST Ewha 2007a Kim et al 2007 Die Ergebnisse nach Optimierung von Yi et al 2006a m ssten mit anderen Pr fern getestet werden denn bei nur f nf Personen ist es m glich dass auf deren pers nlichen Geschmack hin optimiert wurde Trotz der genannten Kritikpunkte zeigen die Untersuchungen dass der KAIST Ewha Colonoscopy Simulator als Trainingsger t einen Nutzen bietet Wie hoch dieser ist muss jedoch noch gezeigt werden vgl 2006a 3 3 6 EndoSim Der Koloskopiesimulator EndoSim welcher an unserem Institut entwickelt wird soll jetzt als letztes Forschungsprojekt vorgestellt
102. Start des Programmes berge ben werden verschiedene Einstellungen vorgenommen werden So sind einzelne Module zu Testzwecken an und abschaltbar Softwaremodule ab Seite 201 Beispielsweise kann das Deaktivieren der Haptik interessant sein um zu ber pr fen ob sich auch ohne diese ein Lernfortschritt einstellt oder ob das Force Feedback essentiell ist Auch das Abschalten des R ntgenbildes kann sinnvoll sein So l sst sich testen ob ein Trainierender ohne dieses Hilfsmittel welches in der Praxis den Patienten mit Strahlen belastet auskommt Zur Kontrolle wird sofort nach dem Start ber Konsole best tigt dass alle Mo dule aktiviert sind oder es wird eine Liste der deaktivierten Module ausgegeben Module mit Ausnahme des Moduls werden erstellt Einstellungen ber Startparameter Weitere Einstellm glichkeiten erlauben es schnell und unkompliziert zwischen Eigenschaften der Haptik der Grafik der Akustik und des Ablaufs zu wechseln So kann beispielsweise mit einer Aufnahme von Bewegungen begonnen werden um eine Bewegungsabfolge f r den Wiedergabemodus bereitzustellen 124 EndoSim 6 3 Software Verbesserung der R ckmeldungen ber Konsole Die Ausgaben welche zu Beginn und w hrend des Betriebs von EndoSim ber die Konsole ausgegeben werden wurden erweitert und pr zisiert Abb 6 15 6 3 2 Grafische Benutzeroberfl che Die grafische Benutzeroberfl che auch grafische Benutzersc
103. Trainingsmodellen Folglich sollen sich durch den Computer Vorteile ergeben die anderweitig nicht zu erlangen sind F hrung durch virtuellen Ausbilder Eine solche berlegenheit des Computersimulators ergibt sich beispielsweise in dem die M glichkeit realisiert wird Anf ngern ein eigenst ndiges Training ber Lernprogramme mit haptischer Demonstration zu erm glichen Dadurch wird das Ger t f r die Ausbildungsstelle interessanter denn so kann Aufsicht und der damit verbundene erhebliche finanzielle Aufwand eingespart werden Der Beginn der praktischen Ausbildung am Patienten besteht aus Beobachten der Vorgehensweise des Experten und anschlie endem schrittweisem berneh men des Endoskops Ausbildung ab Seite 119 Dabei l sst sich der Auszu bildende teilweise mitf hren w hrend der Experte die Untersuchung durchf hrt Dieses F hren lassen erlaubt schnell ein Gef hl f r die richtigen Bewegungen zu bekommen Jedoch ist eine vergleichbare Funktion bei den vorhandenen Computersimula toren nicht verf gbar da die Grundvoraussetzungen Positionsbestimmung und aktives Generieren von Kr ften auf allen vier Freiheitsgraden bisher bei keinem Simulator realisiert wurden Sind diese Voraussetzungen gegeben l sst sich die Umsetzung einer solchen F hrung durch zwei Funktionen erreichen e Aufnahme Ein Experte f hrt eine simulierte Endoskopie durch W hrend dessen werden die Bewegungen die er ausf hrt aufgez
104. ab Seite 151 7 3 2 Berechnung der Gesamtkraft Durch Zusammenfassen der vier zuvor genannten einzelnen Kr fte von denen die ersten beiden zusammen wirken Abb und die anderen beiden unab h ngig sind wird die Gesamtkraft berechnet Dabei ist zu beachten dass f r die Gef hrdung des Patienten bei einer En doskopie viele kleine Kr fte nicht so bedeutend sind wie eine gro e Kraft Eine entsprechende Gewichtung ergibt das quadratische Mittel zu dessen Berechnung sich aus Bronstein und Semendjajew 2005 Folgendes entnehmen l sst Sind n nicht notwendig verschiedene reelle Zahlen a1 a2 an gegeben so hei t l 2 Ma a a a2 7 1 n das quadratische Mittel von a1 an Aus den oben genannten Kr ften ergibt sich damit f r einen bestimmten Zeitpunkt die folgende Gesamtkraft 7 2 Schlauch Schlauch 2 Schlauch 2 Schlauch 2 pies je T En F FPranslationsreibung F Rotation 7 3 3 Darstellung der Gesamtkraft Die Ausgabe der Gesamtkraft erfolgt mit Hilfe des dekadischen Logarithmus Durch die logarithmische Darstellung sind einerseits kleine Kr fte deutlich er kennbar andererseits k nnen auch noch extrem gro e Kr fte dargestellt werden 138 EndoSim 7 4 Evaluation durch Statistik am Trainingsende 7 4 Evaluation durch Statistik am Trainingsende 7 4 1 Maximale und mittlere Kraft beim Einf hren Die f r das Einf hren des Endoskops bis zum Caecum im Di
105. ag zu der anderen Seite B Positionswert e Bilde den Mittelwert ALB fahre zu dieser Position und setze Positionswert 0 en D 135 7 Funktionen fiir Komfort und Evaluation 7 2 Informationen und Einstellungen beim Training 7 2 1 Richtungsanzeige als Einblendung in das Bild Auch w hrend des laufenden Trainings kann die Richtungsanzeige in das Bild ein geblendet werden Abb 7 2 Diese tritt immer dann auf wenn der Benutzer Hilfe f r die weitere Vorgehensweise anfordert und darauf hin optisch eine Rich tungsempfehlung erh lt Automatische Hilfe und F hrung ab Seite 1171 Statistics Num Triangles Graphics Hz ms Haptics Hz ms Colldet Hz ms Simulation Hz ms X FFB Oxy I 1 ee re NextPos HelpDir Heipauto Config X wheel force X wheel Hz Quit Y wheel force Y wheel Hz Abbildung 7 2 Die erweiterte GUI mit Richtungsanzeige Diese Einblendung erfolgt zuerst als Funktionskontrolle der Haptik und sp ter bei Bedarf als Richtungsempfehlung 7 2 2 Rahmen mit Fortschritts Positions und Kraftanzeigen Ein Fortschrittsbalken zur Anzeige der Position bei Wiedergabe von Bewegun gen wurde hinzugef gt Dabei zeigt wie immer beim Positionieren der kleine re Balken die Genauigkeit an Im Simulationsmodus wird derselbe zur Anzeige der Gesamtbelastung des Patienten durch Kr fte verwendet und erg nzt damit die g
106. ahren bietet es sich an zwei oder mehrere Ger te zu koppeln Prinzipiell gibt es zwei M g lichkeiten wie das Training mit einem erfahrenen Mediziner durchgef hrt werden kann Zum einen durch unmittelbare Anwesenheit im gleichen Raum zum ande ren indem der Experte ber eine Datenfernverbindung das Training leitet Lokales Training Die einfachste Variante besteht aus dem Koppeln zweier in einem Raum lokali sierter Simulatoren So kann durch gemeinsame Nutzung eines Computers f r die beiden haptischen Ger te eine kosteng nstige L sung ohne den Aufwand einer Datenfern bertragung realisiert werden Das Training besteht darin dass der erfahrene Endoskopiker an einem Ger t vollst ndig die F hrung bernimmt und der Anf nger sich an dem angekoppelten zweiten Ger t mitf hren l sst Handelt es sich um einen Fortgeschrittenen arbeitet der bende selbstst ndig Der Experte greift dann nur noch bei Bedarf ein Nachteil dieser Methode ist dass trotz Simulator ein erheblicher Zeitaufwand f r den Experten entsteht Daher ist es praktikabler wenn mehrere Auszubildende gleichzeitig durch einen Experten betreut werden Dabei sind die Simulatoren der Lernenden f cherartig mit dem des Ausbilders zu verbinden 188 EndoSim 10 2 Ausblick Bei Anf ngern bernimmt der Betreuer wieder vollst ndig die F hrung w h rend die Schulungsteilnehmer jeweils an ihrem Simulator mitgef hrt werden Bei fortgeschrittenen Auszubildenden k
107. aminations In American Journal of Gastroente rology 102 2007 Januar Nr 1 S 1 7 ISSN 0002 9270 Brockhaus 1995 BROCKHAUS DUDENREDAKTION Hrsg DROSDOWSKI G Hrsg Brockhaus Enzyklop die Bd 27 Brockhaus Enzyklop die Mannheim F A Brockhaus GmbH 1995 ISBN 3 7653 1127 8 Brockhaus 2006a BROCKHAUS PAULICK S Redaktionelle Leitung Hrsg PHILIPP A Redaktionelle Leitung Hrsg Der Brockhaus in einem Band 12 Auf lage Mannheim F A Brockhaus GmbH 2006 ISBN 3 7653 1682 2 Brockhaus 2006b BROCKHAUS ZWARN A Redaktionelle Leitung Hrsg WINKENBACH M Projektleitung Hrsg WEISS J Technische Koordination Hrsg Brockhaus Enzyklop die in 30 B nden Bd 15 Brockhaus Enzyklop die 15 KIND KRUS 21 v llig neubearb Auflage Mannheim F A Brockhaus GmbH 2006 ISBN 3 7653 4115 0 Brockhaus 2006c BROCKHAUS ZWARN A Redaktionelle Leitung Hrsg WINKENBACH M Projektleitung Hrsg WEISS J Technische Koordination Hrsg Brockhaus Enzyklop die in 30 B nden Bd 8 Brockhaus Enzyklop die 8 EMAS FASY 21 v llig neubearb Auflage Mannheim F A Brockhaus GmbH 2006 ISBN 3 7653 4108 8 Bronstein und Semendjajew 2005 BRONSTEIN I N SEMENDJAJEW K A MUSIOL G Hrsg M HLIG at 221 LITERATURVERZEICHNIS H Hrsg Taschenbuch der Mathematik 6 vollst ndig berarbeitete und erg nzte Auflage Frankfur
108. an der Motorachse festgeschraubt Uber das x f rmige Verbindungsteil von dem hier nur zwei dunkle Rechtecke zu sehen sind erfolgt die Kraftkopplung Die Anschlusskabel sind so zum Schlitten gef hrt dass sie durch den Spalt im F hrungsrohr passen Dieses F hrungsrohr ist f r die Aufnahme entfernt worden damit der im Betrieb verdeckte Antrieb sichtbar wird 6 2 1 Aufgaben der Ansteuerungen Bei EndoSim kommt f r jedes Force Feedback Ger t genau ein Motor mit An steuerung zum Einsatz F r die vier Freiheitsgrade sind daher vier Ansteuerungen erforderlich Zwei der drei vorhandenen wurden wiederverwendet und zwei wei tere neu entwickelt Die Aufgabe der Ansteuerungen ist die Verbindung zwischen Spannungsquelle Motor Encoder und Computer herzustellen 108 EndoSim 6 2 Elektronische Ansteuerung Spannungsversorgung des Motors F r den Einsatz eines Motors in einem Force Feedback Ger t ist die universellste Ausf hrung der 4 Quadranten Betriet erforderlich da nur dieser die maximal m gliche Beeinflussung des Motors in beiden Drehrichtungen erlaubt Wegen des h heren Wirkungsgrades werden statt linearer Endstufen heute f r gr ere Moto ren getaktete Endstufen eingesetzt vgl 2003 Holmes und Lipo 2003 Diese schalten in kurzen Intervallen den Motor ein ton und wieder aus top Je nach gew nschter Durchschnittsspannung U pwm bzw der davon abh ngigen Geschwindigkeif wird bei gleichbleibendem
109. an muss auch tun Johann Wolfgang von Goethe 1829 deutscher Dichter Im Folgenden wird beschrieben welche Arbeiten in den Bereichen Mechanik Elektronik und Software durchgef hrt wurden Dabei wird jeweils die Vorgehens weise begriindet und die Auswirkungen werden betrachtet 91 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software 6 1 Mechanik Um die in den vorherigen Kapiteln hergeleiteten Ziele umzusetzen wurden die folgenden Arbeiten an der Mechanik zur Optimierung und Erweiterung der Haptik durchgef hrt gt Abb 6 1 e Verbesserter Antrieb f r den Vorschub des Schlittens e Umstellung der Handr der auf Direktantrieb e Antrieb f r die Rotation um die Schlauchachse Abbildung 6 1 Diese Aufnahme zeigt das haptische System von EndoSim wegen des bes seren Einblicks ohne F hrungsrohr F r ein exaktes Positionieren und ein stabiles aktives Force Feedback auf allen Freiheitsgraden wurde der Antrieb f r den Vorschub umgebaut die Handr der auf Direktantrieb umgestellt und ein neuer Antrieb f r die Rotation um die Schlauchachse hinzugef gt 92 EndoSim 6 1 Mechanik 6 1 1 Kompakter und pr ziser Antrieb f r den Vorschub Auf der Schiene des Force Feedback Ger tes kann der Schlitten leicht rollen Dessen Antrieb erfolgt ber einen langen Zahnriemen welcher wiederum ber einen kurzen Riemen von einem Motor angetrieben wird Sowohl der Motor als auch der kurze Zahnriemen befinden sich an der dem Ben
110. and Ohio USA und Immersion Corporation San Jose Kalifornien USA vgl Dun kin et al 2007 Simbionix stellt den GI Mentor her Immersion den AccuTouch Im Bereich der Forschungsprojekte sind das Virtual Endoscope System der japanischen Nagoya Universit t der Koloskopiesimulator der Schweizer Ecole polytechnique f d rale de Lausanne EPFL der koreanische KAIST Ewha Colo noscopy Simulator und EndoSim aus unserem Institut zu nennen An sthesierte Schweine werden in Endoskopietrainingskursen zu bungszwecken ein gesetzt Das Hauptanwendungsgebiet sind Trainingskurse f r die ERCP Muckenhaupt 2005 10 Select IT VEST Systems AG was founded in 2000 by a team of experts in endoscopy surgery VR mechatronics Their simulator is the Virtual Endoscopic Surgery Training VEST system Two applications are available the VSOne Cho trains laparoscopic cholecystectomy and the VSOne Gyn trains laparoscopic gynecology Schijven und Jakimowicz 2003 40 EndoSim 3 3 Computersimulatoren 3 3 1 GI Mentor Abbildung 3 3 Der Nachfolger des ersten kommerziell erh ltlichen Simulators f r die Koloskopie Der Simbionix GI Mentor IT mit freundlicher Genehmigung von Simbionix Vom GI Mentor zum GI Mentor II Der erste kommerziell erh ltliche Endoskopie Simulator f r den Magen Darm Trakt war der GI Mentor der Firma Simbionix vgl Bar Meir 2000a Bei diesem System handelt es sich um einen interaktiven
111. and und Verz gerungen durch Dekodieren sind jedoch relevant Die Kr mmung wird mit einem Verfahren von Catmull und Rom 1974 anhand des durch Kontrollpunkte definierten Weges bestimmt Die Tangente der verbindenden Linie ist dabei an einem Kontrollpunkt immer parallel zur Verbindungslinie seiner beiden Nachbarn Daraus l sst sich wiederum die Kr mmung bestimmen vgl Foley et al 1995 K rner 2003 146 EndoSim 8 1 Akustische Ausgabe Das Klang beschreibende MIDI Format kann soweit die zur vorliegenden Anwendung passenden Kl nge berhaupt vorhanden sind eine vergleichbare Wiedergabe auf verschiedenen Computern nicht garantieren Das Wave Format F r das Speichern und Wiedergeben der verschiedenen Kl nge wurde das Wave Format ausgew hlt Dieses Dateiformat ist ein Containerformat zur digitalen Spei cherung von Audiodaten das auf dem Resource Interchange File Format RIFF aufsetzt und als Nutzdaten die Toninformation in Puls Code Modulation PCM beinhaltet vgl Born 1995 Von Vorteil ist die gro e und plattform bergreifende Verbreitung und der weitgehend gleiche Klang auf verschiedenen Rechnern Schmerz u erungen In diesem Format sind viele verschiedene akustische u erungen die auf k rper liche Beeintr chtigungen schlie en lassen aufgezeichnet worden Zuerst wurden sie digital nachbearbeitet und geschnitten Dann wurden einzelne Files anhand der Intensit t ausgew hlt und sortiert so
112. anf wird das Rektum an das Ko loskop gepresst Daher bildet sich nur eine d nne Schmiermittelschicht die f r die folgende Rechnung mit einer Dicke von 0 15 mm angenommen wird F r den u eren Radius folgt daraus Ra 5 9 mm Der Zusammenhang zwischen der Schlauchdrehung und der Reibung wird all gemein von der Navier Stokes Gleichung beschrieben Ou 2 Fa oS wv Vp nV oe 8 11 3Lamina muscularis mucosae Schicht glatter Muskelzellen in der Schleimhaut des Magen Darm Trakts zw Lamina propria u Tela submucosa beides Bindegewebeschichten dient der Eigenmotilita t der Schleimhaut Pschyrembel 2007 Tunica muscularis Muskelschicht der Hohlorgane z B Ring u L ngsmuskulatur des Magen Darm Trakts Pschyrembel 2007 gt Musculus sphincter ani internus Zone verdickter glatter Ringmuskulatur des Darmrohrs am Canalis analis Pschyrembel 2007 Musculus sphincter ani externus Quergestreifter Muskel zum willk rlichen Verschluss des Analkanals vgl Pschyrembel 2007 ne R 153 8 Optimiertes haptisches und neues akustisches Feedback Im vorliegenden Fall gilt f r diese Gleichung je nach auftretender Str mung eine der beiden folgenden speziellen L sungen vgl 1998 e Laminare Str mung Sie tritt auf wenn die viskose Reibung gro genug ist um die Zentrifugalkraft zu kompensieren Dabei tritt die vom Radius r abh ngige Geschwindigkeit v der zirkularen Couette Str mu
113. ann er das zu bew ltigende Problem vorgeben und sie alleine damit arbeiten lassen Nur wenn bei einem benden Schwierigkei ten auftreten greift der Experte durch gezieltes Ankoppeln seines Simulators dort wieder aktiv ein Auf diese Weise ist es durch die Kopplung mehrerer Ger te m glich dass ein erfahrener Endoskopiker mehrere Auszubildende gleichzeitig und damit zeit und kostensparend betreuen kann Teleteaching Erfolgt die Kommunikation ber gro e Distanzen wird dies auch als als Tele matik eine Kombination von Telekommunikation und Informatik bezeichnet So wurden testweise schon Operationen via Internet durchgef hrt vgl Anvari 2007 F r die Kopplung mehrerer Ger te ist eine Da tenverbindung erforderlich Sie l sst sich mit einem akzeptablen Aufwand ber gr ere Strecken nur dann realisieren wenn auf vorhandene Infrastruktur zur ck gegriffen wird Als bertragungsprotokoll bietet sich das weit verbreitete TCP IP an als Datennetz beispielsweise das innerhalb von Einrichtungen h ufig einge setzte Gigabit Etherne au erhalb ganz allgemein das Internet W hrend die Latenzzeif von 0 512 jus und die bertragungsrate von 1000 Me gabit bei einem Gigabit Netz zweifelsohne ausreichend sind k nnen diese Fak toren bei der gro en Entfernung ber Internet da genannte Parameter hier nicht garantiert sind zu Problemen f hren vgl Schemberg und Linten 2007 Des Weiteren nimmt die Bedeutu
114. ator In Studies in Health Technology and Informatics 111 2005 Februar S 277 279 ISSN 0926 9630 240 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Lanconelli 2007 LANCONELLI C PonyProg Serial Device Programmer Software Inter net http www lancos com prog html Version August 2007 Landau 1909 LANDAU E Handbuch der Lehre von der Verteilung der Primzahlen Leip zig B G Teubner 1909 Laotse 6CBC LAOTSE KIRCHNER B Hrsg Tao Te King China Archivar Philosoph 6CBC 604 v Chr um 517 v Chr Lee et al 2006 LEE Y C WANG H P CHIU H M LIN C P HUANG S P LAI Y P WU M S CHEN M F LIN J T Factors determining post colonoscopy abdominal pain Prospective study of screening colonoscopy in 1000 sub jects In Journal of Gastroenterology and Hepatology 21 2006 Oktober Nr 10 S 1575 1580 http dx doi org 10 1111 5 1440 1746 DOI 10 1111 1440 1746 2006 04145 x ISSN 0815 9319 Leif et al 2002 LEISS O BEILENHOFF U BADER L JUNG M EXNER M Leitlinien zur Aufbereitung flexibler Endoskope und endoskopischen Zusatzinstrumen tariums im internationalen Vergleich In Zeitschrift f r Gastroenterologie 40 2002 S 531 542 ISSN 0044 2771 Leiter 1880 LEITER J Elektroendoskopische Instrumente Reprint Wien Osterreich Max Nitze Museum 1880 Likert 1932 LIKERT R A Technique for the Measurement of Attitudes In Arch Psych 140 1932
115. auch eine Ge rade Im positiven Teil der z Achse kann die Schlauchachse durch die Kr mmung der Endoskopspitze von der Mittellinie des Darmes in x und y Richtung abwei chen Die Projektion der Position des Objektivs auf die x Achse wird als o die auf die y Achse als o und die auf die z Achse als o definiert gt Abb 9 7 Position der Endoskopspitze Die Betrachtung konzentriert sich zun chst auf die Endoskopspitze d h den Teil der mit Hilfe von vier Bowdenz gen ber die beiden Handr der am Bedienteil in zwei Richtungen gebogen werden kann Abb 9 4 Der Abstand d zwischen den jeweils zwei zusammen wirkenden Dr hten ist dabei nur wenig kleiner als der Durchmesser des Endoskopschlauches 164 EndoSim 9 1 F hrung anhand professioneller Vorgaben Wird am Handrad X bzw Y gedreht biegt sich das Ende des Endoskops in der x z Ebene bzw der y z Ebene n herungsweise entlang eines Kreisbogens mit dem Radius rg bzw r und dem aufspannenden Winkel 0 bzw p Die neutrale Faser die genau im Zentrum des Schlauches verl uft besitzt die L nge l Abb 9 5p Daraus ergeben sich folgende Zusammenh nge d d lie n 5 0 lip r 5 P d d log ro 5 6 loo r3 9 d 0 gt l2 l1 9 gt he l d p 9 1 Der Drehwinkel der Handr der ist sowohl von der aktuellen Position als auch aus den Aufnahmen bekannt Da die Drehung der Handr der proportional zur L ngendifferenz der Bowdenz ge und d
116. besondere eine schnell einsetzende F ulnis bei h heren Temperaturen und die mangelnde Hy giene der tierischen Organe vgl 2000 Dass sich mit einem Versuchsaufbau Interventionen nur einmal durchf hren lassen hat einen hohen Aufwand auch w hrend des Trainingskurses zur Folge Durch den Einsatz von Pr paraten welche vom Schwein kommen ist ein solches Training prinzipiell f r gl ubige Muslime und Juden aus religi sen Gr nden verboten 3 2 3 Versuchstiere Prinzip F r diese Art des Trainings werden Tiere eingesetzt deren Haltung finanzierbar ist und die eine mit der des Menschen vergleichbare Anatomie besitzen Sie werden bet ubt als lebende Modelle eingesetzt um das Endoskopieren zu ben Anwendungen ber den Einsatz von Hunden berichten Sievert und Silvis 1981 und ebenfalls Klug und Knoch 1984 Die zweitgenannten setzten Hunde in Kursen ein um diagnostische und therapeutische Verfahren im Colon zu trainieren Insbesondere wurde das Aufl sen von Darmschlingen ge bt Weiterhin k nnen f r Trainings zwecke wie von Gholson et al 1990 1995al b 1995 und Franz et al 2004 beschrieben auch bet ubte Schweine eingesetzt werden F r die drei abrahamitischen Religionen gilt das Schwein wegen des folgenden Textes der sowohl in 3 Moses 11 Vers 7 8 als auch in 5 Moses 14 Vers 8 steht als unrein das Schwein denn es hat gespaltene Hufe und zwar wirklich aufgespaltene Hufe aber es k ut n
117. bson und Williams 2005 THOMAS GIBSON S WILLIAMS C B Colonoscopy training new approa ches old problems In Gastrointestinal Endoscopy Clinics of North America 15 2005 Oktober Nr 4 S 813 827 DOI doi 10 1016 j giec 2005 08 08 ISSN 1052 5157 Thuraisingam et al 2006 THURAISINGAM A MACDONALD J SHAW I S Insights into endosco py training a qualitative study of learning experience In Medical Teacher 28 2006 August Nr 5 S 453 459 http dx doi org 10 1080 DOT 10 1080 01421590600825417 TIA 232 F 1997 Norm TIA 232 F 97 September 1997 Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit Terminating Equipment Employing Serial Bina ry Data Interchange ANSI TIA 232 F 1997 R2002 Telecommunications Industry Association TIA Arlington VA TIA 422 B 1994 Norm TIA 422 B 94 Mai 1994 Electrical Characteristics of Balanced Volta E 259 LITERATURVERZEICHNIS ge Digital Interface Circuits ANSI TIA EIA 422 B 1994 R2000 R2005 Telecommunications Industry Association TIA Arlington VA TIA 485 A 1998 Norm TIA 485 A 98 M rz 1998 Electrical Characteristics of Genera tors and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems ANSI TIA EIA 485 A 98 Telecommunications Industry Association TIA Arlington VA Tietze und Schenk 2002 TIETZE U SCHENK Ch Halbleiter Schaltungstechnik 11 v llig neu bearbeitete und erweiterte Auflage Sp
118. bt wertvolle Kapazit ten von Experten einzusparen Da diese Wertung auf das Anf ngertraining beschr nkt wurde soll jetzt betrachtet werden wie das Simulationstraining auch f r Fortgeschrittene verbessert werden kann 4 1 2 Trainingsunterst tzung f r Fortgeschrittene Durch die vielf ltigen M glichkeiten der Computersimulatoren bietet sich deren Einsatz besonders f r das Training von Fortgeschrittenen an Jedoch werden sie gerade hierf r selten angewandt Wegen des nicht belegten Nutzens f r diese Be nutzergruppe verwundert dies nicht gt Computersimulatoren ab Seite 38 Die Griinde fiir die geringe Verbreitung liegen zum einen in der mangelnden Realit tstreue die gegen Ende dieses Kapitels noch genauer betrachtet wird zum anderen im weitgehenden Fehlen von Funktionen die das Training vom Ausbilder soweit unabh ngig machen dass ein gro er Vorteil darin gesehen wird Aufzeigen des Weges Ein solcher ber die blichen Trainingsm glichkeiten hinausgehender Nutzen kann folgenderma en geboten werden Krankenhaus Salem Akademisches Lehrkrankenhaus der Universit t Heidelberg 15 12 03 76 EndoSim 4 2 Komfortable und kostengiinstige Nutzung Die n chsten Schritte des komplizierten Weges ins K rperinnere sollen bei Schwierigkeiten w hrend eigener Versuche durch eine Hilfe die in Abh ngigkeit von der momentanen Position berechnet wird aufgezeigt werden Die Ausgabe der richtungsanzeigenden Hilfe kann
119. bweise verwendet B 2 Zitate Das Zitieren erfolgt in Anlehnung an die Empfehlungen von Lorenzen 2003 Folgen mehrere Zitate in einem Abschnitt aus derselben Quelle ist die Quelle immer nach dem ersten Zitat angegeben Die weiteren Zitate sind leicht an den Anf hrungszeichen zu erkennen und daher nicht extra markiert Wegen des besseren Leseflusses sind Zitate aus englischsprachiger Literatur teilweise ins Deutsche bersetzt angegeben B 3 Quellenbelege Die Quellenbelege sind nach den aktuellen Normen angegeben e DIN 1505 2 1984 Titelangaben von Dokumenten Zitierregeln e DIN 1505 3 1995 Titelangaben von Dokumenten Literaturverzeichnis 199 Anhang C Softwaremodule C 1 Haptik e Initialisierung Statt Standard Verwendung gespeicherter Einstellungen e Kalibrieren Die Haptik wird berpr ft und auf Ausgangsposition gesetzt e Recorder Eine Aufnahme von Bewegungen f r das F hren wird erstellt e Force Feedback Vorschub Kommunikation mit dem Vorschubmotor Ist die ses Modul inaktiv erfolgt die Positionsbestimmung ber die GUI e Force Feedback Rotation Kommunikation mit dem Motor f r die Rotation um die Schlauchachse Falls inaktiv Positionsbestimmung ber die GUI e Force Feedback Handr der Kommunikation mit den Motoren der beiden Handr der Falls inaktiv erfolgt die Positionsbestimmung ber die GUI C2 Grafik e R ntgenbild Darm und Koloskop werden in einem extra Fenster angezeigt
120. ch Koch und Windeler 2005 Die relative 5 Jahres berlebensrate liegt f r M nner und Frauen inzwischen bei 56 Robert Koch Institut 2006 Es konnte also nur etwa die H lfte der Patienten gerettet werden Daher wird versucht durch vermehrten Einsatz der auf zweierlei Weise wirkendenden Fr herkennung die Letalit tsrate zu verringern Bozzini war sehr vielseitig Seine Vorstellung gab ihm Ideen seine zeichnerischen F higkei ten die M glichkeit sie festzuhalten Abb T 1 Sein Beruf als Arzt bot sowohl Motivation als auch Einsatzm glichkeit f r diese Erfindung Durch seinen fr hen Tod verlie die Endoskopie das experimentelle Stadium nicht Erst ein halbes Jahrhundert sp ter durch Desormeaux 1855 wie derentdeckt wurde die Endoskope von Nitze 1879 und Leiter 1880 deutlich weiterentwickelt E 3 1 Motivation e In etwa einem Dritte der F lle werden Polypen entdeckt die oft eine Pr kanzerose Vorstufe von Krebs darstellen Diese k nnen durch Kauteri sation elektrisches Entfernen und Koagulieren mit einer Schlinge gleich entfernt werden Dieses prophylaktische Entfernen von Polypen Polypek tomie soll deren Entartung verhindern und damit das Risiko verringern dass berhaupt ein Karzinom im Colon entsteht e Falls ein Karzinom entdeckt wird ist das Standardverfahrerf eine offene Resektion des tumortragenden Colons inklusive des region ren Lymphab flussgebietes bei gr er
121. chbandkabel des Encoders f hren an verschiedenen Stellen durch den schmalen Schlitz auf den darunter liegenden Schlitten Beim breiten Flachbandkabel wurde dies erm glicht indem es durch Drehung hinter dem Motor l ngs ausgerichtet wurde F r den Formschlusg zwischen Motor und Ankopplung sorgt eine Klauen kupplung mit einem flexiblen Zahnkranz aus Polyurethan Conrad 1998 Vorteil dieser Verbindung ist dass leichte axiale Achsenverschiebungen Winkel oder Radialverlagerungen m glich sind Eine Klaue wurde mit einer Madenschraube auf der Motorachse fixiert Die zweite Klaue wurde in die Buchse aus welcher der fr her eingesetzte Positionsgeber entfernt wurde montiert Abb 6 6 Dort ist sie tiber eine durchgehende Gewindestange zentrisch befestigt Dazwischen steckt das flexibel verbindende x f rmige Verbindungsteil Das ergibt einerseits eine sta bile Kopplung des Drehmoments erlaubt andererseits einen geringen Versatz der Achsen von Motor und Schlauch auszugleichen Abb 6 7 Formschluss ist eine Art der Verbindung von Maschinenelementen bei der Kr fte und Be wegungen senkrecht zur Ber hrungsebene durch die Form der an der Verbindung beteiligten Teile bertragen werden Meyers 2006 106 EndoSim 6 1 Mechanik Abbildung 6 6 Die Drehbewegung des Motors wird ausgleichend und formschliissig mit Hilfe einer Klauenkupplung tiber die bewegliche Buchse auf den Schlauch tibertragen E
122. chneller erfol gen kann Die Aufeinanderfolge kurzer Befehle ist insbesondere dann g nstiger wenn wie im hier vorliegenden Fall durch Encodersignale schnell auf Interrupts zu reagieren ist an 117 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software den ber Servoverst rker vorhandenen 5 V Daten und nicht fl chtiger Programm Speicheil sind ausreichend und er besitzt einen programmierbaren UART der fiir die nachfolgend beschriebene Kommunikation wichtig ist Entsprechend der Anwendung und dem ausgew hlten Microcontroller wur de die Software in Assembler geschrieben Diese Sprache ist fiir die vorliegende Aufgabe ideal da ein hardwarenahes Programmieren mit vielfaltigen Zugriffen auf die Register bei definiertem Zeitverhalten erforderlich ist vgl Atmel 1998 Des Weiteren wird dabei der knappe Speicher gut genutzt und eine optimale Per formance bei der Programmausfihrung erzielt F r die Kompilierung wurde der Tavrasm Assembler 2007 bzw der 2007 eingesetzt Der kompilierte Maschinencode wurde mit Hilfe eines Programmes von 2007 und eines nach 2007 gebauten Programmieradapters in den Prozessor geladen Der serielle Port Da die Ansteuerung der Handr der ber serielle Schnittstelle vorgegeben ist bie tet sich f r eine einheitliche L sung an den gleichen Anschluss auch f r den Vorschub und f r die Rotation um die Schlauchachse zu nutzen Neben hoher St rsicherheit durch gro e Pegelu
123. chtet dass das zum Motor geh rige Getriebe nicht selbsthemmend ist wie dies z B bei einem u nO 93 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Schneckengetriebe der Fall ist Des Weiteren wurde ein kleines Untersetzungs verh ltnis gew hlt damit das Spiel sowie die zum Bewegen n tige Kraft gering bleiben und die erreichbare Geschwindigkeit nicht zu stark beschr nkt wird Diese Voraussetzungen erf llt der Motor RE 30 von in Verbindung mit dem Getriebe GP 32 A Dieser Motor hat eine Leistung von 60 W Seine Ausstattung mit Rare Earth Neodym Magneter lasst ein hohes Drehmo nent erwarten die Verwendung von Graphitb rsten und Kugellagern eine lange Lebensdauei Das Planetengetriebe hat das Untersetzungsverh ltnis 7 4 8 1 ber den angeflanschten digitalen MR Encoder Typ L werden 500 Impulse pro Umdrehung des Motors zur Positionsbestimmung ausgegeben Da die Achse des neuen Motors d nner ist wurde ein Adapter an der Dreh bank angefertigt um so Zahnrad und Riemen wieder verwenden zu k nnen Des Weiteren wurde eine Halterung zur Befestigung des Motors hergestellt Mit 30 mm Motor bzw 32 mm Getriebe ist der Durchmesser so gering dass die Montage unter der Schiene m glich wurde gt Abb 6 2 Ergebnis Aus Maxon Motor 2003 l sst sich Mio 96 6 mNm als maximales Dauerdreh moment und ein Wirkungsgrad des Getriebes von n 80 entnehmen Daraus Seltenerd Magnete sind wegen ihrer hohen Reman
124. chungen am Patienten nach acht Kriterien bewertet Der Ver gleich zeigt dass bis auf die Eindringzeit die trainierte Gruppe bei den ersten 15 Untersuchungen in allen Kriterien signifikant besser abschneidet Bei drei Kri terien gilt dies auch f r die weiteren 15 Durchg nge Nach der 30 Untersuchung konnte kein Unterschied zwischen den beiden Gruppen festgestellt werden nn 57 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Auch die einfach verblindete randomisierte prospektive Multi Center Studie von Ahmad et al 2003 zeigt dass eine Vorbereitungsphase anfangs vorteilhaft ist Die Leistungen der Lernenden sind in den ersten beiden Monaten verbessert Kritische Betrachtung der Studienergebnisse Neben den Vorteilen des AccuTouch Endoscopy Simulators wie der Verbesserung des Endoskopietrainings vor dem Patientenkontakt dem m glichen Einsatz zur Evaluation und eventueller Kosteneinsparung durch effektivere Ausbildung zei gen die Studien auch eklatante Probleme auf vgl Long und Kalloo 2006 Wie f r den G Mentor gilt auch f r den AccuTouch dass sich mit dem Si mulator gro e Leistungsdifferenzen unterscheiden lassen vgl die Gruppen mit durchschnittlich 455 6 bzw 21 44 durchgef hrten Koloskopien bildeten kleinere Leistungsunterschiede sich jedoch nicht sicher trennen lassen So sind bei von vier betrachteten Parametern zwi schen Anf ngern und Trainierten drei signifikant unterschiedlich zwischen Fort
125. cke in mehrere Abfolgen realisierbar Dieses Aufteilen ist durch die lokale Begrenzt heit von Problemstellen m glich Es muss jedoch sichergestellt sein dass eine Abfolge lang genug ist um eine solche Stelle zu berwinden sonst w rde der Algorithmus an der Problemstelle endlos zyklische Bewegungsmuster ausf hren Der gesamte Eindringvorgang wurde bei einer Rechentiefe von f nf durch vier aufeinander folgende Abfolgen durchgef hrt Auch dieser Versuch zeigt deut lich das Einsparpotential der beiden Optimierungen Besonders deutlich ist dies wiederum bei kombiniertem Einsatz Nur noch 3 der Kraftberechnung werden ben tigt Abb 9 11 178 EndoSim 9 2 Automatische Hilfe und Fiihrung Optimierung ohne Schritt Bereich beide Tiefe Abfolge 1 163 840 37448 99408 2750 44 Abfolge 2 163 840 37448 74786 1120 56 Abfolge 3 163 840 37448 141736 10767 78 Abfolge 4 163 840 37448 134714 7933 100 gt Berechnungsschritte 655 360 149792 450644 22570 rel Berechnungsschritte 100 23 69 3 Abbildung 9 11 Die Tabelle zeigt wie viele Kraftberechnungen f r das komplette Ein dringen in den Colon ben tigt werden Die Berechnungsschritte in Relation zum Eindrin gen ohne Optimierung zeigen deutliche Einsparungen an Rechenleistung vor allem durch Kombination beider Optimierungen W hrend der Abfolge 1 bild
126. ckungsplan f r die Schnittstellenkarte Diese verbindet Computer Stromversorgung und Servoverst rker Der Digital Analog Wandler mit Verst rker Der D A Wandler besteht aus einem ber sechs Ausg nge des Microcontrollers angesteuerten Widerstandsnetzwerk und einem Umkehraddierer Abb 6 11 Die Ausgangsspannung des Widerstandsnetzwerkes l sst sich mit der nachfol genden Formel von Tietze und Schenk 2002 errechnen Beim vorliegenden Fall ist Uef 5 V R 10 KQ Rz 1MQ es gibt n 6 Bits und Z 0 2 1 Une R U 6 21 20 R R Gen 5V 1MQ Ua 55 10kQ 1MQ re 0 077351V 0 63 0 4 873 V 6 22 a 115 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Bit 0 Bit 1 Bit2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Ria Rz Rg R Ro R Rie TAIN R Ra R3 R4 Rs Re Ris 7 12V i j R15 R s Y L aL En Rpoti Jf 12V Abbildung 6 11 Der Schaltplan zeigt den 6 Bit D A Wandler mit nachfolgender inver tierender Verst rkung und Symmetrisierung ber einen Operationsverst rker U ist die Ausgangsspannung des ber den Microcontroller angesteuerten Widerstandsnetzwerkes Die Ausgangsspannung U des Summierverst rkers wird zum Servoverst rker geleitet Diese Spannung wird ber einen Summierverst rker so verst rkt dass ein f r den
127. der Durchf hrung k nnen verschie dene Parameter aufgezeichnet werden Prozentsatz der beobachteten Mucosa be n tigte Zeit f r die Untersuchung mit dem Endoskop zur ckgelegte Stecke m g liche Komplikationen beim virtuellen Patienten erzeugte Schmerzen vgl Sedlack und Kolars 2002 Zus tzlich bietet der AccuTouch einen ein gebauten pathologischen Atlas und didaktisches Material in Form von Videos welche Untersuchungstechniken zeigen vgl 2007 Haptik Das speziell f r den AccuTouch entwickelte Endoskop besitzt am Handteil Senso ren welche Manipulationen an Tasten und Handr dern registrieren Das Tracking der Bewegungen des Endoskopschlauches erfolgt innerhalb des Force Feedback Ger tes vgl Demir 2003 Dieses arbeitete urspr nglich mit Reibungsbremsen also nur passiv vgl 2007 Seit 2003 kommen Motoren f r ein ak tives Force Feedback zum Einsatz vgl 2003 Auf das ber den Arbeitskanal eingef hrte Universalinstrument wirkt eben falls ein Force Feedback vgl 2007 Beim Spiral CT wird der Patient mit konstanter Geschwindigkeit entlang seiner L ngsach se durch die Strahlenebene bewegt w hrend die Strahlenquellendetektoreinheit konstant rotiert Heute k nnen damit bis zu 256 Axialebenen gleichzeitig eingelesen werden Dies erlaubt eine hohe Geschwindigkeit und die Gewinnung von Datens tzen mit isotropen kubischen Voxeln a 53 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Kritische
128. der Koloskopie Nach der Beschreibung der Koloskopie und deren Anwendungen sollen im Fol genden Probleme betrachtet werden welche diese Methode mit sich bringt Kosten Flexible Endoskopien wie die hier betrachtete Koloskopie sind aufw ndig und damit teuer Sie erfordern eine lange Ausbildung Kosten fiir Anschaffung und Pflegd der Instrumente und viel Zeit des Arztes f r Vorbereitung und Durchf h rung der Untersuchung F r diese Leistungen rechnet ein deutscher Arzt abh ngig vom Untersuchungsaufwand und vom Status des Versicherten folgenderma en ab Grundlage f r die Abrechnung bei Privatpatienten ist die Geb hrenordnung f r rzte GOA herausgegeben vom Verband der Privat rztlichen Verrechnungs Stellen 2006 Die Abrechnungsziffer 687 steht f r die hohe Koloskopie bis zum Caecum gegebenenfalls einschlie lich Probeexzision und oder Probepunktion Der Arzt kann daf r 1500 Punkte abrechnen Das bedeutet beim blichen 2 3 fachen Steigerungssatz einen Betrag von 201 09 In der Regel sind die Kosten jedoch h her da der Arzt Leistungen rund um die Koloskopie extra berechnet Im Gegensatz dazu wird bei gesetzlich versicherten Patienten f r einen umfas senden Behandlungskomplex nur einmal pauschal bezahlt Die Bundesvereinigung 2005 legt dabei der Abrechnung bei gesetzlich Versicherten den einheitlichen Bewertungsma stab EBM zugrunde Nach Abrechnungsziffer 13421 gibt es f r den koloskopischen B
129. die neuen Trainingsm glichkeiten k nnen sowohl Anf nger als auch Fortgeschrittene fter ohne Hilfe eines Fachmanns trainieren Dies l sst einen schnelleren Lernfortschritt und damit eine effektivere Ausbildung erwarten Auf dem Weg endoskopische Untersuchungen durch verbessertes Training g nstiger und f r den Patienten sicherer zu gestalten wurde mit EndoSim wei tergegangen indem ein Trainingsger t bereitgestellt wird welches Realit tstreue und neue M glichkeiten der Wissensvermittlung bietet gt Abb 10 2 192 EndoSim Anhang A Abk rzungsverzeichnis 4 Q PWM ASCII ASCRS ASGE CCE CRC D A Wandler EASIE EBM EIA EndoSim EPFL ERC ERCP FDA GATE GOA GUI 4 Quadranten Pulsweitenmodulation American Standard Code for Information Interchange American Society of Colon and Rectal Surgeons American Society for Gastrointestinal Endoscopy Colon Capsule Endoscopy Colorectal Cancer Digital Analog Wandler Erlanger Ausbildungssimulator fiir die interventionelle Endoskopie oder Erlangen Active Simulator for Interventional Endoscopy Einheitlicher Bewertungsma stab Electronic Industries Alliance Endoskopie Simulator Ecole polytechnique f d rale de Lausanne Endoskopisch retrograde Cholangiographie Endoskopisch retrograde Cholangiopankreatikographie Food and Drug Administration Gastroenterologie Ausbildung Training Endoskopie Geb hrenordnung f r rzte Graphical User Interface 195 A Abk rzungsver
130. doskopen eingesetzt Die PillCam Kapsel sendet bis zu zehn Stunden lang zwei Bilder pro Sekunde Das rechte Bild zeigt das distale Ende von einem Zoom Video Endoskop mit freundlicher Genehmigung der Olympus Deutschland GmbH Eine weitere neue Technik die erst durch Video bertragung denkbar wird ist die seit Mitte 2001 verf gbare Kapsel Endoskopie vgl Brockhaus 2006c Durch das Schlucken einer 26 x 11 mm gro en Kapsel die mit Kamera und Sender ausgestattet ist l sst sich der D nndarm statt wie bei konventionellen Methoden nur zu 30 vollst ndig untersuchen vgl Kr ger Brand 2002 Das Auswerten der dabei entstehenden Aufnahme ist sehr aufw ndig vgl Keuchel et al 2006 Die wichtigste Komplikation ist die Retention der Kapsel das sogenannte Steckenbleiben welche nach bei weniger als 0 5 Fl der Untersuchungen beschrieben wird Deren Einsatz im Colon wurde erstmals von und von betrachtet Die Aufnahmen sind nicht mit der Koloskopie vergleichbar Als Ersatz f r das Kolonkarzinom CRC Scree ning f r gro e Populationen wurde die Kapsel in einer Pilotstudie mit folgendem Ergebnis getestet Die CCE I hatte im Vergleich zur Koloskopie eine vielver sprechende Genauigkeit Diese neue nichtinvasive Technik verdient eine weitere Evaluation als eine potenzielle CRC Screening Methode Schoofs et al 2007 3Diese Angabe ist vorsichtig zu interpretieren da endg ltige Komplikationsdaten aus g
131. dr der jetzt betriebssystemunabh ngig Da f r das MipBus Protokoll siehe 2001 kein Linux Treiber vor liegt wurde die Ansteuerung auf den ASCIH lModus ge ndert Alle Befehle f r den Servoverst rker zur Positionierung bzw zur variablen Kraftgenerierung sind vorhanden so dass sich funktionell dadurch kein Unterschied ergibt Tonausgabe Wie im sonstigen Programm wurde auch bei der Tonausgabe versucht m glichst plattform bergreifend zu programmieren Dies lie sich jedoch auf den vorgege benen Plattformen nur durch getrennten Code f r die Tonausgabe erreichen Die Tonausgabe unter Windows erfolgt wie bei allen anderen Ein Ausgaben ber die entsprechende Klasse aus der Klassenbibliothek Qt Die f r die Tonaus gabe zust ndige Klasse wird mit include lt asound n gt eingebunden Es gibt zwei M glichkeiten der Tonwiedergabe Bei der ersten werden die einzelnen Tonfiles zuerst im Konstruktor zugewiesen QSound scream0 sound Sound0 wav QSound screaml sound Soundl wav QSound scream2 sound Sound2 wav An passender Stelle wird der Ton durch folgenden Befehl ausgegeben scream0 play Dieses Verfahren hat den Vorteil dass die Ton Files beim Programmstart gela den und bei Bedarf ohne Verz gerung ausgegeben werden Der Nachteil ist dass Hauptspeicher verbraucht wird F r die elf regelm ig benutzten Tondateien ist das nicht von Bedeutung da sie insgesamt nur 2 9 MB gro sind 25 ASCII A
132. e ber das interaktive Programm lassen sich verschiedene Trainingsmodi und Fall sammlungen ausw hlen Es existieren zwei Trainingsmodule mit je zehn virtu ellen Patienten so dass f r das Training der Koloskopie 20 F lle zur Verf gung stehen vgl Simbionix Ltd 2008 W hrend einer simulierten Untersuchung kann die Position des Koloskops auf einer bersichtskarte ange zeigt werden Am Ende l sst sich der Lernerfolg computerunterst tzt berpr fen vel Koch etal 2007 Simbionix Lil 2008 Weiterhin stehen zwei Trainingsprogramme zur Verfiigung die an Computer spiele erinnern Bei Endobubble ist die Aufgabe Luftballone im Darm durch eine Nadel an der Endoskopspitze zum Platzen zu bringen Bei Endobasket be steht die Aufgabe darin mit der Endoskopspitze B lle aufzunehmen und sie in einen Korb zu werfen Ziel dieser Spiele ist es Anf ngern die grundlegende Be dienung des Endoskops beizubringen ohne sie durch eine klinische Umgebung abzulenken vgl 2007 Haptik In dem Mannequin befindet sich das Force Feedback Ger t Eine Reihe von pneu matischen Bremsen erzeugt der Situation entsprechend sowohl einen Widerstand in translativer Richtung Bewegung hinein bzw heraus als auch auf die Rotation 42 EndoSim 3 3 Computersimulatoren des Endoskopschlauches Abb 3 4 Als Endoskop kommt ein modifiziertes Pentax ECS 3840F zum Einsatz bei dem die optischen Komponenten durch Sen soren zur Positionsbest
133. e In Endoskopie heute 19 2006 S 23 25 DOI 10 1055 s 2006 921522 ISSN 0933 811X von Goethe 1816 VON GOETHE J W Italienische Reise Deutschland Dichter Naturwissen schaftler Kunsttheoretiker Staatsmann 1816 17 1749 1832 von Goethe 1829 VON GOETHE J W Wilhelm Meisters Wanderjahre Deutschland Dichter Naturwissenschaftler Kunsttheoretiker Staatsmann 1829 1749 1832 von Helmholtz 1867 VON HELMHOLTZ H Handbuch der physiologischen Optik 1867 ISBN 3 8 102 07 14 4 Buch vergriffen daher englische bersetzung betrachten von Helmholtz 1910 VON HELMHOLTZ H SATTLER K H Hrsg Klassiker der Medizin Bd 4 Beschreibung eines Augenspiegels zur Untersuchung der Netzhaut im lebenden Auge Leipzig J A Barth 1910 von Helmholtz 1999 VON HELMHOLTZ H SOUTHALL J P C Hrsg Helmholtz s Treatise on Physiological Optics London Gro britannien Thoemmes Continuum 1999 ISBN 1 8550 6831 1 Englische bersetzung des vergriffenen von Helmholz 1867 262 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS von Syrakus 3CBC VON SYRAKUS Philemon Fragmente Griechenland Dichter 3CBC um 360 v Chr um 264 v Chr VRmagic 2008 VRMAGIC VRmagic Homepage EYESi Ophthalmosurgical Simulator Internet http www vrmagic com de medical_simulators Version April 2008 Wagner 2003 WAGNER C Virtuelle Realit ten f r die chirurgische Ausbil dung Str
134. e Darstellung Tonausgabe aktiv tube Vorschubmotor aktiv wheel Handraeder aktiv Voreinstellungen werden verwendet Alle Module werden jetzt erstellt vgrGraphLoader read graph file IM Anwendung Meldungen 4f Valgrind J Konsole Suche in Dateien CTags amp Haltepunkte Probleme Zeile 13 Sp 28 Einf NORM Abbildung 6 15 ber die Konsole werden w hrend des Betriebs Meldungen ausgege ben Beim Start ber die gew hlten Einstellungen und Ergebnisse des Hardwaretests im laufenden Betrieb ber wichtige Ereignisse der Simulation der Grafik und der Haptik u D 123 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software 6 3 1 Erweiterte Einstell und Kontrollm glichkeiten Initialisierungsfile ber das Initialisierungsfile lassen sich selten zu ndernde Parameter bez glich Grafik Darmmodell und Koloskopgeometrie einstellen Da nderungen von Ein stellungen regelm ig zu Programmabst rzen f hrten wurden die Routinen zum Einlesen und Abspeichern komplett neu geschrieben Falls dieses Einstellungsfile beim Programmstart nicht zur Verf gung steht werden jetzt Voreinstellungen die einer blichen Anwendung entsprechen verwendet Beim Beenden des Programmes werden ge nderte Werte in das In itialisierungsfile bernommen so dass sie beim n chsten Programmstart wieder zur Verf gung stehen Module ber Startparameter deaktivieren Zus tzlich k nnen jetzt ber Parameter die beim
135. e Endoskopspitze in das simulierte Rektum Dabei werden dem Benutzer Informationen nach Be deutung sortiert bermittelt Spezielle als Text die wichtigsten hervorgehoben als grafische Einblendung in das Bild So wird durch das automatische Einstellen und die Hervorhebung des gew hlten Trainingsmodus ein schneller Start erm glicht Eine der n tigen Erweiterungen der Software f r den anschlie enden laufen den Betrieb ist zun chst die Erhebung von Daten ber das Benutzerverhalten Daraus lassen sich Berechnungen durchf hren die zu passenden optischen und akustischen Ausgaben w hrend der Untersuchung f hren So k nnen Balken die auftretenden Kr fte anzeigen und die berwindung einer Reizschwelle zum Trig gern von Laut u erungen verwendet werden Weitere Algorithmen sind f r die neuen Trainingsm glichkeiten zu entwickeln und zu implementieren Aufzeichen und Wiedergeben von Positionen und das Finden des n chsten Punktes der Aufnahme um nach einer Unterbrechung mit der Wiedergabe fortfahren zu k nnen au erdem das Auffinden des weiteren Weges um dem Benutzer haptisch und optisch zu helfen Zum Abschluss einer Untersuchung ist es Aufgabe der Software die erfassten Daten statistisch auszuwerten und diese f r die Evaluation des Benutzers optisch darzustellen 88 EndoSim Kapitel 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Es ist nicht genug zu wissen man muss auch anwenden es ist nicht genug zu wollen m
136. e Unordnung der Wicklun gen zu Dies fiihrt neben einer allgemeinen Reibungszunahme zu einem ungleich m igen Verhalten Einmal geht das Abwickeln leicht ein anderes Mal wird der Faden durch eine schr g dar ber liegende Wicklung am Abwickeln gehindert so dass er sich entweder mit einem Ruck l st oder berhaupt nicht abzuwickeln ist was im Fall des Weiterdrehens zum Zerst ren des Fadens f hrt Die Handr der werden nicht nur schwerg ngiger sondern auch das schwam mige Gef hl wird mit der Zeit st rker Dies liegt neben Problemen der Wick lung und des Einschneidens daran dass die F den eine gewisse Elastizit t haben und sich im Laufe der Zeit immer mehr dehnen An einem handels blichen Endo skop wurde das Verhalten zum Vergleich getestet Wie erwartet verh lt sich dieses durch die kr ftigen Bowdenz ge sehr pr zise die Bewegung der Spitze ist fest mit den Handr dern gekoppelt ein schwammiges Gef hl tritt nicht auf Ansteigende Reibung Bildung von Rillen und Verschlechterung der Wick lung sorgen f r eine zunehmende Abnutzung und f hren damit zur Zerst rung des kraft bertragenden Fadens In Verbindung mit der neu einzuf hrenden Posi tionierung werden besonders viele Bewegungen ausgef hrt wodurch dieser Ver schlei stark beschleunigt wird Daher mussten bei den ersten Versuchen mit die sem Modus regelm ig die F den ausgewechselt werden Tests mit verschiedenen anderen Seilen Nylon Stahlvorfac
137. e Verwendung von Ganzzahlen spricht dass durch die Encoder solche vorgegeben sind und damit Rundungsprobleme vermieden werden Nachdem der Benutzer die Beendigung der Untersuchung angezeigt hat wird das beschriebene Array abgespeichert 160 EndoSim 9 1 F hrung anhand professioneller Vorgaben Als Resultat liegt eine Datei vor in der s mtliche Bewegungen zur sp teren Wiedergabe aufgezeichnet sind Diese Datei kann als Teil einer Sammlung archi viert werden Auch ist es prinzipiell m glich die Aufzeichung an einem anderen Ort zu verwenden indem sie z B ber Internet verschickt wird Der Simulator ist nach abgeschlossener Aufnahme wieder im Force Feedback Modus oder beginnt falls vom Benutzer gew nscht sofort mit der Wiedergabe der aufgenommenen Bewegungen 9 1 2 Wiedergabe von Bewegungen Abbildung 9 2 Erfolgt die Wiedergabe von Bewegungen bei Programmstart wird dies durch einen entsprechenden Schriftzug angezeigt Auch bei laufender Simulation kann dieses F hren lassen anhand einer professionellen Aufnahme gestartet werden Falls ber Startparameter definiert startet die Wiedergabe sofort Abb B 2 Ansonsten kann sie jederzeit ber die GUI oder per Tastatur aktiviert werden W hrend der Wiedergabe werden die aufgezeichneten Positionen mit Hilfe der Motoren angefahren Positionierungssystem f r vier Freiheitsgrade ab Seite 148 Dabei entsprechen nicht nur die Bewegungen des Endoskops sonde
138. e f r das Einf hren des Endoskops bis zum Caecum im Die f r das Einf hren des Endoskops bis zum Caecum im T quadratischen Mittel eingesetzte Kraft betr gt 29 9693N 7 quadratischen Mittel eingesetzte Kraft betr gt 1 3306N quadratischen Mittel eingesetzte Kraft betr gt 0 769885N Die maximale Kraft betr gt 55 6776N Die maximale Kraft betr gt 23 9792N 4 Die maximale Kraft betr gt 19 3649N Dies ist eine unterdurchschnittliche Leistung Dies ist eine durchschnittliche Leistung 4 Dies ist eine berdurchschnittliche Leistung ara Abbildung 7 3 Informationen ber das Einf hren des Endoskops erfolgen ber extra Fenster welche beim Erreichen des Caecums ge ffnet werden Hier ist die Ausgabe von drei verschiedenen Versuchen zu sehen bei denen verschieden gro e Kr fte eingesetzt wurden Die Wertung ist umso besser je geringer die eingesetzte mittlere Kraft ist wobei eine extrem gro e Maximalkraft vgl Appleyard et al 2000 zur Abwertung f hrt Aus den Gesamtkr ften die zu verschiedenen Zeiten des Einf hrvorganges auftreten wird die Maximalkraft und eine im Mittel wirkende Kraft berechnet Das quadratische Mittel ist eine solche Methode zur Mittelwert Bildung ei ner Zahlen oder Messreihe Bei der quadratischen Mittelung haben die gr eren Werte einen st rkeren Einfluss als die kleineren vgl Bullen 2004 Dies entspricht einer realistischen Bewertung des Endoskopikers Sehr starke und damit patient
139. e gew nschte Geschwindigkeit vso gew hlt Usoll e t 8 6 Dies erm glicht einerseits ein schnelles Vorw rtskommen bei weiten Strecken andererseits wird durch eine geringe Vorschubgeschwindigkeit nahe des Ziel punktes ein Oszillieren um diesen verhindert Um die gew nschte Geschwindig keit zu erreichen wird vom Regelglied k eine Kraft vorgegeben und bei der n ch sten Messung deren Auswirkung betrachtet Ist die Geschwindigkeit zu gering wird diese Kraft bestimmende Gr e erh ht ist sie zu hoch wird sie verringert ee f so is F k vist elt At vsou elt N a 8 7 Fiat f r Vist lt Vsoll 150 EndoSim 8 2 Force Feedback System Logarithmische Anzeige des Resultats der Positionierung Das Ergebnis des vorgestellten Algorithmus ist dass trotz variabler Reibungskraf te und nicht vorhersehbarer Kr fte durch Interaktion des Benutzers mit der Haptik von EndoSim die Zielposition z gig erreicht wird W hrend der Positioniermodus aktiviert ist zeigt eine Balkenanzeige den Zeh nerlogarithmus der Abweichung zwischen Soll und Istposition an Dadurch sind einerseits kleinste Abweichungen erkennbar andererseits ist auch die Anzeige ei ner gro en Differenz m glich Servo i EN verst rker Sm DPF k vist vsot gt PMW A u I As e IR Kompensation E Vz rar y ist At At Abbildung 8 3 Dem Eingangssignal entsprechend r
140. ef hre Positionsbestimmung m glich Technische Daten Versorgung U 9 24V Imax 2A Endstufe 4 Q PWM mit fewm 60kHz Uout S Uin Icont 1 8 A Imaz 5s 2 0 A vgl Maxon Motor 2003 0Die serielle Schnittstelle RS 485 ist der sp ter behandelten RS 232C hnlich Jedoch erlaubt nur der Recommended Standard 485 mehrfach Verbindungen Bussystem Seine elektrische Cha rakteristik ist durch TIA 485 A 1998 und seine Anwendungen durch TSB 89 A 2006 normiert ro 111 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Rotation Da der Antrieb fiir die Rotation um die Schlauchachse Abb neu hinzuge kommen ist Rotation um die Schlauchachse ab Seite 101 musste daf r eine Ansteuerung realisiert werden Ein Servoverst rker stand zur Verf gung jedoch erlaubt dieser nicht den direkten Anschluss an den Computer Abbildung 6 9 F r den neu entwickelten Antrieb der Rotation um die Schlauchachse ist eine Ansteuerung f r Motor und Encoder erforderlich Diese wird realisiert durch die Kombination des Servoverst rkers ADS 50 5 mit der neu entwickelten Schnittstellenkarte Vorschub F r den alten Vorschubmotor standen sowohl ein Servoverst rker als auch eine spezielle Elektronik um diesen an den Computer anzuschlie en zur Verf gung Verschiedene Gr nde f hrten jedoch zu der Entscheidung den Motor mit zuge h riger Ansteuerung auszutauschen Der Vorschubmotor mit den dazugeh rigen Komponenten
141. egelt der Servoverst rker von einer gestrichelten Linie umrandet das Drehmoment des angeschlossenen Motors M Im Po sitioniermodus wird die vom Encoder E erfasste Bewegung verwendet um die Position und durch Verkn pfung mit der Zeitspanne zwischen zwei Messungen die Geschwin digkeit zu bestimmen Der Regelkreis wird geschlossen indem anhand dieser Werte die ber den Servoverst rker geforderte Kraft korrigiert wird 8 2 2 Erweiterung des deskriptiven Modells um Drehmomente Durch das neu realisierte Force Feedback Ger t f r die Drehung um die Schlauch achse kann ein aktives Drehmoment auf den Endoskopschlauch ausge bt werden Rotation um die Schlauchachse ab Seite 1101 Um dies zur Erh hung der Realit tstreue zu nutzen ist es erforderlich das deskriptive Modell um die Be rechnung des Drehmomentes zu erweitern ne nd 151 8 Optimiertes haptisches und neues akustisches Feedback Ursachen fiir das Drehmoment um die Schlauchachse Das Drehmoment am Koloskop ergibt sich einerseits durch einen deformierten Darm der in seine Ausgangslage zur ckdr ngt andererseits beim Rotieren aus der Reibung zwischen der Mucosa des Rektums bzw des Colons und der Oberfl che des Schlauches Schlauch __ Schlauch Schlauch Rektum Schlauch Colon M Rotation a Verformungsrotation M Botationsreibung a M notationsredruns 8 8 Wird der Darm durch das Koloskop aus seiner urspriinglichen Position ge dr ngt entsteht die Kraft
142. egungsm glichkeiten ist beim vorliegenden Fall vergleichbar mit einem Schachprogramm durch die Rechentiefe bestimmt und steigt wenn diese vergr ert wird stark an Durch ein m glichst fr hzeitiges Erkennen und Abbrechen von Folgen die das Ergeb nis nicht weiter verbessern k nnen und durch die Vermeidung von mehrfachen Berechnungen gleicher Folgen l sst sich die Menge der erforderlichen Berech nungsschritte reduzieren Da die Reihenfolge bei der Suche der g nstigsten Bewegungsabfolge ein gehalten werden muss sind die M glichkeiten einer Optimierung stark einge schr nkt Zwei M glichkeiten f r deutliche Verbesserungen wurden trotzdem ge funden und nach der Implementation evaluiert Diese k nnen auch kombiniert werden was wie sp ter gezeigt wird zu einem besonders guten Ergebnis f hrt Schritt Optimierung Indem Zwischenergebnisse der aufsummierten Kr fte und die Parameter der Si mulation gespeichert werden ist es m glich Teile der Berechnungen des Ge samtweges wieder zu verwenden Nach jedem Bewegungsschritt werden die bis her aufgetretenen Kr fte die Position des Darmes unter Ber cksichtigung von Dehnung und Schlingenbildung sowie die Einstellung des Koloskops Einf hrtie fe in den Colon die durch die Handr der definierte Ausrichtung der Spitze und die durch Rotation verursachte Ausrichtung des Endoskopschlauches als Berech nungsgrundlage f r das weitere Vorgehen festgehalten Aufbauend auf die zwi
143. ehandlungskomplex 4 100 Punkte was bei einem Punktwert von 5 11 Cent 209 und 51 Cent ergibt S Ausf hrlich werden Hygienestandards in der gastroenterologischen Endoskopie beschrieben von Euler 2001al b von Lei et al 2002 und in snet der Hess 200 Uber Hygieneiiberpriifungen an Endoskopen berichtet der Hersteller 2001 6Totale Koloskopie mit Darstellung des Caecums Patientenaufkl rung zur Koloskopie und zur Pr medikation Aufkl rung zum Vorgehen und zu einer m glichen Polypektomie und anderen therapeutischen Ma nahmen in derselben Sitzung Information zu Ablauf und Dauer der Darm reinigung Aush ndigung aller Substanzen zur Darmreinigung Foto Videodokumentation Nach beobachtung und betreuung berpr fung der Hygienequalit t Vorhaltung Notfallausstattung Der Wert ist analog zu Berechnungen gew hlt welche a o Bundewvercint anwendet Der Punktwert wurde hier mit dem kalkulatorisch blichen Wert von 5 11 Cent berechnet der tats chliche Auszahlungspunktwert liegt oft deutlich darunter i 13 2 Einf hrung in die Thematik Untersuchung unangenehm f r den Patienten Eine Koloskopie ist f r den Patienten wegen der langwierigen Vorbereitung und der Beschwerden w hrend und nach der Untersuchung unangenehm Macrogol ist laut Arzneimittelkursbuch 2007 das Mittel der Wahl zur Reinigung des Darmes vor diagnostischen oder operativen Ma nahmen im Be reich des D nn und Dickdarms Mac
144. ei der Ausbildung von Darmschlingen erm glicht vgl 2003 Kritische Betrachtung Kritisch merkten die Fach rzte an dass die richtige Drehrichtung beim Aufl sen von Darmschlingen nur durch F hlen bestimmt werden kann was wegen der fehlenden M glichkeit zur Erzeugung eines Drehmoments jedoch nicht m glich war vgl K rner 2003 Diese Einschr nkung von EndoSim wurde neben gro er Tr gheit in der translativer Richtung sp ter auch von Kwon et al 2005 kritisiert nn E 71 Kapitel 4 Zielstellung Viele sind hartndckig in Bezug auf den einmal eingeschlagenen Weg wenige in Bezug auf das Ziel Friedrich Nietzsche 1878 deutscher Philosoph Ausgehend von den im vorherigen Kapitel festgestellten Defiziten der vorhan denen Simulatoren werden zun chst die grundlegenden F higkeiten beschrieben die ein optimaler Koloskopiesimulator besitzen sollte Dann werden auf den Stand der Forschung aufbauend neue M glichkeiten vorgestellt wie das Endoskopieren mit einem Simulator erlernt verbessert und berpr ft werden kann Dabei wird als Ziel ein kosteng nstiger komfortabler und realit tstreuer Simulator mit neuen Trainingsmethoden definiert 73 4 Zielstellung 4 1 Neue M glichkeiten f r ein besseres Training Im Folgenden sollen Wege gezeigt werden der Idealvorstellung von einem Kolo skopiesimulator Abb n her zu kommen Dazu werden von den vorhan denen M glichkeiten ausgehend Verbesserungsvorsch
145. eichnet e Wiedergabe Anhand dieser Aufzeichnungen wird das Endoskop durch den Simulator bewegt Der Auszubildende l sst sich von ihm f hren Dabei sp rt er ber die locker gefassten Bedienteile des Endoskops die Bewegun gen und sieht auf dem Monitor das dazu passende Bild Vergleichbar mit einer Expertenbetreuung sollen auch Schritte r ckw rts und die Vorgehens weise in verschiedenen Geschwindigkeiten m glich sein nn E 75 4 Zielstellung F r den fortgeschrittenen Anf nger ist es interessant sich zeitweise von der F h rung zu l sen um das Endoskop aktiv zu f hren Anfangs um z B das leichtere Zur ckziehen alleine durchzuf hren sp ter um speziell an komplizierten Stel len selbst die F hrung zu bernehmen Daf r muss es m glich sein jederzeit die Wiedergabe zu unterbrechen um an der aktuellen Stelle mit dem Force Feedback generierenden Simulationsmodus fortzufahren Auch das Umgekehrte soll m glich sein Von der im Force Feedback Modus erreichten Position muss in diesem Fall das Endoskop auf die n chste verf gbare Position der Aufnahme bewegt werden Von hier aus soll der Anf nger dann wie der alle M glichkeiten haben sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten und in beliebiger Richtung anhand der aufgenommenen Bewegung f hren zu lassen Als diese Idee erstmals in einem Gespr ch mit Herrn Dr med F M Reimand pr sentiert wurde bewertete er die F hrung von Anf ngern als interessant da sie erlau
146. eidimensionale bergeht Dies ist der Grund weshalb dieser zweite Ansatz f r den Vergleich von Positionen der Endoskopspitze eingesetzt wird Te 205 D Berechnung linearer Abbildungen D 2 Orientierung des Objektivs im Raum Zun chst werden aus den Winkeln 6 bzw y und der Sekante s4 1 07 0 02 die Strecken o bzw o bestimmt On P Q sin sin lt D 5 2 S0 p 2 S0 p YP gt Or sap Sin 5 gt Oy 6 80 Mit dem Satz des Pythagoras wird jeweils die Projektion der Sekante sy in die x z Ebene bzw in die y z Ebene berechnet AnschlieBend wird tiber das Verh ltnis dieser Projektionen zur Sekante der Winkel g bzw bestimmt Ba 0 02 02 cos 4 ct Z 7 D 6 2 86 0 2 58 9 p 0 cos 5 v 03 07 cos 54 0 03 Durch Aufl sen nach o und Einsetzen der Formel D 5 ergibt sich 2 20 2 22 IE COS 5 0 COS 5 0z 2 20 cos 5 Cos 5 sin 2 cos e sin cos 59 9 D 7 22 29 cos 7 609 Der Ortsvektor f r die r umliche Orientierung des Objektivs wird gebildet indem diese z Komponente um o und o aus Formel D 5 erganzt wird 0 s n 2 Obiektiv sin D 8 er i 9 9 e g in 2 cos2 9 sin2 cos2 s n g COS 2 s n 3 cos 2 22 29 cos 3 cos 2 206 EndoSim D 3 Abstand des Objektivs vom Ursprung D 3 Abstand des Objektivs vom Ursprung F r die Grenzwerte x 0 bzw 6 0 muss sg
147. eihenfolge der Bewegun gen einzuhalten Empfehlungen f r den Anwender lassen sich in diskreten Stufen einfacher und besser verst ndlich vermitteln als stetige Ver nderungen Im Gegensatz zu verwir renden Angaben von Gradzahlen und Millimetern die ber die Anforderungen an die Pr zision bei einer Koloskopie hinausgehen ist beispielsweise die Anweisung zweimal nach rechts drehen und dann nach vorne schieben sowohl optisch als auch haptisch klar verst ndlich zu vermitteln Wie bei einer realen Koloskopie soll der Eindringvorgang z gig durchgef hrt werden Es ist jedoch darauf zu achten dass die aufgewendeten Kr fte nicht zu hoch werden Aus diesem Grund wird bei dem hier vorgestellten Algorithmus auf ein m glichst tiefes Eindringen optimiert wobei als Nebenbedingung festgelegt ist dass die dabei eingesetzten Kr fte beschr nkt sind Bei der Kraftberechnung f r eine Bewegungsabfolge ist zu beachten dass Be wegungsschritte bei denen extrem hohe Kr fte auftreten besonders negativ zu be werten sind Diese Gewichtung wird durch die Bildung der quadratischen Summe aus den Kr ften die nach Ausf hren der einzelnen Bewegungsschritte auftreten erreicht Bewegungsschritte F Abfolge gt Ffotge d 9 17 b 1 Die Kraft F Folge 0 setzt sich wiederum aus verschiedenen Kraften zusammen die bei einer Untersuchung auf den Patienten wirken Da dies schon ausf hrlich dargelegt wurde Berechnung der Gesamtkraft ab S
148. eite 1138 wird hier nur das Ergebnis dieser Betrachtungen in einer kompakten Form f r die nachfolgen den Berechnungen wiederholt Kr fte 1 Frrotge b a Kr fte F b 9 18 k 1 172 EndoSim 9 2 Automatische Hilfe und Fiihrung Um erlaubte Bewegungen von zu stark belastenden zu unterscheiden wird ein Limit Frimu festgelegt unter dem die nach einem Bewegungsschritt auftretende Kraft F roige b im Durchschnitt liegen muss Froigelb lt F bimi 9 19 Daraus ergibt sich als Kriterium f r eine erlaubte Abfolge von Bewegungen die Erf llung folgender Ungleichung Favfolge lt Bewegungsschritte FLimit Bewegungsschritte gt Froige b lt Bewegungsschritte Fyimit b 1 1 Bewegungsschritte Kr fte SE 2 ee Kr fte gt gt F b lt Bewegungsschritte Frimit 9 20 Funktionsweise des Algorithmus Um die sp ter beschriebene Bereichs Optimierung zu erlauben und um auch f r den Fall dass keine L sungen unter dem Limit m glich sind Empfehlungen ge ben zu k nnen werden zun chst Bewegungsfolgen mit der geringsten Kraft f r ein bestimmtes Vorw rtskommen abgespeichert Dann wird aus diesem Feld die Abfolge mit dem tiefsten Eindringen ausgew hlt f r welche die aus der vorheri gen Ungleichung hervorgehende Randbedingung erf llt ist 1 Bewegungsschritte Kr fte m2 Vr Di Kafe F2 b Bewegungsschritte lt Pre 9 21 Wurde das Endoskop durch den Benutzer in eine besonders ung
149. eljahreszeitschrift ber flexible medizinische Endoskopie 2001 April Nr 2 11 13 olympus europa com endo documents OLYInfo_IIOl pdf Eversbusch und Grantcharov 2004 EVERSBUSCH A GRANTCHAROV T P Learning curves and impact of psychomotor training on performance in simulated colonoscopy a rando mized trial using a virtual reality endoscopy trainer In Surgical Endoscopy 18 2004 Oktober Nr 10 S 1514 1518 DOI 10 1007 s00464 003 9264 9 IS SN 0930 2794 Federspiel und Herbst 2005 FEDERSPIEL C HERBST V STIFTUNG WARENTEST Hrsg Die Andere 228 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Medizin 5 korrigierter Nachdruck Berlin Stiftung Warentest 2005 ISBN 3 937880 35 6 Felsher et al 2005 FELSHER J J OLESEVICH M FARRES H ROSEN M FANNING A DUNKIN B J MARKS J M Validation of a flexible endoscopy simu lator In The American Journal of Surgery 189 eee April Nr 4 S 497 DOT 10 1016 amjsurg 2005 01 008 ISSN 0002 9610 Ferlitsch et al 2001 FERLITSCH A GLAUNINGER P GUPPER A SCHILLINGER M HAEFNER M GANGL A Virtual endoscopy simulation for training of gastrointestinal endoscopy In Gastrointestinal Endoscopy 53 2001 Nr 5 S 78 ISSN 0016 5107 Ferlitsch et al 2002 FERLITSCH A GLAUNINGER P GUPPER A SCHILLINGER M HAEENER M GANGL A SCHOEFL R Evaluation of a virtual end
150. ell Type 1 B In ternet http www kokenmpc co jp english products life_simulation_models medical_education lm 044b Version Juli 2007 K rner 2003 K RNER O Entwicklung eines computergesteuerten Trainingssi mulators f r die Koloskopie mit aktivem Force Feedback Mann heim Lehrstuhl f r Informatik 5 Universit t Mannheim Diss Dezem ber 2003 http nbn resolving de urn resolver pl urn urn nbn de bsz 180 madoc 853 URN urn nbn de bsz 180 madoc 853 K rner und M nner 2002 K RNER O M NNER R Haptic display for a virtual reality simulator for flexible endoscopy In MULLER S Hrsg STURZLINGER W Hrsg Proceedings of the 8th Eurographics Workshop on Virtual Environments Bar celona Spanien Mai 2002 S 13 18 K rner und Manner 2003a K RNER O MANNER R Haptic Task Constraints for 3D Interaction In Proceedings of the 11th Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environ ment and Teleoperator Systems Washington D C USA IEEE Computer Society M rz 2003 ISBN 0 7695 1890 7 S 278 284 Korner und Manner 2003b K RNER O MANNER R Implementation of a haptic interface for a virtual reality simulator for flexible endoscopy In HANNAFORD B Hrsg TAN H Hrsg 1 Ith Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems IEEE VR2003 Los Angeles CA USA IEEE Marz 2003 S 278 284 m 239 LITERATURVERZEICHNIS K rner et al 200
151. en Die Zeit im Lumen ist dabei 5 Minuten und 7 Sekunden bzw 94 Die Zeit im Lumen ist dabei 10 Minuten und 44 Sekunden bzw 97 Abbildung 7 5 Am Ende der Untersuchung wird die aufgewandte Zeit und die Aufent haltsdauer im Lumen angezeigt Dies erfolgt einmal auf die ganze Untersuchung bezo gen und einmal speziell f r den R ckweg da f r die hierbei erfolgende Betrachtung der Darmschleimhaut die freie Sicht von besonderer Bedeutung ist u 141 Kapitel 8 Optimiertes haptisches und neues akustisches Feedback Erreiche dein Ziel ohne Stolz ohne Prahlen ohne Hochmut aus Notwendigkeit aber hiite dich vor der Gewalt Laotse 6CBC chinesischer Philosoph In zwei Bereichen wurden Arbeiten vorgenommen um die Realit tstreue zu erh hen Das Force Feedback wurde erweitert und verbessert Erg nzend wurde eine akustische R ckmeldung realisiert Hier wird die Funktion dieser Feedback Systeme beschrieben 143 8 Optimiertes haptisches und neues akustisches Feedback 8 1 Akustische Ausgabe Um f r den Benutzer des Endoskopiesimulators EndoSim die Realit tstreue zu erh hen und ihm ein Feedback ber das Wohlbefinden des virtuellen Patienten zu geben wurde eine akustische Ausgabe realisiert W hrend der Durchf hrung der Endoskopie kann es beim Patienten zum Auf treten von viszeralen Schmerzen Eingeweideschmerzen kommen Diese breiten sich diffus ber den K rper aus und sind daher kaum zu orten Die g
152. en R ckmeldungen soweit sie berhaupt vorhanden sind noch lange nicht der Haptik des nat rlichen Gewebes entsprechen Daher kommen sie zu dem Schluss dass sich Handling und Fingerspitzengef hl damit nicht ann hernd ad quat trai nieren lassen 44 EndoSim 3 3 Computersimulatoren Untersuchung der Leistungsf higkeit Es stehen einige aktuelle Studien zur Verf gung welche die Leistungsf higkeit des Endoskopiesimulators G Mentor berpr fen Zun chst soll die Frage betrachtet werden in wieweit sich dieser Simulator eignet die Voraussetzungen f r das Erlernen des Koloskopierens zu berpr fen Eine Voraussage des Trainingsaufwandes versuchen an hand der Wahrnehmung des r umlichen Sehens und der haptischen F higkeiten eines Auszubildenden Bei elf Studenten wurden zun chst diese grunds tzlichen F higkeiten gepr ft Dann wurde eine Aufgabe gestellt die von sechs Pr flingen in weniger als zehn Versuchen gel st wurde von den anderen f nf Probanden nicht Durch den Vergleich des Vortests mit den Ergebnissen beim L sen der Auf gabe kommt die Studie zu dem Schluss dass der unterschiedlich schnelle Lerner folg von den grunds tzlichen F higkeiten der Auszubildenden abh ngt Auch die Studie von Westman et al 2006 besch ftigt sich mit dem Einfluss des r umlichen Vorstellungsverm gens auf die F higkeiten beim Koloskopieren Statt Anf ngern wurden hier jedoch elf erfahrene Endoskopiker mit drei darauf a
153. en Karzinomen auch Bestrahlung und Chemothe rapie Dabei kann bei kleinen Karzinomen gro z gig entfernt werden was die berlebensrate deutlich erh ht Beispielsweise liegt sie auf 5 Jahre be trachtet im Falle von UICC Stadium I bei 83 9 im Falle von UICC Sta dium 1 bei 71 7 Haben sich zus tzlich zum Tumor auch noch Lymph knotenmetastasen und Fernmetastasen gebildet UICC Stadium IV liegt die Uberlebensrate nur noch bei 8 2 vgl Tumorregister M nchen 2007 Durch regelm ige Fr herkennung wird erwartet dass Karzinome in einem fr hen und damit gut zu therapierenden Zustand entdeckt werden Abb 1 2 Dass dies erreicht wird best tigt eine aktuelle Studie bei der ber 68 der diagnosti zierten Karzinome in den prognostisch g nstigen Stadien UICC I und UICC II entdeckt wurden Kassen rztliche Bundesvereinigung 2007a Von neun propagierten Methoden zur Fr herkennung von Krebs im Dickdarm die in der kritischen Auswertung von Koch und Windeler 2005 beurteilt werden f llt die Nutzen Risiko Abw gung nur f r Koloskopie Sigmoidoskopie und f r den Stuhltest noch positiv aus Diese Verfahren sind mit Einschr nkung ge eignet Alle anderen Verfahren erhalten eine schlechtere Wertung Auch f r die 3 Polypen Adenome 2003 28 3 2004 30 1 2005 32 2 advanced adenomas 2003 5 8 2004 6 1 2005 6 6 Kassen rztliche Bundesvereinigung 2007a Ergebnis d
154. en Kunststoff in dem sich der aus mittelweichem Silikon gefertigte Colon befindet Abdominal l sst sich der Torso ffnen um so die Bewegungen des Silikondarmes w hrend des Trainings zu beobachten vgl Koken Company 2007 Erstmals wurde ein Simulator dessen Organe aus Latex hergestellt sind von der chirurgischen Endoskopie T bingen 1992 pr sentiert vgl Grund et al 1992 In einem Kunststoffgestell werden dabei der obere und der untere Gastrointesti naltrakt justierbar befestigt In die Organsysteme k nnen pathologische Befun de aus k nstlichem interventionsf higem Gewebe integriert werden Eine mehr schichtige Kunststoffdecke simuliert die Bauchwand Dieser T binger Interphant Osophago Gastro Bulboskopie Spiegelung von Speiser hre Magen und direkte instrumen tale Untersuchung des verdickten Anfangsteiles des Zw lffingerdarms Med Duden 2007 31 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren welcher st ndig weiterentwickelt wird vgl 1998 1999 soll das mo dernste verf gbare Trainingsmodell sein vgl 2000b Bei der von Storz 1996 speziell f r die Koloskopie entwickelten Version sind die Organsysteme auch aus Latex gefertigt Bei der neuesten Entwicklung einem Simulator f r ER CP werden die verschiedenen k nstlichen Organe ebenfalls aus Latex teilweise aber auch aus Artitex im Ausgussverfahren hergestellt vgl Muckenhaupt 2005 Abbildung 3 1 Das Colonoscopy Traini
155. engef hrdende Kr fte werden auch bei kurzem Auftreten deut lich negativ bewertet Im Gegensatz dazu wird das Vermeiden solcher extremen Kr fte auch bei einem durchschnittlich etwas erh hten Kraftaufwand g nsti ger bewertet gt Abb 7 3 Wurde w hrend des Einf hrens des Endoskops n mal die Gesamtkraft m n berechnet ergibt sich aus der folgenden Formel die mittlere Kraft QM 7 3 3QMW bedeutet quadratischer Mittelwert Auf Englisch steht RMS f r Root Mean Square ne D 139 7 Funktionen fiir Komfort und Evaluation 7 4 2 Ben tigte Zeit f r das Einf hren des Endoskops Die f r das Einf hren des Endoskops bis zum Caecum Die f r das Einf hren des Endoskops bis zum Caecum Die f r das Einf hren des Endoskops bis zum Caecum T ben tigte Zeit betr gt 8 Minuten und 9 Sekunden ben tigte Zeit betr gt 9 Minuten und 9 Sekunden ben tigte Zeit betr gt 12 Minuten und 39 Sekunden Dies ist eine Uberdurchschnittliche Leistung Dies ist eine durchschnittliche Leistung Dies ist eine unterdurchschnittliche Leistung Abbildung 7 4 Nach erfolgreichem Einf hren des Endoskops erfolgt neben der Bewer tung in Abh ngigkeit von den eingesetzten Kr ften eine weitere Bewertung anhand der ben tigten Zeit Beispielhaft ist hier die Ausgabe von drei verschiedenen Versuchen zu sehen bei denen die ben tigte Zeit und eine Bewertung der Leistung durch Vergleich mit Studienergebnissen bestimmt angeze
156. enzinduktion und Koerzitivfeldst rke be sonders f r hochdynamische Motoren geeignet Sie sind jedoch sehr teuer was insbesondere f r SmCo zutrifft NdFeB ist zwar kosteng nstiger und hat noch bessere magnetische Eigenschaften als SmCo ist aber nicht so temperaturstabil Hochwertiges NdFeB sollte daher nur bis zu Temperaturen von etwa 100 C eingesetzt werden Gevatter 2000c 2 Graphitbiirsten werden typischerweise eingesetzt e In gr eren Motoren e Bei hoher Strombelastung e Bei Start Stopp Betrieb e Im Umkehrbetrieb e Bei Ansteuerung mit getakteter Endstufe PWM Die Kombination von Graphitbiirsten mit Kugellagern ergibt auch bei Extrembedingungen eine hohe Lebensdauer Maxon Motor 2007 Hervorhebungen wie im Orginal 94 EndoSim 6 1 Mechanik wird das maximale Betriebsdrehmoment Mpg berechnet Mp i ng Mmet 4 8 0 8 96 6 mNm 370 944 mNm 6 1 Die bertragung ber den kurzen Zahnriemen erfolgt im Verh ltnis 1 1 Das Zahnrad welches den langen Riemen antreibt besitzt einen Durchmesser von 30 mm Da die Kraft des Zahnriemens senkrecht zum Radius wirkt kann die vereinfachte Formel wie z B aus Tipler et al 2006 angewendet werden Das Produkt rf hei t das mit der Kraft F verbundene Drehmoment M M Fyr Drehmoment 6 2 M _ 370 944mNm 30mm d 2 Der Motor darf kurzzeitig und wiederkehrend berlastet werden 2003 Das dabei erreichbare Drehmomen
157. er Fr herkennungsuntersuchungen f r Darmkrebs ist dass die Methoden nicht nur Hinweise auf Krebs finden sollen Ziel ist auch die Suche und Entfernung von gr eren noch gutartigen Darmpolypen um das Risiko zu verringern dass sich aus ihnen ein Darmkrebs entwickelt Koch und Windeler 2005 Seit Oktober 2002 ist die Darmspiegelung Kassenleistung Ab 55 Jahren ha ben Deutsche die Wahl entweder alle zwei Jahre einen Test auf Blut im Stuhl oder im Abstand von zehn Jahren zweimal eine Darmspiegelung Weymayr 2005 Damit ist die Koloskopie als Vorsorgeuntersuchung zum Standard geworden Die begleitende Studie zeigt deutlich dass damit eine h ufige Krebsart entweder schon am Entstehen gehindert wird oder dass Patienten zumindest durch fr hes Erken nen viel fter geheilt werden vgl Kassen rztliche Bundesvereinigung 2007a derungen im Stuhl Computertomografie des Dickdarms Doppelkontrastuntersuchung des Dick darms Tumormarker CA 19 9 und CEA Test auf Tumor M2 Pyruvatkinase im Stuhl ii 5 Kapitel 2 Einf hrung in die Thematik Koloskopie Kolonoskopie zu Kolon und griech skopein betrachten die pilen endoskop Untersuchung des Dickdarms Darmspiegelung mit einem flexiblen Spezialendoskop Koloskop Definition aus dem Brockhaus 2006b Zur Einf hrung wird definiert was unter Endoskopie und dem Spezialfall Ko loskopie zu verstehen ist Es werden die daf r eingesetzten Instrumente und de
158. er durch einen speziellen 102 oder wie bei der vorliegenden Elektronik mit Hilfe eines g n stiger erh ltlichen Operationsverst rker realisiert werden kann Abb 6 12 Der Operationsverst rker wird mit einer unsymmetrischen Speisespannung versorgt Am Eingang dienen R 7 und R s bzw Rg und R s als Pullup Wider st nde Der Ausgang befindet sich durch die hohe Verst rkung praktisch immer in der S ttigung Unter Ber cksichtigung des Schwellwertes von lt 1 V betr gt die Ausgangsspannung daher entweder lt 1 V bzw gt 4 V und ist so mit den 5 V CMOS Pegeln lt 1 5 V bzw gt 3 5 V des Microcontrollers kompatibel Der Encoder liefert zwei phasenverschobene Rechtecksignale Durch die Aus wertung der dabei auftretenden Signalflanken ergibt sich im Bezug auf die Impuls zahl des Encoders eine vierfach h here Positioniergenauigkeit Abb 6 13 221 ine Receiver ICs sind z B der MC 3486 der SN 75 175 oder der AM 26 LS 32 120 EndoSim 6 2 Elektronische Ansteuerung Quadcount Kanal A Kanal B _ BE Kanal A Kanal B SL E Impuls Abbildung 6 13 Verlauf der Signale eines Encoders Die Signale der Kan le A und B sind zueinander um 90 verschoben Aus der Richtung dieser Verschiebung ergibt sich die Drehrichtung des Motors Da einzelne Quadcounts dedektiert werden k nnen ist die Bestimmung der Positi
159. er gro en US Studie von Polypen 34 2 Tumore 3 4 Alternative Verfahren wie Zelltherapie Krebs Mehrschritt Therapie Ozontherapie Felden krais Qigong und Anthroposophie sind nicht geeignet Federspiel und Herbst 2005 gt Union Internationale Contre le Cancer Internationale Organisation mit Sitz in der Schweiz Tumor klein keine Lymphknotenmetastasen keine Fernmetastasen vgl UICC et al 2007 Tumor gro keine Lymphknotenmetastasen keine Fernmetastasen vgl UICC et al 2007 Immunologische Tests auf verborgenes Blut im Stuhl Tests zum Nachweis von Genver n 4 EndoSim 1 2 Koloskopie zur Krebsfr herkennung Relatives berleben N 15760 I n 4014 v n 4219 o n A n 6332 0123 45 67 8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Jahre Abbildung 1 2 Links der Dokumentationsbogen zur Fr herkennungs Koloskopie sen rztliche Bundesvereinigung 2002 Rechts Relatives ist gr er als absolutes Uber leben f r Darmtumor nach UICC Tumorregister M nchen 2007 auch Bild Kurven f r die g nstigen UICC I II Stadien befinden sich oben f r das ung nstige Stadium IV unten stark beworbene virtuelle Endoskopie f llt die Nutzen Risiko Abw gung ins gesamt negativ aus Die CT Koloskopie ist zur Fr herkennung von Darmkrebs nicht geeignet Koch und Windeler 2005 Alternative Verfahren k nnen im be sten Falle die Koloskopie erg nzen Dies ist der Fall da eine Besonderheit d
160. erations Revision 252 1E AVR 06 06 San Jos CA USA Atmel Corporation Juni 2006 AVR Assembler 2007 AVR ASSEMBLER ATMEL CORPORATION Hrsg AVR Assembler Inter net http www atmel com Version August 2007 Bachmann 1894 BACHMANN P Zahlentheorie Bd 2 Die analytische Zahlentheorie 1 Auflage Leipzig B G Teubner 1894 Baerlocher und Boulic 2004 BAERLOCHER P BOULIC R An inverse kinematics architecture enfor cing an arbitrary number of strict priority levels In The Visual Computer 20 2004 August Nr 6 S 402 417 DOI 10 1007 s00371 004 0244 4 ISSN 0178 2789 Baillie et al 1992 BAILLIE J EVANGELOU H JOWELL P COTTON P B The future of endoscopy simulation A Duke perspektive In Endoscopy 24 1992 S 542 543 ISSN 0013 726X Baillie et al 1991 BAILLIE J JOWELL P EVANGELOU H BICKEL W COTTON P B Use of computer graphics simulation for teaching of flexible sigmoidoscopy In Endoscopy 23 1991 S 126 129 ISSN 0013 726X 218 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Bar Meir 2000a BAR MEIR S Endoscopy simulators The state of art 2000 In Ga strointestinal Endoscopy 52 2000 Nr 5 S 701 703 DOI 10 1067 mge 2000 109836 ISSN 0016 5107 Bar Meir 2000b BAR MEIR S A New Endoscopic Simulator In Endoscopy 32 2000 Nr 11 S 898 900 Barclay et al 2006 BARCLAY R L VICARI J J DOUGHTY A S JOHANSON J E
161. erst rker das Verhalten des Motors be stimmen Der Encoder des Motors kann nicht wie vom Hersteller vorgesehen durch den Servoverst rker ausgelesen werden da diese R ckmeldung f r die Geschwin digkeitskontrolle eines dynamisch laufenden Motors entwickelt wurde Bei der Anwendung in einem Force Feedback Modul wird der Motor jedoch meist quasi statisch betrieben d h es gibt nur kleine Bewegungen Stattdessen kommt es auf die Kraft und die genaue Position des Motors an Da her ist die bertragung der exakten Winkelposition auf den Computer n tig um dort innerhalb der Simulation weiterverarbeitet zu werden Dementsprechend ist unter Umgehung des Servoverst rkers das Encodersignal direkt ber die Schnitt stellenkarte an den Computer weiterzuleiten 4Ein Digital Analog Wandler erzeugt ein von digitalen Daten abh ngiges analoges Signal Die se auch integriert erh ltliche Schaltung wurde hier mit vorhandenen Bauteilen realisiert 114 EndoSim 6 2 Elektronische Ansteuerung 6 2 4 Aufbau der Schnittstellenkarte Die Basis der Schnittstellenkarte ist eine einlagige Platine die ber einen Stecker am Servoverst rker befestigt ist und dar ber mit U ef versorgt wird Abb 6 10 Eine der weiteren f nf elektrischen Verbindungen zum Servoverst rker bietet ber einen Schalter eine Not Aus Funktion die bei Bet tigung den Motor sofort anh lt Abbildung 6 10 Das Layout der Platine und der dazugeh rige Best
162. et al 2006 KEUCHEL M HAGENMULLER F FLEISCHER D E Atlas of Video Capsule Endoscopy 1 Springer Medizin Verlag 2006 ISBN 3 540 23128 5 Kim et al 2007 KIM W S Woo H S AHN W LEE K CHO J H LEE D Y YI S Y Non Clinical Evaluation of the KAIST Ewha Colonoscopy Simulator I In Studies in Health Technology and Informatics 125 2007 Februar S 214 216 ISSN 0926 9630 Klug und Knoch 1984 KLUG W KNOCH H G Experimental phantoms for studying the co lon In Zeitschrift fiir die gesamte innere Medizin und ihre Grenzgebiete 39 1984 S 197 199 Koch et al 2007 KocHu A D BUZINK S N HEEMSKERK J BOTDEN S M VEE NENDAAL R JAKIMOWICZ J J SCHOON E J Expert and construct validity of the Simbionix GI Mentor II endoscopy simulator for colonosco py In Surgical Endoscopy 2007 Mai DOI 10 1007 s00464 007 9394 6 IS SN 0930 2794 Koch und Windeler 2005 KOCH K WINDELER J STIFTUNG WARENTEST Hrsg Untersuchun gen zur Fr herkennung Krebs Nutzen und Risiken 1 Auflage Berlin Stiftung Warentest 2005 ISBN 3 937880 07 0 K hn 1998 KOHN P Entwicklung von Materialien und Formen f r interventionsf hige 238 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Phantome in der flexiblen Endoskopie T bingen Medizinische Fakult t der Eberhard Karls Universit t Diss 1998 Koken Company 2007 KOKEN COMPANY Ltd Colonoscopy Training Mod
163. et sich eine Darmschlin ge die bei Abfolge 2 durch R ckw rtsbewegung unter gleichzeitigem Drehen aufgel st wird Daher ist die Zunahme der Eindringtiefe bei der zweiten Abfolge am geringsten Optimierung der Schrittweiten durch evolution ren Algorithmus Von entscheidender Bedeutung bei diskreten Abfolgen ist die Wahl einer g n stigen Schrittweite Sind die Bewegungsschritte zu klein ergibt sich eine gro e verwirrende Anzahl an auszuf hrenden Bewegungen f r den Benutzer Au erdem wird es wahrscheinlicher dass Problemstellen nicht mit der verf gbaren Rechen tiefe berwunden werden und damit ungel st bleiben Andererseits k nnen zu gro e Schrittweiten dazu f hren dass durch zu hohe Kr fte bei s mtlichen wei terf hrenden Bewegungen das Auffinden eines sinnvollen Weges verhindert wird Abbildung 9 12 R ntgendarstellung vom berwinden einer Darmschlinge und der Fle xura coli sinistra Die Entstehung einer Damschlinge im Signum wird auf den beiden Bildern links gezeigt Diese Schlinge wird wieder aufgel st mittleres Bild Dann wird der Colon descendens passiert und die Flexura coli sinistra berwunden Bilder rechts I 179 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme Als M glichkeit optimale Schrittweiten automatisch zu finden soll jetzt bei spielhaft der evolution re Ansatz Hillclimbing vorgestellt und evaluiert werden Nach 2004 ist die Grundidee des Hillclimbings
164. etter You The Next Tools for Medical Education Diagnosis and Care Amsterdam Niederlande IOS Press Oktober 2004 Studies in Health Technology and Informatics 12 ISBN 1 5860 3404 9 S 1 3 Ali et al 2004 ALI S DAVIDSON D L GREMSE D A Comparison of Fentanyl Versus Meperidine for Analgesia in Pediatric Gastrointestinal Endoscopy In Dige stive Diseases and Sciences 49 ae Mai Nr 5 S 888 891 http 10 1023 B DDAS 0000030 106 01928 b4 ISSN 0163 2116 ALSA ALSA The Advanced Linux Sound Architecture ALSA Project www alsa project org American Society for Gastrointestinal Endoscopy 1999 AMERICAN SOCIETY FOR GASTROINTESTINAL ENDOSCOPY Principles of training in gastrointestinal endoscopy In Gastrointestinal Endoscopy 49 1999 Juni Nr 6 S 845 853 ISSN 0016 5107 American Society for Gastrointestinal Endoscopy 2002 AMERICAN SOCIETY FOR GASTROINTESTINAL ENDOSCOPY Methods of Granting Hospital Privileges to Perform Gastrointestinal Endoscopy In Ga strointestinal Endoscopy 55 2002 Nr 7 S 780 783 ISSN 0016 5107 216 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Anvari 2007 ANVARI M Remote telepresence surgery The Canadian experience In Surgical Endoscopy 21 2007 April Nr 4 S 537 541 doi org 10 1007 s00464 006 9040 8 DOI 10 1007 s00464 006 9040 8 ISSN 0930 2794 Appleyard et al 2000 APPLEYARD M N MOSSE C A MILLS T N BELL G D CASTI
165. fangen von Daten und das Schlie en der Verbindung aus dem gesamten Programm mit einheitlichen Be fehlen erfolgen kann Beim bersetzen wird ber die Einstellungen im Makefile je nach Betriebs system die richtige Version der Klasse ausgew hlt Durch diese Kapselung ergibt sich der Vorteil dass f r die Kommunikation ber die neue Schnittstellenkarte abgesehen von dieser einen Klasse keinerlei betriebssystemabh ngige Unter scheidungen vorzunehmen sind 128 EndoSim 6 3 Software Neben dem obligaten Konstruktor und Destruktor stellt das Interface der Kom munikationsklasse Methoden fiir die zuvor genannten vier Aufgaben zur Verfii gung Deren Deklarationen im Header File zeigt folgender Programmausschnitt int Open int port int baudrate int Position intx x int y int xplus int yplus int Output unsigned char bytes int anz int Close Die Implementierung f r Linux erfolgt wie bei Unix Systemen blich ber POSIX vel Kuttil 2002 Zuerst wird die seriel le Schnittstelle als Ger t aev ttys ge ffnet dann ber das POSIX Terminal Interface als File beschrieben bzw gelesen und zum Schluss wieder geschlossen Bei 32 Bit Applikationen werden auch bei Windows die seriellen Kommuni kations Ports mit Dateien assoziiert Der Zugriff auf die serielle Schnittstelle wird jedoch mit einem anders aufgebauten File API abgehandelt vgl Petzold 1998 Vereinfacht dargestellt ergibt sich fol
166. g bertragen werden Bei der ersten Version erfolgt die bertragung von zwei Motoren ber jeweils ein Differentialgetriebe auf je zwei Rollen so dass ber vier Rollen der Endoskop schlauch bewegt wird vgl 1998 Bei der zweiten Version wird ein Gummiball von vier Motoren angetrieben ber diesen Ball wird dann der Endo skopschlauch bewegt vgl Ikuta et al 2000 Bei der tragbaren Version des Virtual Endoscope Systems wurden zwei Motoren eingespart indem ein Motor ber zwei Walzen die Bewegung auf die Kugel bertr gt F r den Desktop VES wird eine maximale Kraft in translativer Richtung von 40N angegeben f r das maximale Drehmoment 320 mNm F r den transportablen Palmtop VES werden ION bzw 80 mNm genannt vgl 2001 Abbildung 3 7 Der entkoppelte Ball Antrieb des Virtual Endoscope Systems Vier Mo toren treiben einen Gummiball an der wiederum den Endoskopschlauch bewegt Kritische Betrachtung Im Gegensatz zu realen Untersuchungen bei denen der Darm durch seine elasti sche Aufh ngung im Bauchraum erheblich verschoben werden kann ist bei dem Simulationsmodell von Ikuta et al 1998 die zentrale Kurve des Colons fixiert Das L sen von wichtigen Problemen wie das Aufl sen von Darmschlingen kann daher nicht trainiert werden D 61 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Auch die grafische Darstellung ist wenig realistisch Zuerst gab es nur eine zweidimensionale sp ter eine sehr
167. g 2 Auflage Berlin Springer 2006 ISBN 3 540 28241 6 STMicroelectronics 2001 STMICROELECTRONICS TLO81 TLOSIA B General purpose J FET single operational amplifiers Genf Schweiz STMicroelectronics April 2001 Storz 1996 STORZ B C Phantom und videogest tztes didaktisches Konzept f r die Co loskopie T bingen Medizinische Fakult t der Eberhard Karls Universit t Diss 1996 Stroustrup 2000 STROUSTRUP B The C Programming Language Special Edition Am sterdam Niederlande Addison Wesley Longman 2000 ISBN 0 2017 0073 5 Tassios et al 1999 TASSIOS P S LADAS S D GRAMMENOS I DEMERTZIS K RAP TIS S A Acquisition of competence in colonoscopy the learning curve of trainees In Endoscopy 9 1999 November Nr 31 S 702 706 ISSN 0013 726X 258 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Tavrasm Assembler 2007 TAVRASM ASSEMBLER MORTENSEN T Hrsg Tavrasm Assembler In ternet http www tavrasm org Version August 2007 Taylor 1923 TAYLOR G I Stability of a Viscous Liquid Contained between Two Rotating Cylinders In Proceedings of the Royal Society of London Bd 102 London Gro britanien The Royal Society Februar 1923 Series A Containing Papers of a Mathematical and Physical Character 718 S 541 542 Teague 2000 TEAGUE R H Can we teach colonoscopic skills In Gastrointestinal En doscopy 51 2000 Nr 1 S 112 114 ISSN 0016 5107 Thomas Gi
168. g zur Ausbildung der endosko pischen Magenuntersuchung In Zeitschrift f r Gastroenterologie 10 1972 S 393 398 ISSN 0044 2771 Hochberger und Mai 2006 HOCHBERGER J MAISS J Currently available simulators ex vivo models In Gastrointestinal Endoscopy Clinics of North America 16 2006 Juli Nr 3 S 435 449 ISSN 1052 5157 Hochberger et al 2003 HOCHBERGER J MAISS J HAHN E G Aus und Weiterbildung in der gastrointestinalen Endoskopie Was muss gefordert werden was sind die Voraussetzungen In Chirurgische Gastroenterologie 19 2003 Juli Nr 1 S 14 20 nttp dx doi org 10 1159 000072534 DOI 10 1159 000072534 Hochberger et al 2001 HOCHBERGER J MAISS J MAGDEBURG B COHEN J HAHN E G Training Simulators and Education in Gastrointestinal Current Status and Perspectives in 2001 In Endoscopy 33 2001 Nr 6 S 541 549 ax doi org 10 1055 s 2001 14972 DOI 10 1055 s 2001 14972 ISSN 0013 726 234 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Hochberger et al 1997 HOCHBERGER J NEUMANN M HOHENBERGER W HAHN E G Neuer Endoskopie Trainer f r die therapeutische flexible Endoskopie In Zeitschrift f r Gastroenterologie 35 1997 S 722 723 ISSN 0044 2771 Hochberger et al 1998 HOCHBERGER J NEUMANN M Maiss J BAYER J NAGEL A HAHN E G Erlanger Ausbildungssimulator fiir die interventionelle Endo skopie EASIE Ei
169. gen Ana lyse und Entwurf einschleifiger Regelungen 6 Auflage Berlin Springer 2007 ISBN 3 540 70790 5 242 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Lutz und Wendt 2007 LUTZ H WENDT W Taschenbuch der Regelungstechnik mit MATLAB und Simulink 7 Auflage Frankfurt a M Harri Deutsch 2007 ISBN 3 8171 1807 4 MacDonald et al 2003 MACDONALD J KETCHUM J WILLIAMS R G ROGERS L Q A lay person versus a trained endoscopist In Surgical Endoscopy 17 2003 Juni Nr 6 S 896 898 http dx doi org 10 1007 DOI 10 1007 s00464 002 8559 6 ISSN 0930 2794 Mahmood und Darzi 2003 MAHMOOD T DARZI A A study to validate the colonoscopy simula tor In Surgical Endoscopy 17 2003 Oktober Nr 10 DOT 10 1007 s00464 002 9222 y ISSN 0930 2794 Mahmood und Darzi 2004 MAHMOOD T DARZI A The learning curve for a colonoscopy simu lator in the absence of any feedback No feedback no learning In Sur gical Endoscopy 18 2004 August Nr 8 DOI 10 1007 s00464 003 9143 4 IS SN 0930 2794 Mai et al 2003 MAISS J HAHN E G HOCHBERGER J Trainingssimulatoren in der Endoskopie In Endoskopie heute 16 2003 S 20 26 DOT 10 1055 s 2003 38312 ISSN 0933 811X Mai et al 1999 Maiss J HILDEBRAND V BAYER J HAHN E G miniEASIE ein neues auf die Belange der interventionellen Endoskopie reduziertes Trai ningsmodell In Endosko
170. gender Ablauf Mit nandle Createrile wird der Port ge ffnet writerile handle Schreibt Readrile handle liest und mit closeHandle handle Wird die Verbindung wieder geschlossen F r beide Implementierungen gilt dass mit dem ffnen der Verbindung Ein stellungen wie die Baudrate ber den Aufruf open einstellbar oder die Ver wendung von einem Stoppbit durch Kommunikationsklasse fixiert vorgenom men werden Des Weiteren gilt dass durch diese Klassen die Kommunikation in beide Richtungen vollst ndig bernommen wird So wird das korrekte Zusam mensetzen der empfangenen Bytes zu einem Positionswert bernommen und das unterschiedliche Verhalten der Betriebssysteme beim Lesen ausgeglichen Tests mit der neuen Ansteuerung auf einem Single Chip Prozessor ergaben dass die Belastung von vorher ca 50 der Rechenzeit f r den Vorschubmotor unter Windows auf jetzt weniger als 1 gesunken ist Diese geringe Belastung gilt jetzt jeweils f r beide Motoren und unter beiden getesteten Betriebssystemen Das Portable Operating System Interface ist eine international als genormte Schnittstellendefinition Die neuste Normung IEEE 1003 1 2004 entspricht den Basis spezifikationen Ausgabe 6 von The Open Group Aufgabe dieser Standards ist die Portabilit t von Applikationen auf verschiedenen POSIX Betriebssystem sicherzustellen rn 129 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Ansteuerung der Han
171. gkeiten durch eine gute Ausbildung in den Griff zu bekommen sind Schon seit etwa einem halben Jahrhundert wird versucht durch den Einsatz verschiedener Trainingssimulatoren die Ausbildung zu verbessern Durch die in den letzten Jahren aufgekommenen Computersimulatoren werden die gr ten Ver besserungen beim Ausbilden und berpr fen der Leistungen erwartet Einerseits geh rt Computersimulatoren die Zukunft andererseits ist die Wiedergabe der Rea lit t und die M glichkeit den Ausbilder zu ersetzen noch eingeschr nkt 10 1 2 Erreichte Ziele Indem das Force Feedback System von EndoSim so erweitert wurde dass es in allen Freiheitsgraden aktiv K fte erzeugen kann ist nun eine maximale haptische Realit tstreue erreichbar Beispielsweise ist dadurch das Ersp ren der richtigen Drehrichtung beim Aufl sen einer Darmschlinge erst m glich geworden Durch die Erg nzung mit akustischer R ckmeldung wird der Realit tsbezug nochmals erh ht Des Weiteren ist nach Abschluss der mannigfaltigen Arbeiten an Mechanik Elektronik und Software erstmalig ein Force Feedback System f r die Koloskopie entstanden welches das softwaregesteuerte Anfahren beliebiger Positionen auf allen vier Freiheitsgraden erlaubt gt Abb 10 1 Diese Positionierung gestattet es auf vielf ltige Art und Weise helfend in das Geschehen einzugreifen F r ein benutzerfreundliches Verhalten wird diese M glichkeit anfangs in Form des Kalibrierens der Haptik eingesetzt
172. glicht und die Realit tstreue des haptischen Feedbacks deutlich erh ht werden 8 2 1 Positionierungssystem f r vier Freiheitsgrade F r die Kalibrierung der Hardware gt Komfortabler Start des Ger tes ab Seite 1134 f r das Bewegen der Haptik ber die vier Regler der GUI Abb im Positioniermodus und f r die im n chsten Kapitel betrachteten neuen Trainings m glichkeiten ist die F higkeit bestimmte Positionen ber die vier motorisch be triebenen Force Feedback Systeme anzufahren von essentieller Bedeutung Positionierung ber Regelung der Kr fte Die Ansteuerung der Motoren ist zur Erf llung der Force Feedback Funktion auf die Erzeugung von definierten Drehmomenten bzw Kr ften optimiert Abwei chend davon kommt es beim Positionierbetrieb auf ein m glichst schnelles Er reichen einer bestimmten Position d h auf die Realisation eines lagegeregelten Rotations bzw Vorschubantriebes an vgl 2006 148 EndoSim 8 2 Force Feedback System Eine Regelung verwendet das durch Messung erfasste Ausgangssignal und vergleicht dieses ber einen R ckkopplungszweig mit dem am Eingang anlie genden Soll Ausgangssignal Dorf und Bishop 2007 Die Regelung des Motors auf ein bestimmtes Drehmoment bzw auf eine bestimmte Kraft wird in bei den Modi verwendet Dabei erfolgt die R ckkopplung durch den Servoverst rker anhand der Spannung und des Stromes Die R ckkoppelung des Stromes ist zur Kompensation des Spannun
173. gsabfalls an der St nderwicklung des Motors mit ei ner IR Kompensation ausger stet vgl Hughes 2006 Dadurch wird ein linearer Zusammenhang zwischen dem Steuersignal und dem Drehmoment erreicht Im Positioniermodus kommt zu diesem inneren Regelkreis der f r seine ur spr ngliche Aufgabe erhalten bleibt noch ein u erer hinzu Der Servoverst r ker arbeitet dann als schneller innerer Regelkreis der Computer liegt ber die Schnittstellenkarte im langsameren u eren Regelkreis Damit ist die Vorausset zung f r die Vorteile einer Kaskadenstruktur wie von Lutz und Wendt 2007 beschrieben gegeben e St rungen werden in den unterlagerten Regelkreisen ausgeregelt bevor sie sich in den berlagerten Regelkreisen auswirken K nnen e Der Maximalwert der Regelgr en der unterlagerten Kreise kann zum Schutz der Antriebssysteme begrenzt werden Sowohl die Ausregelung kurzfristiger St rungen z B Spannungsschwankungen als auch der Schutz des Motors durch eine entprechend eingestellte Strombegren zung wird im vorliegenden Fall vom Servoverst rker bernommen Positionierung ber abstandsabh ngige Geschwindigkeitsregelung W hrend der innere Regelkreis durch Anpassung des Stromes f r die korrekte Kraft sorgt muss der bergeordnete Regelkreis mit Hilfe eines entsprechenden Algorithmus des Computerprogrammes die jeweils optimale Kraft f r die Positio nierung festgelegen Dies erfolgt prinzipiell bei
174. gsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme Wird die Drehung um die Schlauchachse im Winkel a durch Multiplikation mit der Matrix M ber cksichtigt ergibt sich f r die Richtung der Endoskopspitze cosa sina 0 sin 9 TObjektiv M TObjektiv nn 1 2 ar T a ie Va sina cosa 0 sin Y 0 0 1 cos 6 cos y cosa sinf sina sin Y Va sina sind cosa sing 9 14 cos 0 cos p Indem das Skalarprodukt zwischen dem Tangenteneinheitsvektor De der aktuellen Situation und dem Tangenteneinheitsvektor nn von der Auf nahme n gebildet wird l sst sich der dazwischen liegende Winkel bestimmen gt cos 6 n Te i 9 15 F r den hier betrachteten Fall mehrere bez glich des Abstandes gleich gute Aufnahmen n in m wird zus tzlich auf einen geringen Unterschied der Blick richtung d h ein kleines optimiert Aus den Aufzeichnungen wird letztlich Nmin m gew hlt wobei f r das aus der Winkelbetrachtung gewonnene Min gilt O Mmin Mmin Omin lt 6 Mmin m Ym N 9 16 Abbildung 9 7 Durch Zerlegen der Tangentenvektoren in ihre Komponenten ist aus der linken Zeichnung Ty sin und aus der rechten Zeichnung T sin y zu entnehmen Durch quadratisches Addieren der beiden Komponenten in z Richtung ergibt sich die z Komponente des Tangentenvektors im Raum T T gt gt T7 EEN cos 0 cos y 170 EndoSim 9 2 Automatische Hilfe und Fiihrung
175. gssystem Untersuchungen vor Zusammen mit den hier gezeigten Problemen ist die Praxistauglichkeit daher zweifelhaft 17 Handelsname Teflon Poly tetrafluoroethylene PTFE is a crystaline very heat resistant up to 250 C chemical resistant polymer PTFE has the lowest coefficient of friction of any polymer Kutz 2002 Chemische Formel CF2 CF2 vgl Seidel 2006 62 EndoSim 3 3 Computersimulatoren 3 3 4 Koloskopiesimulator der EPFL Das zweite hier vorgestellte Forschungsprojekt ist ein am schweizer Laboratoire de Systemes Robotiques LSRO entwickelter Koloskopiesimulator welcher auf fallig viele Gemeinsamkeiten mit dem Virtual Endoscope System hat Auch bei diesem Simulator wurde das Darmmodell nach einem CT Scan generiert die Si mulation des Koloskops erfolgt als Reihe gekoppelter Elemente die Berechnung der Kr fte durch Aufsummieren und deren Ausgabe ber ein haptisches Interface welches mit Differentialgetriebe und Kraftiibertragung durch Reibung arbeitet Abbildung 3 8 Vereinfachte Darstellung des Differentialantriebes des EPFL Simulators Solange die beiden Motoren synchron laufen wird der zwischen den beiden Riemen ge haltene Koloskopschlauch gedreht Das hier oben gezeichnete mittlere Zahnrad steht still Laufen die Motoren asynchron bewegt sich das mittlere Zahnrad Seine Bewegung wird auf die Walzen bertragen und diese bewegen den Schlauch in tangentialer Richtung Simulation
176. h Verformung Deformation des Darmes 8 3 Die Deformation und damit die Bildung von Darmschlingen kann nur in den verformbaren Abschnitten des Darmes auftreten Ein geringer Kr mmungs radiug des Schlauches erh ht die Normalkraft Fy und damit die Verformung 8 1 3 Diskretisierung der stetigen Funktion W hrend die von der Vorgehensweise des Koloskopikers abh ngige schmerzaus l sende Kraft eine stetige Funktion ist werden Laut u erungen des Patienten durch berschreiten der Schmerztoleranzgrenze getriggert und sind daher dis kret Als Ann herung an dieses Verhalten wurde die schmerzausl sende Kraft in zw lf gleichm ige Stufen eingeteilt Solange sie im Bereich der untersten Stufe liegt erfolgt keine Tonausgabe Auf der n chsten Stufe wird die Ausgabe einer sehr schwachen Laut u erung getriggert auf den dar berliegenden zehn Stufen akustische Mitteilungen mit ansteigender Intensit t 8 1 4 Aufzeichnung der Kl nge Die zu den verschiedenen Stufen passenden Kl nge m ssen zun chst in einem ad quaten Format aufgezeichnet werden Da eine externe Tonverarbeitung oder der Einsatz exotischer Formate zu unn tigem Aufwand f hrt wurde der Focus der Auswahl auf die bei PCs verbreiteten Formate gelegt Der Vorteil des Einsparens von Speicher durch Kompression wie dies bei MPEG 1 Audio Layer 3 Ogg Vorbis AAC WMA etc erfolgt spielt bei den kurzen Aufzeichnungen keine Rolle Die Nachteile wie gr erer Aufw
177. h ergaben auch keine berzeugende L sung F r den Einsatz in der Praxis hat sich der Wartungsaufwand neues Seil einf deln abgerutschtes Seil wieder auflegen Seilf hrung einstellen bei allen versuchten Materialien als zu hoch herausgestellt Vorgehensweise M glichst flache Motoren w ren f r den Antrieb der Handr der am g nstigsten da sie am Handteil weniger abstehen und damit st ren w rden Durch das Ver dicken der R ckwand k nnten sie sogar vollst ndig integriert werden Zur Zeit der Entwicklung waren entsprechende Motoren jedoch in geringen Quantit ten nicht 99 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Abbildung 6 3 Durch das Entfernen der Handr der und der Abdeckung wird im linken Bild der Antriebsriemen sichtbar Auf der rechten Seite das einsatzbereite Handteil mit dem verz gerungsfreien und verschlei armen Riemen bzw Direktantrieb zu erhalten da sie zum Sonderprogramm z hlten vgl 2003 Daher wurden beide vorhandenen Motoren aus der externen Halterung ausgebaut und durch Montage am Handteil wiederverwendet Mittlerweile hat sich die Situa tion verbessert vgl Maxon Motor 2007 so dass durch Auswechseln der Motoren eine ergonomischere L sung einfach m glich ist gt Ausblick ab Seite 187 Ein Motor liegt genau in Verl ngerung der Drehachse der Handr der Die Ach se des dazugeh rigen Handrades wurde so angebohrt dass die Motorachse in sie gesteckt und dort mit e
178. h ufiges Problem ist die Bildung einer N Schlinge im Sigmoid a b Befindet sich die Endoskopspitze im Colon descendens wird der Darm begradigt indem das Koloskop gleichzeitig leicht zur ckgezogen und dabei im Uhrzeigersinn gedreht wird c Anschlie end erfolgt das weitere Eindringen unter Beibehaltung dieser Drehung d Gegen ein Screening von Senioren spricht dass die Lebenserwartung mit zu nehmendem Alter immer weiter abnimmt Damit hat eine Fr herkennung und Be handlung des Darmkrebses eine immer geringere lebensverl ngernde Wirkung Auch bei etwas j ngeren sind kurze Screeningintervalle nicht sinnvoll Das Risi ko einen Darmkrebs zu bekommen bleibt fiir tiber 10 Jahre nach einer negativen Koloskopie verringert Singh et al 2006 Wurde kein Krebs gefunden ist daher eine weitere Vorsorgeuntersuchung fr hestens nach zehn Jahren wieder sinnvoll Die Einschr nkungen aufgrund von sehr hohem Alter und verl ngerten Inter vallen zwischen den Fr herkennungen lassen trotz genereller Zunahme kolosko pischer Untersuchungen auf eine Abnahme von sehr einfachen F llen schlie en F r die Ausbildung folgt m glicherweise daraus dass in Zukunft diese f r An f nger besonders geeigneten F lle nicht mehr ausreichend zur Verf gung stehen F r die ersten Versuche eines Anf ngers sind komplizierte Pathologien nicht zu empfehlen f r den Fortgeschrittenen sind gerade diese interessant Einschr n kend f r das aufbauende Tra
179. h sein Um u a die zuvor kriti sierten M ngel zu umgehen wird nun die Realit tstreue genauer betrachtet 4 4 Realit tstreue maximieren Ziel eines Simulators ist es die Realit t so gut wie m glich darzustellen Je mehr es auf die Pr zision bei der Durchf hrung einer Handlung ankommt um so wich tiger ist die Realit tstreue So kann ein in diesem Bereich nur m iger Kolosko piesimulator f r das Anf ngertraining ausreichen jedoch die bertragung von am Simulator gelernten fortgeschrittenen Techniken auf die Praxis wegen zu gro er Unterschiede zwischen Simulation und Realit t scheitern Dies erkl rt weshalb trotz mangelhafter Haptik beim AccuTouch und insbesondere beim G Mentor f r Anf nger belegte Vorteile bestehen f r Fortgeschittene jedoch nicht Bei feinmotorischen Bewegungen besteht schon bei einer wenig von der Rea lit t abweichenden Simulation die Gefahr dass Falsches trainiert wird When a simulator cannot properly replicate the tasks or task environment of operating or caring for patients there is a risk that clinicians might acquire inappropriate be haviors negative training or develop a false sense of security in their skills that could theoretically lead to harm Haque und Srinivasan 2006 Das visuelle Feedback tiber den Monitor ist bei allen aktuellen Simulatoren vorhanden und dessen Qualit t wird kaum kritisiert Daher wird im Folgenden der Schwerpunkt auf die nur selten realisierte akustische Au
180. hachse erreicht Die ber den angeflanschten di gitalen Encoder erfolgende Positionsbestimmung ersetzt den entfernten Positionsgeber Vorgehensweise Der Antrieb muss einerseits ein ausreichendes Drehmoment zur Erzeugung eines starken Widerstandes besitzen andererseits muss seine Geometrie ein Bewegen innerhalb des F hrungsrohres erlauben Au erdem muss eine Positionsbestim mung integriert sein da der Motor die Stelle des alten Positionsgebers einnimmt Diese entgegengesetzten Anforderungen erfordern eine sorgf ltige Auswahl Das Drehmonent eines Gleichstrommotors ist nach Fischer 2001 M rn ky A B d 1 6 11 102 EndoSim 6 1 Mechanik Dabei gilt f r die Konstante km lt 0 5 und f r einen typischen Strombelag bei einem Strom J und z Wicklungen A at 100 5004 B ist die Flussdichte dist der Durchmesser und die L nge des Motors Das Produkt d l bestimmt das sogenannte Bohrungsvolumen der Maschine und damit proportional auch ihr Gesamtvolumen ihre Masse und ihr Gewicht Damit entstehen die folgenden grunds tzlichen Aussagen 1 Die Baugr e einer elektrischen Maschine wird allein durch das von ihr geforderte Drehmoment bestimmt 2 Die einer Baugr e zugeordnete Leistung steigt proportional mit der Dreh zahl Fischer 2001 Der erste Punkt fordert f r ein gro es Drehmoment einen m glichst gro en Motor Die L nge des Motors ist praktisch nicht beschr nkt der Durchmesser muss jedoch deut
181. heitlichen Schemas gel st das sowohl beim bestehen den als auch beim neuentwickelten Programmcode angewandt wurde Systemunabh ngiegkeit sicherstellen Durch Beschr nkung auf den genormten Befehlssatz von C vgl 2000 und den Einsatz der Klassenbibliothek Qt von Trolltech vgl wird prinzipiell Systemunabh ngigkeit erreicht Getestet wurde die korrekte Ausf hrung der Software sowohl unter Windows XP als auch unter SUSE Linux empfieht soviel Code wie m glich gemeinsam zu verwenden Falls dies nicht m glich ist soll der Code abstrahiert werden und ein gemeinsames Interface angeboten werden Sowohl im vorhandenen Source Code als auch bei der Weiterentwicklung gab es einige solcher kritischer Stellen Im Folgenden wird beschrieben wie dabei entsprechend dieser Empfehlung vorgegangen wurde um die Unabh ngigkeit vom Betriebssystem zu gew hrleisten In der Informatik sind Threads Ausf hrungsstr nge die quasi parallel ausgef hrt werden k n nen Selten werden auch deutsche Bezeichnungen wie Aktivit tstr ger oder Faden verwendet FET 127 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Ansteuerung der Schnittstellenkarte Im Dezember 2003 wurde der Linux Kernel 2 6 offiziell als Nachfolger des 2 4er Kernels freigegeben Die neue Version wurde ziigig von den verschiedenen Dis tributionen bernommen und ist damit heute Standard F r die Verwendung des 2 6er Kernels spricht neben den vielen tec
182. hem Erpro bungsgrad wenn eine l nger dauernde D mpfung erforderlich ist Diazepam ist sicherer als Midazolam zur kurzzeitigen Sedation bei erhaltener Ansprechbarkeit w hrend diagnostischer oder therapeutischer Intervention Arzneimittelkursbuch 2007 H ufigkeiten von den in der Regel wegen Medikamenten auftretenden St rungen des Herz Kreislauf Systems w hrend einer Koloskopie arrhythmia 0 1 bradycardia 0 8 hypotension 1 2 and hypoxia 5 6 Wexner et al 2001 18 EndoSim 2 2 Ausbildung und Qualit tsmanagement 2 2 Ausbildung und Qualit tsmanagement Der Nutzen der Koloskopie wird optimiert indem Probleme wie hohe Kosten sowie unangenehme und gef hrliche Untersuchungen minimiert werden Noch sind viele Endoskopiker Autodidakten vgl Teague 2000 Daher ist es f r Verbesserungen sinnvoll den Hebel bei der Ausbildung anzusetzten We must realize that the groundwork for a strong future lies in educating today s residents and practicing surgeons Pearl und Marks 2006 In der Ausbildung sollen folglich Methoden eingesetzt werden die zum einen kostensenkend sind zum anderen daf r sorgen dass erfahrene rzte zur Verf gung stehen die in der Lage sind Untersuchungen f r den Patienten angenehmer und mit weniger Risiko auszuf hren 2 2 1 Ausbildung Empfehlungen und Durchf hrung des praktischen Trainings In Deutschland gibt es keinen einheitlichen Standard z
183. hmotors 822 mNm vgl 2007 190 EndoSim 10 2 Ausblick nur ca 21 mm bzw 16 mnt so dass die Motoren in eine verdickte R ckwand vollst ndig integriert werden K nnen Au erdem w rde sich ein Einbau des durch den neuen Vorschubmotor k rzer geworden Force Feedback Ger tes in ein Mannequin anbieten da ein realistisches u eres beim Anwender f r mehr Akzeptanz sorgt In wieweit EndoSim durch spezielle Motoren und Mannequin ansprechender gestaltet werden kann h ngt entscheidend vom finanziellen Aufwand ab 10 2 4 Externe Kompression und Umlagerung Erweiterungen des mit einem flexiblen Mannequin ausgestatteten Simulators sind zus tzlich im Bereich der Koloskopieassistenz bez glich der externen abdomi nellen Kompression und der Umlagerung des Patienten m glich Nach B P Saunders in 2003 hat die abdominelle Kompres sion zum Ziel eine einw rts gerichtete Kraft vom Schaft des Koloskops auf die Koloskopspitze umzulenken um so eine Schlingenbildung zu vermeiden Wenn diese Technik korrekt angewendet wird durch festen und andauernden Druck der Handfl chen auf die Spitze der Schlinge kann sie die Ger teeinf hrung leichter und weniger schmerzhaft machen Jedoch wird die manuelle Kompression nur bei 37 effektiv ausgef hrt vgl Shah et al 2000 so dass sogar ein mechani sches externes Ger t erfolgreicher arbeitet vgl 2000 Wichtig ist daher die umfassende Schulung der koloskopischen
184. hner mit Single Prozessor von Intel auswirken BVRmagic Eine Spin off Firma des Lehrstuhls welche einen Augenoperationssimulator baut mr 113 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Auswahl und Aufgabe des Servoverst rker ADS 50 5 Der Servoverst rker ADS 50 5 wurde passend zum Leistungsbedarf und Typ der Motoren des Vorschubs und der Schlauchdrehung ausgew hlt G nstig f r weitere Entwicklungen ist dabei dass damit alle Motoren und Verst rker von einem Her steller sind Desweiteren ist diese Wahl die mit Abstand kosteng nstigste L sung Aufgabe des Verst rkers ist es in Abh ngigkeit von der am Eingang anliegen den analogen Spannung maximaler Bereich 10 V bis 10 V den Strom und damit das Drehmoment des Motors zu regeln Zur Generierung dieser Steuerspan nung wird daher neben der Stromversorgung und dem Motor die im Folgenden betrachtete Schnittstellenkarte angeschlossen Aufgaben der Schnittstellenkarte Die neue Schnittstellenkarte hat zwei Aufgaben zu erf llen Die Verbindung zwi schen Computer und Motor herzustellen und in der andereren Richtung Signale des Encoders zum Computer zu leiten Bei der Realisation ist darauf zu achten dass diese Kommunikation schnell genug f r die Echtzeit Simulation ist Die erste Aufgabe besteht im Empfang der digitalen Daten des Computers ber die serielle Schnittstelle und deren Transformation ber einen D A Wandlet 4 in analoge Werte welche ber den Servov
185. hniques In MARECHAL G Hrsg Euro graphics Conference Proceedings 1987 Amsterdam Niederlande Elsevier Science Publishers B V 1987 Eurographics conference S 127 138 Grantcharov et al 2005 GRANTCHAROV T P CARSTENSEN L SCHULZE S Objective as sessment of gastrointestinal endoscopy skills using a virtual reality simulator In Journal of the Society of Laparoendoscopic Surgeons 9 2005 Juni Nr 2 S 130 133 ISSN 1086 8089 Greenwald und Cohen 2006 GREENWALD D COHEN J Evolution of endoscopy simulators and their application In Gastrointestinal Endoscopy Clinics of North America 16 2006 Juli Nr 3 S 389 406 ISSN 1052 5157 Gro et al 2006 GROSS H HAMANN J WIEG RTNER G Technik elektrischer Vorschu bantriebe in der Fertigungs und Automatisierungstechnik Mechanische 232 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Komponenten Servo Motoren Messergebnisse 1 Auflage Erlangen Publi cis Corporate Publishing 2006 ISBN 3 89578 149 5 Gruber und Hartung 2004 GRUBER F P HARTUNG T Alternatives to animal experimentation in basic research In ALTEX 21 2004 Januar Nr 1 S 3 31 ISSN 0946 7785 Grund et al 1998 GRUND K E BR UTIGAM D ZINDEL C LOTHERT M FARIN G Interventionsf higes T binger Simulationsmodell INTERPHANT f r die flexible Endoskopie In Endoskopie heute 11 1998 S 134 ISSN 0933 811X Grund und Mentges 2000 GRUN
186. hnischen Vorteilen dass mit einer langen Laufzeit gerechnet werden kann denn Im Sommer 2004 wurde auf ei nem nicht ffentlichen j hrlichen Linux Kernel Developers Summit entschieden die Entwicklung der 2 6er Kernel weiterzuf hren ohne eine 2 7er Development Serie in der n heren Zukunft ins Leben zu rufen Diese Entscheidung wurde ge troffen da der 2 6er Kernel sehr gut aufgenommen wurde er generell als sehr stabil betrachtet wird und sich kein Bedarf f r Features abzeichnet die ein exzes sives Umschreiben des Kernels erfordern w rden Um EndoSim mit allen aktuellen Linux Distributionen die neben dem 2 6er Kernel noch viele weitere Vorteile bieten einsetzen zu k nnen musste jedoch eine L sung f r die Ansteuerung des Vorschubmotors gefunden werden F r die vorhandene Elektronik stand nur ein propriet rer Treiber f r alte 2 4er Kernel Ver sionen zur Verf gung Aufgrund dieses und vieler weiterer Probleme wurde daher eine neue Ansteuerung entwickelt Probleme der Ansteuerung ab Seite 1 11 Beispielhaft soll die Vorgehensweise zur L sung von Kompatibilit tsproble men am vorliegenden Fall genauer betrachtet werden da auch in den beiden nach folgenden Spezialf llen analog dazu vorgegangen wurde F r die Ansteuerung der seriellen Schnittstellenkarten wurde eine Klasse f r die Kommunikation in zwei Versionen geschrieben Deren Interface ist identisch so dass das ffnen der Verbindung das Senden und Emp
187. hnittstelle oder GUI Graphical User Interface genannt wurde bersichtlicher gestaltet und den neuen Anforderungen entsprechend um einige Elemente erweitert Abb 6 16 Abbildung 6 16 Links die alte rechts die neue grafische Benutzeroberfl che Neu sind Einblendungen u a von Schriftz gen in das Bild Auf dem Rahmen ist die Anzeige der Zahlen deutlicher und die runden Regler sind gr er und damit besser einstellbar gewor den ber die drei runden und den linearen Regler l sst sich nach Aktivierung des Positio niermodus die Haptik beliebig bewegen F r die neuen Trainingsm glichkeiten wurde die Anzahl der Kn pfe von zwei auf elf erh ht Zu den vier kraftanzeigenden Balken ist einer zur Anzeige der Gesamtkraft bzw des Abstandes bei der Positionierung und ein weiterer der die Position bei Wiedergabe anzeigt hinzugekommen Bild und Rahmen Die grafische Benutzeroberfl che l sst sich in Bild d h den Bereich in dem der Blick durch das Endoskop bzw auf einen Videomonitor simuliert wird und Rahmen d h den Bereich in dem der Status der laufenden Simulation abgelesen werden kann und in dem Einstellungen vorgenommen werden k nnen aufteilen ee Sa 125 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Bild mit Einblendungen Die Ausgabe im Bereich des Bildes erfolgt plattformunabh ngig ber OpenGL Open Graphics Library die im professionellen Bereich f hre
188. hologien hineinpr pariert wurden vgl et al 1997 Durch ein fakultativ einsetzbares externes Perfusionssystem k nnen auch lebensbedrohliche Situationen w hrend einer Endoskopie trainiert werden So wird eine spritzende Ulkusblutung aus dem Gef stumpf im Magen simuliert indem ber eine Rollerpumpe Blutersatzstoff durch ein Loch in der Schweine Magenwand gepumpt wird Aufgabe des Endoskopikers ist die Stillung dieser k nstlichen Blutung durch Injektionstherapie oder Clip Applikation vgl berger et al 2001 berichten iiber groBe Lernerfolge von Endoskopie Anf ngern mit dem System Der Unterschied zwischen den beiden aktuellen Biosimulatoren ist dass die Schweineorgane bei EASIE und der transportablen Version compactEASIE vgl in einer einfachen Plastikwanne fixiert werden beim Endo Trainer jedoch in einen dreh und kippbaren Kunststofftorso eingebaut werden 34 EndoSim 3 2 Trainingsmodelle Abbildung 3 2 Das kiirzlich zum Training der Koloskopie vorgestellte ex vivo Modell Durch den ge ffneten Zustand wird der speziell befestigte Darm eines Rindes sichtbar vgl Sedlack et al 2007 mit freundlicher Genehmigung von R E Sedlack Kritik Es f llt auf dass trotz 10 j hrigen Bestehens dieser Art von Simulatoren nur weni ge Studien ber den Nutzen eines Trainings mit ihrer Hilfe ver ffentlicht wurden Daher kommen zu folgendem Schluss More da ta are needed to confirm that hands on simulator traini
189. hungen durchgef hrt hatten erreicht Einen hnlichen Versuch f hrten mit dem Trainingspro gramm Endobubble durch Beim Vergleich dreier Durchg nge mit sechs An f ngern und f nf Fortgeschrittenen kommen sie zu dem Schluss dass nur die An f nger dazulernen Bei den Fortgeschrittenen bleibt die Leistung in etwa konstant Auch setzten das Trainingsprogramm Endobubble ein Es wurden 28 Personen die noch nie vorher eine Kolosko pie ausgef hrt hatten zuf llig in zwei Gruppen eingeteilt Eine Gruppe trainierte die andere nicht Eine daran anschlie ende Koloskopiesimulation ergab bei den Trainierten deutlich bessere Leistungen Als Kombination wurden die verschiedenen M glichkeiten mit dem Simula tor zu trainieren Endobubble spezielle F lle der Koloskopie vollst ndiges Ein dringen bis zum Caecum von Buzink et al 2007 in vier nacheinander folgenden Sitzungen eingesetzt Dabei wurden Gruppen von Anf ngern Fortgeschrittenen und Experten verglichen Anf nger wurden deutlich besser besonders in Bezug auf die ben tigte Zeit Ihre Leistungen n herten sich den Experten an blieben je doch immer darunter Bis auf die Reduktion der Zeit in welcher der Patient starke Schmerzen haben w rde verbesserten sich die Experten nicht Eine weitere Fragestellung ist ob sich der G Mentor einsetzen l sst um ver schiedene Leistungsniveaus zu unterscheiden lie en 13 Anf nger und 11 Fortgeschrittene sowohl die spezie
190. hwierig durchzuf hrende ERCP trai nieren ohne auf bet ubte Schweind zur ckgreifen zu m ssen KISMET Kinematic Simulation Monitoring and Off Line Programming En vironment for Telerobotics wurde urspr nglich f r die kinematische Simulation und grafische Darstellung von Robotern entwickelt und dann um Funktionen f r Operationssimulationen erweitert vgl K hnapfel et al 1995 Cakmak und Kihn apfell2000 Aus dieser Entwicklung des Forschungszentrums Karlsruhe gingen ein Simulator f r starre Endoskopie ein Gyn kologie Trainer vgl et al 2000 akmak et al 2002 das Teleoperations System ARTEMIS vgl 1997 und die Gr ndung der Firma Select IT VEST Systems Ad hervor Sie bietet das Trainingssystem VSOne f r zwei Arten der Laparoskopie an Die Pionierarbeiten im Bereich der Endoskopiesimulation wurden mittlerwei le entweder eingestellt wie z B die Mk Prototypen oder ihre Entwicklung ver folgt eine andere Richtung als die hier betrachtete Koloskopie z B KISMET Daher beschr nken sich die folgenden ausf hrlicheren Beschreibungen auf die aktuellen Computersimulatoren f r das Training der Koloskopie Die sechs in diesem Bereich verf gbaren Simulatoren lassen sich in zwei kom merziell erh ltliche Ger te und vier Forschungsprojekte einteilen Der kommer zielle Markt an Computersimulatoren f r die flexible Endoskopie wird heute von zwei Firmen dominiert Simbionix Ltd gegr ndet in Lod Israel jetzt Clevel
191. i se Verbote und dass der Nahrungsentzug vor der Untersuchung zu Koprophagie f hrt wenn nicht in kurzen Zeitabst nden ausgemistet wird vgl 2001 Zusammengefasst ist das Training an lebenden Tieren aufw ndig und damit teuer da f r die Haltung der Tiere die Vorbereitung und die Durchf hrung des Trainings geschultes Personal erforderlich ist vgl Grund und Mentges 2000 Gruber und Hartung 2004 Daher verwundert es nicht dass diese Methode keine gro e Verbreitung gefunden hat vgl 2000a 2006 Ein ausgewachsenes Schwein wiegt meist ber 100kg Verzehr der F zes nn E 37 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren 3 3 Computersimulatoren Das Training mit Simulatoren aus k nstlichen Organen mit Biosimulatoren oder an Versuchstieren ist aus den zuvor genannten Gr nden in vielerlei Hinsicht pro blematisch Daher werden die meisten Modelle in erster Linie f r Anf nger ein gesetzt bei denen es um die grunds tzliche Bedienung eines Endoskops geht F r fortgeschrittene Techniken werden bis auf eine Ausnahme zus tzlich Inter phant f r eine ERCP Trainingsstufe ausschlie lich die im Gebrauch besonders aufw ndigen Biosimulatoren aus Erlangen f r das Training empfohlen vgl die Simulationstraining Pyramide von J Hochberger et al in Classen et al 2003 Es wurde gezeigt dass die vielf ltigen Problemstellungen in der Endoskopie durch Trainingsmodelle nicht bzw nur mit sehr gro em Aufwand realisiert
192. icht wieder unrein soll es euch sein Von ihrem Fleisch d rft ihr nicht essen und ihr Aas nicht ber hren Elberfelder Studienbibel 2005 Mit Verweis auf Matth us 15 Vers 11 Nicht was in den Mund hineingeht verunreinigt den Menschen sondern was aus dem Mund herausgeht das verunreinigt den Menschen wird der Umgang mit Schweinen jedoch im Christentum in der Regel gestattet 36 EndoSim 3 2 Trainingsmodelle Kritik Gegen das Training an bet ubten Tieren sprechen ethische Bedenken Es stellt sich die Frage ob die vorbereitenden Schritte wie z B das Hungern mit tiergerechter Haltung vereinbar sind insbesondere wenn man in Betracht zieht dass ein Tier nach einem Kurs von nur wenigen Stunden get tet werden muss vgl Hartung 2004 2000 Roberts et al 2006 Dass es durch die vorgegebene Pathologie eines Tieres nicht m glich ist ge zielt eine bestimmte Situation zu trainieren ist ein weiterer Grund der gegen diese Methode spricht Gew nschte pathologische Befunde k nnen im Normalfall nicht simuliert werden denn daf r m sste das Tier selbst Polypen oder Tumoren auf weisen Die Wahrscheinlichkeit f r ein nat rliches Auftreten ist jedoch extrem gering vgl 1998 weil meist Jungtiere eingesetzt werden So sind bei spielsweise Schweine mit einer K rpermasse von ca 34 ke f r die Gastroskopie am besten geeignet vgl Noar 1995b Speziell gegen den Einsatz von Schwei nen sprechen auch hier wieder relig
193. ie lich mit den Leistungen der Wirk lichkeit korrelieren einen weiteren Hinweise von 2006 The visuospatial tests performed better in endoscopists not playing computer games Auch die f r eine Untersuchung am Simulator ben tigten Zeiten welche von ermittelt wurden entsprechen in ihrer Verteilung nicht den Er gebnissen realer Untersuchungen Bei Anf ngern ist die Zeit herausragend hoch 29 min 57 s bei Fortgeschrittenen 5 min 45 s Erfahrenen 4 min 19 s und Ex perten 4 min 56s liegen die Zeiten jedoch unerwartet eng beieinander so dass danach keine Einteilung erfolgen kann Die Experten sind sogar etwas langsa mer als die Erfahrenen Im Gegensatz zu diesen zwei Stufen Anf nger Andere gilt bei realen Koloskopien dass sich die Zeit invers proportional zur Erfahrung verh lt vgl Wexner et al 2001 Insbesondere die sehr kurzen Zeiten f r das Erreichen des Caecums beim Si mulatortraining welche schon von Fortgeschrittenen erreicht werden zeigen wenn sie mit Zeiten von realen Untersuchungen verglichen werden 9 bis 10 2 Mi nuten bei einem erfahrenen Koloskopiker vgl von Delius et al 2006 dass ein erfolgreiches Durchf hren einer Untersuchung am G Mentor noch lange nicht bedeutet dass sich bei einer realen Koloskopie der Erfolg einstellt 3Oklahoma City Oklahoma USA nn E 5 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren 3 3 2 AccuTouch Vom PreOp zum AccuTouch Ein Jahr nach dem erste
194. ie Entscheidung ber den Einsatz eines Ger tes ausf llt h ngt neben den Trainingsm glichkeiten auch davon ab ob die Anwendung komfortabel ist und ob das Ger t zum vorhandenen Budget passt Medicine Meets Virtual Reality ne 77 4 Zielstellung 4 2 1 Komfortable Nutzung des Simulators Fiir den Anwender ist angenehm wenn zu Beginn des Trainings das Endoskop automatisch an die richtige Position gef hrt wird und die wichtigsten Informati nen hervorgehoben dargestellt werden So kann er sofort mit den zu Aufnahme Wiedergabe oder Simulation passenden Aktionen beginnen Im weiteren Verlauf sollen Einstellungen ber eine intuitive Oberfl che einfach vorzunehmen sein 4 2 2 Reduktion der Kosten Verschiedene Autoren weisen auf die hohen Kosten der Computersimulatoren hin Diese k nnen von 10 000 selbst gebaute bis zu 100 000 reichen und das Ein richten eines geeigneten Simulation Centers kann bis zu 1000000 kosten Haque und Srinivasan 2006 Als Preisspanne geben Pearl und Marks 2006 f r ein Ger t 40 000 100 000 an und schreiben dazu Wenn Simulation eine Brei tenwirkung haben soll m ssen erschwingliche Simulatoren entwickelt werden Eine kosteng nstige Umsetzung l sst sich erreichen indem bei der Entwick lung so weit wie m glich einfachen standardisierten L sungen der Vorzug gegen ber teuren Spezialanfertigungen gegeben wird 4 3 Evaluation In der Diskussion um Kosten u
195. ienteil bet tigt Das Aufteilen des Trainings in verschiedene Segmente und ausschleichende Auf sicht wird von rzten als wertvoll betrachtet vgl Thuraisingam et al 2006 Mo tivation klare Erkl rungen und R ckmeldungen sind entscheidend um zu lernen Erste Versuche des Koloskopierens k nnen entmutigend sein Mindestens 100 F lle sind n tig um einen Level an F higkeit zu erlangen welcher Voll st ndigkeit in zwei Drittel der F lle erm glicht wohingegen 125 F lle zu einer durchschnittlichen Vollst ndigkeitsrate von 75 f hren Church et al 2002 Bei gro er Erfahrung gt 1000 erfolgt in 93 5 der F lle eine vollst ndige Untersuchung das hei t ein Eindringen mit dem Koloskop bis zum Caecum bzw bis zum terminalen Ileum vgl Wexner et al 2001 Jedoch auch f r bereits prak tizierende rzte ist das vollst ndige Untersuchen des Colons noch problematisch die Reduzierung von Krebsf llen nach Vorsorgeuntersuchungen ist im schwer zu erreichenden Colon ascendens deutlich niedriger vgl Singh et al 2006 Verschiedene Empfehlungen ber die Anzahl an Koloskopien die ein Auszu bildender ausf hren soll um eine ausreichende Kompetenz zu erhalten vergleicht Freeman 2001 Vier Experten 1989 1990 empfehlen 25 88 sechs Berufsver b nde 1992 2000 empfehlen 10 100 Untersuchungen Weitere Empfehlun gen kommen mit 100 180 von Tassios et al 1999 und Bar Meir 2000b sowie mit 140 Unter
196. iese wiederum proportional zum Kr m mungswinkel ist ergibt sich eine Proportionalit t zwischen dem Drehwinkel am Handrad und dem Kr mmungswinkel der Endoskopspitze 0 ADrahtlange Handrad X p ADrahtlange Handrad Y ADrehwinkel Handrad X ADrehwinkel Handrad Y 9 2 Abbildung 9 5 Die Zeichnungen zeigen wie aus der Differenz der Drahtl ngen 1 9 und l2 9 bzw l p und l2 der Radius und der Winkel des Kreissegments bestimmt wird Links der Radius rg und der Winkel 0 in der x z Ebene sowie rechts der Radius ry und der Winkel in der y z Ebene Der Abstand d zwischen den Dr hten sowie die L nge l der gestrichelt gezeichneten neutralen Faser sind dabei konstant denn sie sind unabh ngig von Richtung und St rke der Biegung m nd 165 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme Position des Objektivs Ausgehend vom Koordinatenursprung wird die Position des Objektivs durch den Ortsvektor Obektiv wie folgt beschrieben Abb 9 6 sin 0 Objekti Objekti SAS Ohi olti Os jektiv _ O je 0 en lo eae g sin 9 3 9 2 COS 5 COS 5 Dabei entspricht der Betrag dieses Ortsvektors der Sekante s des Kreisbogens Den Zeichnungen ist zu entnehmen dass jeweils die H lfte der Sekante s im Ver h ltnis zum Radius r den Sinus des halben Winkels ergibt Die Konstante L nge l der Endoskopspitze ergibt sich indem Winkel und Radius einer Ansicht mitein ander multipliziert werde
197. igt wird Die Leistungsf higkeit des Endoskopikers wird u a anhand der zum Errei chen des Caecums ben tigten Zeit bestimmt Bei der f r EndoSim realisierten Implementierung erfolgt die Zeitbestimmung ab Programmstart oder bei wiederholter Durchf hrung ab dem Zeitpunkt an dem sich die Endoskopspitze durch das Zur ckziehen wieder im Rektum befindet Mit der Anzeige endet die Zeitbestimmung am proximalen Ende des Colons dem Caecum So ist sichergestellt dass immer die Zeit f r den gesamten Weg des Eindringens bestimmt wird Angezeigt wird diese in Minuten und Sekunden Des Weiteren erfolgt eine Bewertung in Worten Abb anhand des im folgenden betrachteten Zusammenhangs Im Gegensatz zum R ckweg bei dem l ngere Zeiten mit genauerer Beobach tung korrelieren vgl Barclay et al 2006 ergibt sich durch die Dauer des Ein dringens ein Hinweis auf die Leistungsf higkeit des Durchf hrenden Zeiten ber 10 2 Minuten gelten in der Regel als zu lang Zeiten zwischen 9 und 10 Minuten sind durchschnittlich und Zeiten unter 9 Minuten gelten als berdurchschnittlich gut vgl 2006 140 EndoSim 7 4 Evaluation durch Statistik am Trainingsende 7 4 3 Absolute und prozentuale Zeit des Endoskops im Lumen Eine Koloskopie wird umso schmerzfreier sein je zentraler im Lumen man das Endoskop vorschiebt Das Kolonlumen wird dadurch weniger aufgedehnt und es entstehen weniger Zerrungen an Mesenterien und B ndern
198. imale Realit tstreue ist deshalb ein aktives Force Feedback auf allen vier Freiheitsgraden zu fordern Bei den vorgestellten Endoskopiesimulatoren ist das Force Feedback teils ak tiv teils passiv und teilweise gar nicht vorhanden Nur EndoSim erm glichte ein Force Feedback auf drei Freiheitsgraden und dies dazu durchg ngig aktiv Aktives Force Feedback auf allen m glichen Freiheitsgraden Dies wurde von Fachleute einerseits gelobt andererseits das Fehlen eines Dreh momentes kritisiert Dieses ist wichtig um die richtige Drehrichtung beim Man ver des Aufl sens einer Darmschlinge zu w hlen Frau Dr M nner erkl rte dass man den Endoskopschlauch beim R ckw rtsziehen in die Richtung des geringe ren Widerstands drehen muss Daf r ben tigt man aber Kr fte auf der Rotation des Schlauchs um je nach Drehrichtung unterschiedliche Widerst nde zu erzeu gen K mer 2003 Daher soll der Simulator zus tzlich ein Drehmoment auf den Schlauch des Endoskops erzeugen k nnen Mit dieser Erweiterung besitzt EndoSim dann ein aktives Force Feedback auf allen vier m glichen Freiheitsgraden und kann daher auch eine maximale haptische Realit tstreue erzielen Frau Dr med Christine M nner niedergelassene Internistin mit Schwerpunkt Endoskopie in Heidelberg und Herr Dr med Herbert Deppe Oberarzt in der gastroenterologischen Abteilung des Klinikums Minden Die Steuerung des Endoskops empfanden beide Fach rzte als authent
199. immerkollegen e Andreas K pfle f r seine fundierte Hilfe bei Linux Problemen e Christian Steinle der parallel zu mir an seiner Arbeit schrieb und daher immer gut f r Aufmunterung und Gedankenaustausch war e Andreas Wurz der fundiertes Wissen zeigte und viel Zeit investierte wenn es Probleme bei Mathematik und Elektronik gab e Florian Beier extrem hilfreich durch sein kritisches Korrekturlesen e Stephan Diederich ebenfalls ein hilfsbereiter und kritischer Korrekturleser vii Aus meinem pers nlichen Umfeld m chte ich besonders hervorheben e Angela Diel f r die wiederholten Aufmunterungen und die insbesondere in medizinischen Fragen kritische berpr fung der Arbeit e Meine Eltern die mir die vielen Jahre Schule und Studium erm glichten so dass die darauf aufbauende Promotion erst m glich wurde Auch bei den Damen der Verwaltung m chte ich mich f r die unb rokratische Hilfe bei b rokratischen Problemen bedanken Im Speziellen bei e Christiane Glasbrenner die ab dem ersten E Mail Kontakt mit dem Institut ber Urlaubs und Reiseplanungen immer hervorragende Arbeit leistete e Dina G rlitz die insbesondere bei kniffligen Fragen zur englischen Sprache immer weiter wusste e Andrea Seeger die mir oft weiterhelfen konnte Ihr vielf ltiger Einsatz f r die Belange der Mitarbeiter ist f r uns alle wichtig Abschlie end m chte ich noch die Professoren hervorheben welche sich der vor
200. immung ersetzt wurden vgl 2008 2007 aufblasbare Ringe Luftversorgung Abbildung 3 4 Funktionsweise des im GI Mentor eingesetzten passiven Force Feedback Ger tes Das Endoskop wird in ein geradliniges Rohr eingef hrt In diesem befinden sich kleine aufblasbare Ringe welche situationsabh ngig durch Aufblasen das Endoskop einklemmen und damit die Bewegung sowohl in translativer Richtung als auch bei der Rotation erschweren k nnen Kritische Betrachtung der Technik des Simulators Zur Grafik des GI Mentors bemerken Grund und Mentges 2000 dass die Ana tomie zwar in der Textur n herungsweise wiedergegeben wird die geometrische Nachbildung jedoch k nstlich wirke Von den computergenerierten Ausgaben zum Lernerfolg muss nach Ferlitsch et al 2002 insbesondere die Angabe ber die prozentual beobachtete Darmoberfl che verbessert werden Eine beschr nkte Realit tstreue kann durch Schw chen in der Simulation oder ein eingeschr nktes Force Feedback entstehen So ben tigt eine realistische hap 43 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren tische Simulation von Darmschlingen aktive Kr fte denn auch bei einer realen Untersuchung treten durch die elastische Aufh ngung des Darmes aktive R ck stellkr fte auf Untersuchung unangenehm f r den Patienten ab Seite 14 Dieses selbstst ndige Herausbewegen des Endoskops ist ausschlie lich durch ein Force Feedback System mit einem aktiven Antrieb zu s
201. imulation In Svenska Gastrodagarna Karls krona Schweden April 1998 Williams et al 2000 WILLIAMS C B SAUNDERS B P BLADEN J S Development of colonoscopy teaching simulation In Endoscopy 32 2000 S 901 905 ISSN 0013 726X Yi et al 2006a YI S Y Woo H S AHN W KIM W S LEE D Y Clinical Evalua tion of the KAIST Ewha Colonoscopy Simulator II In International Joint Conference SICE ICASE 2006 9440715 ISBN 89 950038 5 5 S 5350 5354 Yi et al 2007 Y1 S Y Woo H S AHN W KIM W S LEE D Y Clinical Eva luation of the KAIST Ewha Colonoscopy Simulator II In Studies in Health Technology and Informatics 125 2007 Februar S 512 514 ISSN 0926 9630 Yi et al 2006b YI S Y Woo H S AHN W J KWON J Y LEE D Y New colonoscopy simulator with improved haptic fidelity In Advanced Robotics 20 2006 M rz Nr 3 S 349 365 DOT 10 1163 156855306776014330 ISSN 0169 1864 Zilles und Salisbury 1995 ZILLES C B SALISBURY J K A Constraint based God object Method for Haptic Display In Proceedings of the international conference of Intelli gent Robots and Systems Bd 3 Pittsburgh PA USA IEEE August 1995 ISBN 0 8186 7108 4 S 146 151 m nd 265
202. imulieren nicht jedoch mit dem pneumatischen System des G Mentors welches nur verz gernde Kr fte aus ben kann Daher bem ngeln bei der Begutachtung des Ger tes Komplexe manipulative Techniken und Darmschlingen werden nicht simuliert Weiterhin ist das Erlernen des schwierigen Eindringens bis zum Caecum ein wichtiger Aspekt des Trainings Beim GI Mentor stellt jedoch das tiefe Eindringen keine Schwierigkeit dar denn durch einfaches Schieben des Endoskopschlauches findet dieser immer seinen Weg durch den virtuellen Darm ins Innere vgl 2000 Daher ist der Simulator auch f r dieses Training nicht gut geeignet Neben den Schw chen des Force Feedbacks bez glich der beiden Freiheits grade des Endoskopschlauches ist zu bem ngeln dass auf den zwei Freiheitsgra den der Endoskopspitze welche ber je ein Handrad gesteuert werden berhaupt keine Kr fte generiert werden Wird beispielsweise bei einer realen Endoskopie die Spitze durch Drehen an einem Handrad in die Darmwand gedr ckt ist dies deutlich an dem Widerstand des Handrades zu sp ren oder wenn es losgelassen wird daran zu sehen dass es sich wieder etwas zur ckdreht Da ein solches Ver halten wegen fehlender Kraftgenerierung nicht m glich ist kann die Simulation auch in diesem Punkt nicht mit der Realit t bereinstimmen Entsprechend den verschiedenen Problemen die sich aus der Haptik des G Mentors ergeben kritisieren 2000 dass die sensorisch
203. in dem nach au en f hrenden Schlitz stark beschr nkt ist Abb 6 5 wurden einige spezielle Techniken eingesetzt i 105 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Am h chsten Punkt wurde das Metallteil abgerundet um einerseits gen gend Material rund um das obere Bohrloch zu haben und andererseits ein Ber hren mit dem F hrungsrohr zu vermeiden Die durch die Bohrungen f hrenden Schrauben zur Befestigung des Motors wurden ebenfalls aus Platzgr nden versenkt Auf der H he des Motors wurde ein Ausschnitt ges gt so dass die Motorachse gen gend weit f r das Ankoppeln heraussteht Hier ist die Halterung also k rzer als im dar unterliegenden Teil Etwas tiefer ist die volle L nge der Halterung wichtig denn um durch den Schlitz des F hrungsrohres nach unten zu gelangen musste das Me tallteil beidseitig d nner gefr t werden Da eckige Einschnitte leichter zu Bruch f hren Sollbruchstelle wurden beidseitig halbrunde Vertiefungen eingearbeitet Auch bei der elektrischen Verbindung des Motors mit dem Servoverst rker und der Schnittstellenkarte gt Elektronische Ansteuerung ab Seite 108 besteht die gr te Schwierigkeit darin die Kabel vom Inneren des F hrungsrohres ber den schmalen Schlitz nach au en zu f hren Damit die durch angel tete Kabel verdickten Anschlussfahnen des Motors nicht an das F hrungsrohr sto en wurden sie zum Motorgeh use gebogen So wohl diese Versorgungskabel als auch das Fla
204. iner Madenschraube fixiert werden konnte Der Mo tor selbst ist von au en an das Geh use festgeschraubt Der zweite Motor ist etwas versetzt ebenfalls au en montiert Er treibt ber einen im Bedienteil liegenden Riemen das zweite Handrad an Der Innenraum des Handteils wurde durch Ausfr en vergr ert um Platz f r den Zahnriemen zu schaffen Dieser verbindet das Zahnrad auf die Motorachse mit der Scheibe des zweiten Handrades die f r ihre neue Funktion an der Drehbank angepasst wurde Ergebnis Der Umstieg auf Direktantrieb bzw Riemenantrieb ergibt eine verschlei arme Funktion und ein pr zises Gef hl Die Handr der laufen jetzt dauerhaft leicht g ngig und verz gerungsfrei gt Abb 6 3 100 EndoSim 6 1 Mechanik 6 1 3 Rotation um die Schlauchachse Um zus tzlich zur Bestimmung des Drehwinkels um die Schlauchachse auch ein aktives Drehmoment auf den Schlauch erzeugen zu k nnen wird der vorhandene Positionsgeber durch eine Kombination aus Motor Getriebe und Encoder ersetzt Probleme Damit dem Benutzer das Gef hl eines nicht zu berwindenden Widerstandes ver mittelt werden kann ist ein starkes Drehmoment durch den Motor erforderlich Als Extremwerte die bei realen Endoskopien auftreten werden im Uhrzeigersinn 0 8 Nm und im Gegenuhrzeigersinn 1 Nm angegeben vgl Appleyard et al 2000 Die Kraft an der Oberfl che des 13 5 mm dicken Schlauches betr gt dabei M M F Endoskopschlauch 7 2 80
205. ining ist jedoch dass ein gezieltes ben mit ausge w hlten Pathologien oder gar Komplikationen kaum m glich ist 34Die durchschnittliche Lebensverl ngerung eines ber 80 j hrigen Nordamerikaners betr gt nur 0 13 Jahre und damit nur 1 6 5 der Verl ngerung im Alter zwischen 50 und 54 Jahren vgl Lin et al 2006 Auch wegen einer m glicherweise h heren Komplikationsrate soll das Koloskopie Screening bei sehr alten Patienten nur nach sorgf ltigem Abw gen von m glichen Vorteilen ge gen ber Risiken und Zustand des Patienten durchgef hrt werden Lin et al 2006 22 EndoSim 2 2 Ausbildung und Qualit tsmanagement Neben den Patienten m ssen auch die entsprechenden Fachleute f r den Aus zubildenden bereitstehen Das sieht Markman 1969 als dreifache Schw che der Ausbildung da daran der ungl ckliche Patient der ungl ckliche Kursteilnehmer und der ungl ckliche Ausbilder beteiligt sind ber den letzteren schreibt er His first formidable task is to defend the patient s bowel from perforation He must parry each determined thrust of the untrained novitiate Moreover he must perform the Herculean task of providing adequate endoscopic teaching material for each student to study Dieser Aufwand ist nach 1999 ber einen Zeitraum von zwei bis drei Jahren erforderlich bevor der Auszubildende als kompetent in der Kolo skopie angesehen werden kann Zu einem hnlichen Ergebnis kommt die ica
206. isch K rner 2003 In einem sp teren Gespr ch mit Frau Dr med Ch M nner und Herr Dr med F M Reimann wurde betont dass ein aktives Force Feedback einen Simulator erst sinnvoll macht und Ger te ohne bzw nur mit passivem Force Feedback kaum interessant sind nn 81 Kapitel 5 Umsetzung Das Wissen muss ein K nnen werden Carl 1832 preu ischer General Nachdem die gew nschten Merkmale definiert sind wird im Folgenden be trachtet wie sich diese in der Praxis realisieren lassen Dazu werden die Probleme und deren berwindung beim Umsetzen mit dem vorliegenden Ger t dargelegt 83 5 Umsetzung 5 1 Ansatz zur Realisierung der Ziele Nachdem im letzten Kapitel die Ziele festgelegt wurden werden jetzt die techni schen Voraussetzungen f r deren Realisation mit dem Endoskopiesimulator En doSim beschrieben Dabei wird aus dem Fehlenden des vorhandenen Systems ab geleitet welche neuen Entwicklungen erforderlich sind um die verschiedenen Zielstellungen f r ein verbessertes Training Abb zu erreichen Im Gegensatz zur detaillierten Beschreibung der Umsetzung die in den fol genden Kapiteln an den entsprechenden Stellen erfolgt wird hier der Fokus auf die Zusammenh nge gelegt So erfordern einerseits Zielstellungen nderungen in mehreren Bereichen andererseits sind Erweiterungen in einem Bereich von Nut zen f r mehrere Ziele Abbildung 5 1 Bedienteil eines flexiblen Koloskops Deutlich
207. ities correlate with performance of senior endoscopy specialist in simulated colo noscopy In Journal of Gastrointestinal Surgery 10 2006 April Nr 4 S 593 599 nttp dx doi org doi 10 1016 4 gassur 2005 DOI doi 10 10 16 j gassur 2005 08 014 ISSN 1091 255X Wexner et al 2006 WEXNER S D BECK D E BARON T H FANELLI R D HYMAN N SHEN B WASCO K A consensus document on bowel preparation prior to colonoscopy In Gastrointestinal Endoscopy 63 2006 Juni Nr 7 S 894 909 http dx doi org 10 1016 j gie 2006 03 918 DOI 10 1016 j gie 2006 03 918 ISSN 0016 5107 Wexner et al 2002 WEXNER S D EISEN G M SIMMANG C Principles of privileging and credentialing for endoscopy and colonoscopy In Gastrointestinal Endoscopy 55 2002 Februar Nr 2 S 145 149 ISSN 0016 5107 Wexner et al 2001 WEXNER S D GARBUS J E SINGH J J A prospective analysis of 13 580 colonoscopies In Surgical Endoscopy 15 2001 M rz Nr 3 S 251 261 http dx doi org 10 1007 s004640080147 DOI 10 1007 s004640080147 ISSN 0930 2794 Weymayr 2005 WEYMAYR C ZEITVERLAG Hrsg BUCERIUS G Hrsg ZEIT Lexikon Bd 3 ZEIT Aspekte Vorsorge mit Nebenwirkungen Hamburg Zeitverlag 2005 ISBN 3 411 17563 X 264 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Williams 1998 WILLIAMS C B New approaches to colonoscopy dynamic anatomy ma gnetic imaging and computer s
208. keiten die Eindringtiefe und die von der Pathologie und Anatomie abh ngigen Untersu chungszeiten richtig von Fachleuten eingesch tzt werden m ssen vgl und Brown 1996 Zu deren Kompetenz bemerkt jedoch Williams 1998 dass es recht wenige Experten gebe und dass deren Expertenwissen zu hinterfragen ist da viele Endoskopiker sich das Endoskopieren selbst ohne eine standardi sierte objektive M glichkeit der berpr fung beigebracht haben 24 EndoSim Kapitel 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Nur durch geregelte Ubung k nnte man vorw rts kommen Johann Wolfgang von Goethe 1816 deutscher Dichter Bis jetzt wurden sowohl der Nutzen der Koloskopie als auch auch die Schwie rigkeiten welche eine aufw ndige Ausbildung erfordern dargelegt Jetzt soll gezeigt werden in wieweit durch den Einsatz von Simulatoren eine optimale Vor bereitung f r die Praxis erzielt werden kann Dazu werden die heute verf gbaren Trainingsmodelle und Computersimulatoren f r die Koloskopie betrachtet und de ren M glichkeiten und Grenzen dargelegt 27 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren 3 1 Effektive Ausbildung und Qualit tssicherung durch Simulatoren Es wurde dargelegt dass sich die Koloskopie aufbauend auf endoskopische Experimente vor 200 Jahren zu einer vielf ltigen ausgereiften und unverzicht baren Methode der Medizin entwickelt hat Andererseits ist das Koloskopiere
209. keitsprofils des Schmiermittels bestimmen Gerthsen und Meschede 2006 den folgenden Reibungskoeffizienten ju nub Z 4 8 17 MASEN Fe 8 17 Mit Hilfe dieses Koeffizienten l sst sich die Reibungskraft FR berechnen Fr pFy VnvbFy y vbFyN 8 18 Die Viskosit t n f llt der bei einem deskriptiven Modell durch Versuche zu m ng 155 8 Optimiertes haptisches und neues akustisches Feedback bestimmenden Konstante zu Zur Reibungskraft sind die Wurzeln der Geschwin dikeit v des Ber hrungsweges b und der Normalkraft Fy proportional Die Normalkraft Fy ergibt sich aus der folgenden berlegung Im vorgegebe nen Kurvenmodell von EndoSim wird bis auf die Endoskopspitze die exakte Lage des Schlauches vernachl ssigt und stattdessen der Verlauf des Darmes betrachtet Da diese beiden Kurven nicht genau bereinstimmen wird die Lage des Kolo skopschlauches im Darm abgesch tzt indem die Kr mmung x der Raumkurve r t nach Papula 2001 2006 berechnet wird x k g 8 19 r Der reziproke Wert der Kr mmung ist dabei der Kr mmungsradius o 1 o 8 20 K Der Endoskopschlauch kann n herungsweise als eine Aneinanderreihung von kleinen Stabsegmenten beschrieben werden Er folgt dem Darmverlauf r t in dem er mit der Kraft F durch seitliche Kollision mit der Darmwand gekr mmt wird Ein dem entsprechendes Biegemoment T eines an einer Seite eingespann ten Stabes l sst sich aus entnehmen Dabei ist F die
210. l Sachseln Schweiz maxon motor ag Januar 2001 Artikel Nr 111091 108971 244 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Maxon Motor 2003 MAXON MOTOR AG maxon Katalog Sachseln Schweiz maxon motor ag 2003 Maxon Motor 2007 MAXON MOTOR AG maxon Programm 07 08 des weltweit f hrenden An bieters von hochpr zisen Antrieben und Systemen Sachseln Schweiz maxon motor ag April 2007 McCashland et al 2000 MCCASHLAND T BRAND R LYDEN E DE GARMO P The time and financial impact of training fellows in endoscopy In American Journal of Gastroenterology 95 2000 November Nr 11 S 3129 3132 DOI 10 1016 50002 9270 00 02073 6 ISSN 0002 9270 Mechelke 1989 MECHELKE G Einf hrung in die Analog und Digitaltechnik 2 Auflage K ln Stam Verlag 1989 ISBN 3 8237 0505 9 Menche 2003 MENCHE N Biologie Anatomie Physiologie Bd 5 M nchen Urban amp Fischer 2003 ISBN 3 437 26800 7 Merziger und Wirth 2006 MERZIGER G WIRTH T Repetitorium der h heren Mathematik 5 Auf lage Hannover Binomi 2006 ISBN 3 923923 33 3 Messmann 2006 MESSMANN H Atlas of Colonoscopy Techniques Diagnosis Interven tional Procedures 1 Auflage New York NY USA Georg Thieme 2006 ISBN 1 58890 43 1 8 Meyers 2006 MEYERS Meyers Gro es Taschenlexikon in 24 B nden Bd 7 10 neubear beitete und erweiterte Auflage Mannheim Bibliographisches Institut 2006
211. l ge gemacht deren Um setzung dann in den n chsten Kapiteln beschrieben wird Abbildung 4 1 W nschenswert ist ein Computersimulator mit einer hohen Realit ts treue der ohne Fachmann eingesetzt werden kann Damit ist der Auszubildende praktisch jederzeit in der Lage zu trainieren Beim Auftreten von Schwierigkeiten soll dem Lernen den durch den Simulator gezeigt werden wie diese zu berwinden sind Duch das gezielte und h ufige Trainieren von F llen bei denen der Lernende noch die meisten Probleme hat erh lt dieser eine optimale F rderung Das l sst eine Reduktion der Ausbildungsdauer bei besserer Qualit t erwarten und aufgrund der Zeitersparnis auch sinkende Kosten 4 1 1 Haptisches Training mit virtuellem Ausbilder Nutzen und Grenzen der vorhandenen Simulatoren Grundlegendes wie die Bedienung der Handr der gt Abb 5 1 l sst sich prak tisch mit allen Simulatoren ben Gesichert ist der Nutzen von Computersimula toren bis jetzt jedoch nur f r die beiden kommerziell erh ltlichen Ger te F r die 74 EndoSim 4 1 Neue M glichkeiten fiir ein besseres Training Forschungsprojekte geben die Studien soweit berhaupt vohanden nur Hin weise auf den zu erwartenden Erfolg Computersimulatoren ab Seite B8 Belege ber eine Verbesserung der haptischen F higkeiten bei Anf ngern ge n gen jedoch nicht alleine denn in diesem Bereich stehen die Computersimula toren in Konkurrenz zu viel g nstigeren
212. ldung kommen Grantcharov et al 2005 zu dem Schluss dass der Simulator zur Unter scheidung des Leistungsniveaus zwischen Anf ngern und Experten und zwischen Fortgeschrittenen und Experten geeignet ist Ein signifikanter Unterschied zwi schen Anf ngern und Fortgeschrittenen konnte jedoch nicht festgestellt werden Um Lernfortschritte zwischen den verschiedenen Niveaus zu vergleichen bil deten Eversbusch und Grantcharov 2004 aus 28 Personen drei Gruppen Anf n ger Fortgeschrittene und Experten hier schon bei ber 200 real durchgef hrten Untersuchungen W hrend bei den Experten bereits nach zwei Trainingsdurch g ngen keine Fortschritte mehr festgestellt werden konnten dauerte es bei den Fortgeschrittenen f nf und bei den Anf ngern sieben Durchl ufe bis das Plateau erreicht wurde Wurde statt einer simulierten Endoskopie das Trainingsprogramm Endobubble eingesetzt ergaben sich bei den Experten berhaupt keine Fort schritte bei den Fortgeschrittenen wurde nach vier bis f nf und bei den Anf ngern nach f nf bis sieben Durchg ngen das Plateau erreicht Auch Koch et al gehen der Frage nach ob sich der Simulator f r das berpr fen von Leistungsstandards eignet Daf r bildeten sie aus 105 Personen vier Gruppen anhand der Anzahl der zuvor ausgef hrten Untersuchungen Anf n ger 0 Fortgeschrittene lt 200 Erfahrene 200 1000 und Experten gt 1000 Bewertet wurde die Zeit bis zum Erreichen des Caecums
213. lich kleiner als der Innendurchmesser des F hrungsrohres sein Ein Abstand ist n tig da um den Motor herum f r die elektrischen Anschl sse Encoder und Anschlussklemmen des Motors und f r die Kabel noch zus tzlicher Raum vorhanden sein muss Auch wenn die Achse des Motors beim Bewegen etwas von der Mitte des F hrungsrohres abweicht muss sichergestellt sein dass es nicht zu Ber hrungen zwischen Motor und Rohr kommt Daher wurde als Motor der RE 30 ein mit 68 mm recht langer Motor mit ei nem Durchmesser von 30 mm ausgew hlt Bei optimaler Befestigung ergibt sich dabei folgender Abstand zwischen Motor und F hrungsrohr Abstand T F hrungsrohr innen T Motor aussen F hrungsrohr innen Motor aussen u 2 _ 37mm 30 mm u 2 3 mm 6 12 3Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die schlanke Bauform Stellmotoren m ssen als sog Servomotoren meistens besonderen Anspr chen gen gen Daher werden sie um ein m g lichst geringes Tr gheitsmoment zu erreichen in schlanker Bauform mit Stabl ufern deren L nge Durchmesser Verh ltnis im Bereich l d 2 5 liegt hergestellt Gevatter 2000c rn 103 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Der zweite Punkt wird fiir die Optimierung des Force Feedbacks genutzt in dem durch ein Getriebe die Drehzahl des Motors und damit dessen Leistung er h ht wird So zeigt die Gleichung aus Spring 2006 dass bei konstantem Dreh moment M
214. lich sein k nnen denn Herz Lungen Komplikationen sind die Haupt todesursache in Verbindung mit der Koloskopie Messmann 2006 Die can Society for Gastrointestinal Endoscopy 1999 fordert daher dass der Arzt ein gr ndliches Verst ndnis von Sedierung und Schmerzlinderung hat Schlie lich muss der Arzt abw gen in wieweit er den Patienten einer unangenehmen Untersuchung oder dem Risiko von Nebenwirkunger aussetzt W hrend das Risiko einer Durchdringung der Darmwand laut einer deutschen Untersuchung gering ist gt Abb 2 5 gibt viel h here Werte an Die Perforationsrate liegt bei 2 4 pro 1000 Untersuchungen bei gleichzeitiger endoskopischer Polypektomie ist sie etwa 10 mal so hoch In der Regel lassen sich Blutungen durch Unterspritzung oder andere Verfahren w h rend der Koloskopie stillen in 0 07 der F lle treten sie jedoch noch nach der Untersuchung auf vgl Wexner et al 2001 Kommt es zum Einschwemmen von Darmbakterien in die Blutbahn hat das eine Sepsis Blutvergiftung zur Folge welche die Gabe von Antibiotika erfordert Zusammengefasst sind die Allgemeine n Komplikationen endoskopischer Verfahren Perforation Blutung sowie Herzrhythmusst rungen durch vagale Reflexe Die Mortalit t bei der elektiven diagnostischen Endoskopie liegt unter 0 0004 Renz Polster et al 2006 bzw bei bis 0 006 vgl 2006 8Handelsname u a Valium Mittel der Wahl Standardtherapeutikum mit ho
215. llen Trainingsprogramme Endobasket und Endobubble als auch simu lierte Untersuchungen durchf hren Durch Vergleich von Ereignissen Erfolgsra te Krafteinwirkung auf Darmwand etc kommen sie zu dem Schluss dass sich Anf nger eindeutig von Experten unterscheiden lassen Indem die Leistungsf higkeit von elf Testpersonen aus schlie lich mit dem Trainingsprogramm Endobubble testeten Luftballone Zeit Fehler versuchten sie Anf nger von Fortgeschrittenen zu unterscheiden Auch dieser geringere Unterschied im Leistungsniveau lie sich eindeutig erkennen 46 EndoSim 3 3 Computersimulatoren Anhand von Frageb gen bildeten Felsher et al 2005 aus einer im Bezug auf das K nnen heterogenen Gruppe zwei Cohorten aus Anf nger und Fortge schrittene Die Leistungen bei der simulierten Untersuchung best tigten dass die Fortgeschrittenen schneller das Caecum erreichen mehr von der Darmwand sehen und den virtuellen Patienten weniger lang unangenehmen Kr ften aussetzen Eine hnliche Untersuchung jedoch mit drei Gruppen kommt von Grantcha 2005 Die Testpersonen wurden dabei aufgrund der Anzahl durchge f hrter Endoskopien in Anf nger Fortgeschrittene und Experten eingeteilt An hand verschiedener Daten die w hrend der simulierten Untersuchung aufgezeich net wurden betrachtete Darmoberfl che Zeit mit klarer Sicht Endoskopspitze im Lumen des Colons St rke und Dauer des Krafteinsatzes Schlingenbi
216. lt wird die Richtungsempfehlung ausschlie lich optisch an den Benutzer bermittelt Nachdem die Berechnung der Empfehlung abge schlossen ist erfolgt eine Einblendung mit folgenden Elementen in das Bild Die Ausrichtung im Darm wird durch die Darstellung eines Homunculus der aus F en K rper und einem Kopf mit Augen und Mund besteht festgelegt Dieser ist von einer Walze und sechs Richtungspfeilen umgeben Es gibt verschiedene Bedeutungen fiir Homunculus Hier ist die w rtliche bersetzung aus dem Lateinischen gemeint Menschlein ne 181 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme Abbildung 9 14 Diese Screenshots zeigen in verschiedenen Situationen der virtuellen Koloskopie die Anzeige der Hilfe durch einen von Pfeilen und einer Walze umgebenen Homunculus Die Einblendung in das Bild erfolgt im Anschluss an die Berechnung Nach der Ubermittlung der empfohlenen Abfolge durch das Blinken der Pfeile bzw das Rotie ren der Walze verschwindet die optische Hilfe wieder Die Rotation der aus 16 Segmenten aufgebauten Walze zeigt an in welche Richtung der Koloskopschlauch zu drehen ist Das Aufleuchten der beiden Pfeile auf der K rperachse steht f r das Ziehen bzw Schieben des Schlauches das der anderen vier Pfeile f r Bewegungen der Handr der Abb 9 15 Dabei wird zyklisch durch Blinken der Pfeile bzw durch Rotieren der Wal ze angezeigt welche Bewegungen nacheinander
217. m gen von 2006 und 2006 zeigen die M glichkeit das f r den Koloskopiker wichtige r umliche und optische Vorstellungsverm gen mit dem GI Mentor zu berpr fen und daraus Prognosen zu bilden Diese Fakto ren spielen sicher eine Rolle da jedoch auch zum berpr fen der F higkeiten das 50 EndoSim 3 3 Computersimulatoren mit einer suboptimalen Haptik ausgestattete Ger t verwendet wurde ist mit einer berbewertung der optischen gegen ber den haptischen F higkeiten zu rechnen Die herausragende Stellung der visuellen Orientierung der Testpersonen ist eher als Beleg f r M ngel der Haptik zu sehen Haptik ab Seite 2 Die Expertenmeinungen ber den G Mentor zeigen deutlich dass die Reali t tstreue insbesondere im Bereich der Haptik zu w nschen l sst Auf der Skala von 1 4 nach Likert 1932 wurde das haptische Feedback nur mit 2 57 bewertet Die Haptik des Simulators ist zweifelhaft Koch et al 2007 Dr J Bendel kritisierte das Training an diesem Simulator folgenderma en As any of us with small kids know any time they get a new video game their performance improves markedly the second and third time they try it Yes they can pop more balloons but do you have any data at all that this correlates with better performance Die Antwort von lautete darauf Right now no Im Gegensatz zu diesen fehlenden Daten gibt es f r die Vermutung dass die Leistungen am Simulator nicht ausschl
218. merican Standard Code for Information Interchange IA5 in ISO IEC 646 1991 130 EndoSim 6 3 Software Da die QSound Klasse unter Linux nur auf das Network Audio System zugreift statt das bessere und bei aktuellen Distributionen standardm ig einge setzte Advanced Linux Sound Architecture zu verwenden wurde hier ab weichend vorgegangen Es wird der Befehl system const char command AUS der lt stdlib h gt eingesetzt welcher ein Kommando ausf hrt An entsprechender Stelle wird der Klang damit beispielsweise folgenderma en ausgegeber gt system aplay sound Sound0 wav amp 6 3 4 Resultat Bis auf die Ansteuerung der vier Force Feedback Ger te und die Ausgabe des Klanges deren Code abstrahiert und durch ein gemeinsames Interface angebo ten wird konnte die Software plattformunabh ngig geschrieben werden So ber wiegen die eingangs erw hnten Vorteile gegen ber dem Nachteil des partiellen Mehraufwandes Mit den Methoden des objektorientierten Programmierens konnten die neu en Anforderungen an die Kommunikation die Grafik und die Akustik umgesetzt werden Das Ergebnis der nderungen ist eine funktionell erweiterte Software die jetzt sowohl unter Windows als auch unter Linux stabil l uft Das angeh ngte amp sorgt daf r dass der Befehl im Hintergrund ausgef hrt wird So wird erreicht dass w hrend der Tonausgabe die Simulation ungest rt weiterl uft ne E 131 Kapitel 7 Funkti
219. mso mehr Rechenzeit wird durch diese Optimierung eingespart Vergleich der Optimierungen Zum Vergleich der Effektivit t des Algorithmus unter Einsatz der verschiedenen Optimierungen wurden zwei Versuche durchgef hrt Beim ersten Versuch wird verglichen wie viele Kraftberechnungen bei ver schiedenen Rechentiefen und Optimierungen erforderlich sind Dazu wurde fest gelegt dass die Ausgangsposition f r die Bewegungsabfolgen stets der Anfang des simulierten Darmes ist Der Vergleich zwischen Durchg ngen ohne Optimierung und Durchg ngen mit einer der Optimierungen zeigt deutliche Unterschiede W hrend ohne Opti mierung Bewegungen 8 wegungen Kraftberechnungen erforderlich sind werden sie durch den Einsatz der Schritt Optimierung auf Bewegungen 5 797 Bewegungen reduziert Die bereinstimmung der einzelnen Werte mit der Formel ist beim er sten Fall wie zu erwarten exakt Kovarianz 1 und im zweiten Fall sehr gut Kovarianz 0 999 Die Ordnungen sind dementsprechend O Bewegungen gBewegungen ohne bzw O Bewegungen 5 797B wegungen mit Optimierung Auch die Optimierung des Bereiches spart signifikant Kraftberechnungen ein Am deutlichsten ist der Unterschied jedoch wenn beide Optimierungen kombi niert eingesetzt werden Dann ist die Einsparung so gro dass bei etwa gleichem Rechenaufwand die Vorausberechnung von zwei weiteren Schritten und damit die berwindung von gr eren Distanzen m glich ist Abb 9 10 W
220. n Von einem am Schlitten befestigten Motor wird ber ein Doppelstirnrad die Rotation auf die Endoskopspitze bertragen Die translative Bewegung entsteht indem sich ein anderer mit dem Schlitten verbundener Motor an einem Draht entlangzieht und dadurch den Schlitten verschiebt Abb B 10 Das Abknicken des Endoskopschlauches wird duch bewegliche Lamellen die zwischen zwei Stangen gef hrt werden verhindert Deren auf maximal 5cm be grenzter Abstand ndert sich in Abh ngigkeit von der Schlittenposition Die bei Bewegungen zu berwindende Tr gheit und Reibung von bis zu 2N wird ber eine elektronische berwachungsschleife mit Kraftsensoren und Kon trollern gr tenteils kompensiert Zus tzlich zur Kraft und Positionsbestimmung am Schlitten befinden sich an der Benutzerseite optische Sensoren welche schnel le R ttelbewegungen registrieren vgl 2005 2006a Der Handgriff eines handels blichen Koloskops wurde um eine Elektronik erweitert welche Manipulationen an den Handr dern und den Kn pfen registriert vgl 2006al b 66 EndoSim 3 3 Computersimulatoren Abbildung 3 10 Vereinfachte Darstellung der Haptik des KAIST Ewha Simulators Am Schlitten befindet sich oben ein Motor fiir die Rotation und unten ein Motor fiir den Vor schub Die Rotation wird ber ein Stirnradgetriebe auf den Endoskopschlauch bertragen Die translative Bewegung erfolgt tiber das Ziehen des Schlittens entlang eines Drahtes Damit
221. n l rg 0 ry 9 Durch Einsetzen dieser beiden Gleichungen ergibt sich f r den Abstand zwi schen dem Koordinatenursprung und dem Objektiv s 160 Folgendes 9 2isin p 2isin Sg 2rg sin 5 Sy 2r sin 5 0 9 4 Abbildung 9 6 Diese Zeichnungen zeigen wie in der x z Ebene und in der y z Ebene die Sekanten sg bzw s berechnet werden Die resultierenden Abh ngigkeiten stellen Grenzwerte f r die Bestimmung der Sekante im dreidimensionalen Raum dar Diese Betrachtungen der zweidimensionalen Ebenen sind auf den dreidimen sionalen Raum zu erweitern Dies k nnte beispielsweise durch Projektion einer Ebene auf die andere erfolgen was jedoch eine der Richtungen bevorzugen w r de Daher muss eine symmetrische L sung gefunden werden 166 EndoSim 9 1 F hrung anhand professioneller Vorgaben Die von Gillies und Williams 1987 Poon 1991 und K rner 2003 vorge schlagene dreidimensionale L sung sieht nach Anpassen an die hier eingef hrte Nomenklatur folgenderma en aus in2 2 sin s n gq Sin gt 0 p GOdjektiv _ Al sin 8 sin 95 s V2 p sin 9 sin Sy cos 9 cos2 9 Da die damit erfolgende Beschreibung der Endoskopspitze wie in speziellen zweidimensionalen F llen durch Grenzwertbetrachtung einfach gezeigt werden kann Abbildungen vom Drei ins Zweidimensionale ab Seite 203 deutlich von der im Zweidimensionalen hergeleiteten Beschreibung abweicht wu
222. n Society for Gastrointestinal Endoscopy 1999 welche die Meinung vertritt dass die meisten Auszubildenden das Endoskopieren innerhalb einer Ausbildung von drei Jahren beherrschen in welche ein mindestens 18 Monate lang dauerndes klinisches Training eingeschlossen ist ber diesen langen Zeitraum haben die Experten einen hohen Aufwand durch die Bereitstellung von Patienten und die Betreuung Das Durchf hren von En doskopien gemeinsam mit dem Auszubildenden hat zur Folge dass pro Stunde durchschnittlich eine Untersuchung weniger ausgef hrt wird vgl Bridges 1999 Daraus berechneten McCashland et al 2000 dass die zus tzlichen Kosten f r 4000 gemeinsam durchgef hrte Untersuchungen zwischen 500 000 und 1 000 000 US liegen Dies tr gt zu dem erheblichen finanziellen Aufwand f r die Ausbil dung bei welcher sp ter auf die Kosten einer Koloskopie umgelegt werden muss 2 2 2 Qualit tsmanagement Forderungen Auch nach der Ausbildungszeit ist es w nschenswert dass die manuelle Ge schicklichkeit regelm ig verbessert und berpr ft wird Die Forderungen der American Society for Gastrointestinal Endoscopy 2002 f r die fortlaufende Si cherstellung der F higkeit endoskopische Untersuchungen durchzuf hren sind die folgenden 23 2 Einf hrung in die Thematik e Es soll durchg ngig belegt werden dass gen gend Untersuchungen durch gef hrt wurden um die klinischen F higkeiten zu erhalten
223. n der aktuelle Stand kurz f r die Trainingsmodelle und ausf hrlich f r die Computersimulatoren dargelegt Es gibt viele Gr nde die daf r sprechen auf dem weiten Weg des Auszu bildenden bis zum Erreichen des Status eines Experten und auch noch dar ber hinaus auf den Einsatz von Endoskopiesimulatoren zu setzen Wir stehen erst am Anfang einer sehr langen Reise Satava 2006 30 EndoSim 3 2 Trainingsmodelle 3 2 Trainingsmodelle 3 2 1 Simulatoren aus k nstlichen Organen Prinzip Bei k nstlichen Modellen werden menschliche Organe nachgebildet F r das Trai ning der gastrointestinalen Endoskopie werden Nachbildungen des Verdauungs traktes eingesetzt in die sich ein Endoskop einf hren l sst Anwendungen Das Kunststoff Modell CLA Phantom der Coburger Lehrmittelanstalt wurde von f r ERCP und die OGB entwickelt Die Organteile sind aus sehr hartem formstabilem Kunststoff gefertigt Weitere hnliche Modelle f r die flexible Endoskopie wurden von Heinkel und Kimming 1972 wickelt Der Einsatz solcher Modelle in Kursen wird von beschrieben Teilweise werden in den Ger ten flexible Materialien eingesetzt um die Reali t tstreue zu erh hen Dies gilt auch f r das Trainingsmodell des japanischen Her stellers Koken welches ber den deutschen Vertrieb Erler Zimmer 2007 f r ca 1545 erh ltlich ist Das Colonoscopy Training Model Type 1 B Abb 1 ist ein Torso aus einem formstabil
224. n entspre chender Stelle in den folgenden Kapiteln dargelegt 3 endosim file home klaus EndoSim EndoSim_48_ vrm apps endosim src modules endohapticsmodule h KDevelop Datei Bearbeiten Ansicht Projekt Erstellen Debuggen Skripte Lesezeichen Extras Einstellungen Fenster Hilfe EBERaAaRHB r MAGA ASS RES amp E tno function J wees amp HB J endogtmodulemanager cpp endohapticsmodule cpp endohapticsmodule h endographicsmodule cpp class endoHapticsModule public vengModuleBase public S modules static endoHapticsModule GetInstance endoFFbTubeModule fp_ffb_tube endoFFbWheelModule endoColldetModule fp_ffb_wheel endoFFbWheelModule fp_ffb_wheel1 endoFFbRotationModule endoFFbTubeModule endoFFbWheelModule endoGraphicsModule endoHapticsModule virtual endoHapticsModule endoMonitorModule NED nfi endoQGLViewerModule virtual void NewConfig endoQtModuleManager endoQtWidgetModule amp endoSimulationModule AR os kr andaXRawModiile Leal ie static endoHapticsModule sl_haptics_module fp_ffb_tube fp_ffb_wheel fp_ffb_wheell return amp sl_haptics_module xaylend Je uoreyuswnyog ID Beuew axewd home klaus EndoSim EndoSim_48_ vrm apps endosim endosim wheel ffb tube replay record Handraeder normal ffb Forcefeedback aktiviert en Differenziertes Darmmodell fuer best
225. n kommerziellen Simulator zum Training der Kolosko pie wurde von HT Medical Systems der PreOp Flexible Sigmoidoscopy Trainer vorgestellt Die Firma wurde von Immersion im Jahre 2000 bernommen und der unter anderem um die Koloskopie erweiterte Simulator Abb wurde als AccuTouch Endoscopy Simulator pr sentiert vgl Dunkin et al 2007 Dieses Ger t besteht aus mit dem G Mentor vergleichbaren Komponenten Computer Force Feedback System welches hier in ein nur rudiment r vohande nes Mannequin eingebaut ist einem angepassten Endoskop und einem Flachbild schirm f r die Bild und Tonausgabe vgl 2003 Abbildung 3 5 Der AccuTouch Endoscopy Simulator der Firma Immersion Medical beim Einsatz als Trainingsger t f r die Koloskopie Links das Force Feedback Ger t rechts Computer und LCD Monitor mit freundlicher Genehmigung von Immersion Medical 52 EndoSim 3 3 Computersimulatoren Simulation und Grafik Das Darmmodell wird generiert aus 1 mm Voxeln eines Spiral CT Scang des Visible Human Projects vgl Medicine 2007 Simuliert werden sowohl globale wie auch lokale Deformatio nen Die dreidimensionalen computergenerierten Darstellungen basieren auf Vi deoaufzeichnungen von realen Koloskopien vgl Demir 2003 2002 Dunkin et al 2007 Fallbeispiele und Trainingsunterstiitzung F r das Training der Koloskopie stehen 18 unterschiedlich schwierige F lle zur Verf gung vgl Dunkin et al 2007 W hrend
226. n kostenintensiv und kann fiir den Patienten schmerzhaft bis lebensgef hrlich sein Darum wurde betrachtet wie durch eine verbesserte Ausbildung und fortlaufende Qualit tssicherung diese Probleme in den Griff zu bekommen sind Dabei sind jedoch folgende Fragen offen geblieben e Wie kann ein Lernender mit dem praktischen Training beginnen ohne den Patienten unn tig zu belasten oder gar zu gef hrden e Wie kann die Schwierigkeit der Untersuchung gezielt an das Leistungsni veau des Lernenden angepasst werden e Wie lassen sich durch Einsparen von Untersuchungen Personal und Ausbil dungszeit Kosten reduzieren ohne die Ausbildungsqualit t zu gef hrden e Wie lassen sich die Forderungen nach objektiver berpr fung des Kennt nisstandes umsetzen 3 1 1 Training unabh ngig von Patienten Der erste Punkt erfordert zumindest f r den Anfang sich vom Training am Menschen unabh ngig zu machen Dies l sst sich erreichen indem die Untersu chung an Trainingsmodellen oder Computersimulatoren erfolgt vgl et al 2003 Dadurch wird ein Training m glich ohne auf Verf gbarkeit von Pa tienten und deren Sicherheit achten zu m ssen Simulatoren k nnen den ungl cklichen Patienten verl ngerte Verfahrens zeit und die zugeh rigen Unannehmlichkeiten die mit einer von Auszubilde nen ausgef hrten Untersuchung verkn pft sind ersparen Gerson und Van Dam 2002 Des Weiteren kann ein Simulator auch Trainingsm
227. n nicht dargestellt werden so dass auch dieses Ger t nicht f r das fortgeschrittene Training geeignet ist Nur beim T binger Interphant sind spezielle Pathologien und Komplikationen simulierbar Der Aufwand daf r ist jedoch gro So m ssen die Modelle je nach gew nschter Simulation speziell zusammengesetzt werden und nach Eingriffen m ssen die zerst rten Teile wieder ersetzt werden So ist es z B nach einer Po lypektomie notwendig einen neu gegossenen Polypen einzubauen vgl 2001 Des Weiteren besteht die Gefahr dass die Trainierenden sich an das Modell ge w hnen welches nicht vollst ndig einer realen Untersuchung entspricht So sieht als Nachteil an statischen Modellen dass sie eine mangelnde visuelle und haptische bereinstimmung mit einer realen Endoskopie haben Spe ziell an der Oberfl che der Organmodelle ist zu kritisieren dass diese Kunststoff modelle f r interventionelle Prozeduren nicht ber die verschiedenen Gewebs schichten der nat rlichen Darmwandf mit Mukosa und Submukosa verf gen Zur berwindung dieser Probleme haben Grund et al k rzlich Teile von Tier organen in das Modell integriert J Hochberger et al in Classen et al 2003 Einer der Nachteile der anschlie end genauer betrachteten Methode ist dass der Einbau von Schlachtprodukten den Aufwand f r die Bereitstellung von passend zusammengesetzten Modellen weiter erh ht 3Die Darmwand besteht aus ochleim haut eng mucosa m
228. n realisti sches Training f r die neu realisierten Trainingsm glichkeiten und f r die Implementie rung weiterer Anwendungen Kopplung mehrerer Simulatoren Teleteaching etc 10 2 Ausblick Wie in den vorherigen Kapiteln dargelegt wurde bei der Entwicklung auch auf den Kostenaspekt sowie auf die Benutzerfreundlichkeit Wert gelegt Da zur ange nehmen Nutzung eines Ger tes auch die u ere Gestaltung geh rt wird im Fol genden ein Blick auf die Ergonometrie geworfen Deren Verbesserung l sst sich en Sa 187 10 Riickblick und Ausblick gut mit der Erweiterung um die Simulation spezieller Techniken wie der externen Kompression und der Umlagerung kombinieren Weitere M glichkeiten lassen sich aus der neuartigen Hilfe die durch Kombi nation von Berechnung und Positionierung entstanden ist ableiten Durch verbes serte Optimierungen des Algorithmus l sst sich der Anwendungsbereich ausbauen und die Positionierung auf allen Freiheitsgraden er ffnet neue M glichkeiten wie beispielsweise ein delokalisiertes Training auch ber gro e Distanzen Daher soll jetzt betrachtet werden wie EndoSim mit wenig Aufwand ergo nomischer und vielseitiger gestaltet werden kann neue Vorteile durch schnellere Berechnungen entstehen und das Training auch mit gekoppelten Ger ten und ber die Ferne realisierbar wird 10 2 1 Lokale und delokale Kopplung mehrerer Simulatoren Durch die neu geschaffene M glichkeit beliebige Positionen anzuf
229. nahme Funktionstest und Kalibrierung der Haptik Anschlie end wird die Kommunikation mit der Haptik aufgenommen Falls es da bei zu Problemen kommt wird eine Warnung mit Hinweis auf Abhilfe gegeben Urspr nglich mussten vor dem Programmstart Schlauch und Handr der ma nuell auf die Anfangspositionen gebracht und die Funktion der Force Feedback Ger te bei Betrieb berpr ft werden Dies bernimmt jetzt die Kalibrierung w h rend der alle Verbindungen zu den Motoren getestet werden indem jeweils eine Bewegung veranlasst und deren R ckmeldung berpr ft wird Dabei werden die Die Angaben zum betroffenen Ger t werden durch einen der folgenden Hinweise erg nzt e No connection Das ffnen der Verbindung ist fehlgeschlagen Daher Verbindungskabel berpr fen e Start again Die Positionssteuerung MIP 10 musste neu initialisiert werden Daher ist ein Neustart erforderlich e Power Dem betroffenen Ger t fehlt die Stromversorgung Daher die Versorgungskabel berpr fen und das Netzteil anschalten 134 EndoSim 7 1 Komfortabler Start des Ger tes Motoren auf eine optimale Position gefahren Die Handr der in die Mittelstel lung und der Vorschubmotor bis zum vorderen Anschlag so dass der Schlauch wie zu Beginn einer realen Endoskopie nur minimal eingef hrt ist 7 1 2 Informationen nach Start der GUI Abbildung 7 1 Nach Erscheinen der grafischen Benutzeroberfl che bewegt sich der Schriftzug
230. nangenehm da sie trotz geringerer Erfolgsraten im Durchschnitt 67 l nger dauerrf Dies ist eine Folge der schwierigen Orientierung im Colon insbesondere beim Auftreten von Darmschlingen Ausf hrende wissen daher oft nicht wo sich die Endoskopspitze befindet und wie weiter vorzugehen ist vgl Cao und Milgram 2000 Insbesondere das tiefe Eindringen mit dem Endoskop f llt Anf ngern schwer da sie die verschiedenen Darmschlingen entweder nicht richtig erkennen oder nicht wissen wie man sie aufl st Abb R 6 Das wiederum f hrt oft zum Einsatz von zu viel Kraft und damit zu einer unangenehmen Untersuchung h herem Verbrauch an beruhigenden und schmerzlindernden Medikamenten und im schlimmsten Fall zu gef hrlichen Komplikationen Daher stellt der trainierende Anf nger ein besonderes Risiko f r den Patienten dar Untersuchungen sollen deshalb nur ausgef hrt werden wenn es f r den Pa tienten sinnvoll ist nicht jedoch ausschlie lich zu Trainingszwecken F r An f nger sind einfache F lle ohne Verdachtsmomente interessant die beispielsweise beim Screening zur Krebsvorsorge auftreten Jedoch sehen rzte in anderen L n dern wie etwa in der Schweiz den Massentest kritisch Weymayr 2005 33 Anf nger weniger als 10 durchgef hrte Untersuchungen 32 9 min Profis mehr als 1000 durchgef hrte Untersuchungen 19 7 min vgl 2001 r 21 2 Einf hrung in die Thematik eves Abbildung 2 6 Ein
231. nd Effektivit t steht gerade die Evaluierung im Vordergrund so dass neben der Ausbildung auch eine berpr fung der operati ven F higkeiten betrachtet werden soll Da die Evaluation mit dem Endoskopie Simulator kosteng nstiger und zeitsparender als am Patienten ist lassen sich Pr fungen fter durchf hren Dadurch bietet sich diese Methode auch zur regelm i gen berpr fung ausgelernter Koloskopiker an 4 3 1 Objektives berpr fen der F higkeiten Vorteilhaft an simulatorgest tzten Leistungstests ist die Objektivit t Erreicht wird sie indem verschiedene Pr flinge exakt mit den gleichen Vorgaben arbeiten und zur Bewertung die unabh ngigen Angaben des Simulators herangezogen werden 78 EndoSim 4 4 Realit tstreue maximieren 4 3 2 Leistungsbestimmende Parameter Parameter zur Leistungsbestimmung sind bei den aktuellen Computersimulatoren oft nicht vorhanden teilweise wird deren Aussagekraft von Fachleuten angezwei felt vgl Kritik zur Angabe der beobachteten Mucosa bei Ferlitsch et al 2002 Daher soll eine Beschr nkung auf Ausgaben mit gesichertem Nutzen erfolgen Fortlaufend w hrend der Untersuchung die auftretenden Kr fte Kraft je Richtung und Gesamtkraft nach dem Eindringen eine Bewertung der Patientenbelastung und der ben tigten Zeit sowie nach dem Zur ckziehen die Zeit im Lumen Damit Berechnungen dieser Kr fte auf reale Koloskopien bertragbar sind muss die zugrundeliegende Simulation realistisc
232. nde Grafikbiblio thek zur Darstellung von dreidimensionalen Objekten Da die Berechnungen da bei gr tenteils auf die Grafikkarte verlagert werden wird viel der beschr nkten Rechenleistung des Computers eingespart vgl Shreiner et al 2007 Unver ndert ist die Anzeige der simulierten Oberfl che des Darmes mit den dabei auftretenden Glanzeffekten vgl Sichler 2002 Neu dazugekommen sind die folgenden Einblendungen Informative Schriftz ge beim Programmstart Komfortabler Start des Ger tes ab Seite und die Richtungsanzeige beim Aufruf der Hilfe Automatische Anleitung und F hrung ab Seite 171 Rahmen als Schnittstelle zum Anwender ber den Rahmen werden sowohl Informationen angezeigt ber Balkenanzeigen und numerische Anzeigen als auch Einstellungen vorgenommen ber Kn pfe und Kontrollk stchen F r die neuen Trainingsm glichkeiten durch die Leit und F hrungssysteme sind einige weitere Einstellm glichkeiten dazugekommen ins besondere die Steuerm glichkeiten f r das F hren von Anf ngern F hrung anhand professioneller Vorgaben ab Seite 1160 Zus tzliche Informationen hel fen sowohl hierbei als auch bei der Durchf hrung der Untersuchung mit aktivem Force Feedback Informationen w hrend der Untersuchung ab Seite 136 6 3 3 Unterschiede zwischen Linux und Windows Die f r EndoSim eingesetzte Software wurde von vornherein betriebssystemunab h ngig angelegt Da eine Zeit lang bevor das
233. ne neue Perspektive f r die qualit tsorientierte prakti sche Ausbildung In Endoskopie heute 4 1998 S 23 25 ISSN 0933 811X Hohne et al 2000 HOHNE K H PFLESSER B POMMERT A PRIESMEYER K RIE MER M SCHIEMANN T SCHUBERT R TIEDE U FREDERKING H GEHRMANN S NOSTER S SCHUMACHER U VOXEL MAN 3D Navi gator Inner Organs Regional Systemic and Radiological Anatomy Hei delberg Springer Verlag Electronic Media 2000 ISBN 3 540 14759 4 3 CD ROMs Holmes und Lipo 2003 HOLMES D G Lipo T A Pulse Width Modulation for Power Converters Principles and Practice San Francisco CA USA Wiley IEEE Press 2003 Power Engeneering IEEE ISBN 0 4712 0814 0 Hughes 2006 HUGHES A Electric Motors and Drives Fundamentals Types and App lications 3 Auflage Amsterdam Niederlande Newnes 2006 ISBN 0 7506 4718 3 IEEE 1003 1 2004 Norm IEEE 1003 1 2004 Standard for information technology Portable Operating System Interface POSIX System interfaces Portable Applica tions Standards Committee IEEE Computer Society USA soa ae 235 LITERATURVERZEICHNIS Ikuta et al 2000 IKUTA K IRITANI K FUKUYAMA J Portable Virtual Endoscope System with Force and Visual Display for Insertion Training In Lecture Notes in Computer Science 1935 2000 S 907 920 DOI 10 1007 612345 ISSN 0302 9743 Ikuta et al 2001 IKUTA K IRITANI K
234. nen nicht Der entscheidende Unterschied ist dass die sieben Punkte umfassende Bewertung Untersuchungszeit F higkeit Caecum zu erreichen Zeit bis zum Caecum ben tigte Hilfe Medikamenteneinsatz Erholungszeit Komplikationen ber ein Jahr vorgenommen wurde Der Vergleich der Durchschnittswerte ergab dass je nach Parameter die trainierte Gruppe etwas besser oder gleich gut war Bei keinem der sieben Punkte konnte ein signifikanter Unterschied festgestellt werden Kritische Betrachtung der Studienergebnisse Bei mehreren Untersuchungen zum GI Mentor f llt auf dass nur eine geringe An zahl an Testpersonen verglichen wurde Bei Ferlitsch et al 2001 2002 bestehen die Gruppen aus jeweils 6 13 bei 2004 aus jeweils 8 10 Teilnehmern Bei Ritter et al 2003 2006 wurden insgesamt nur 11 Personen betrachtet Trotzdem zeigen die vorgestellten Studien dass mit einer deutlichen Verbesse rung der haptischen F higkeiten zu rechnen ist wenn Anf nger mit dem G Men 48 EndoSim 3 3 Computersimulatoren tor trainieren Fiir Fortgeschrittene und Experten wurde jedoch kaum ein Nutzen festgestellt Dies best tigt die bei Aabakken et al 2000 genannten Erwartungen Daher stellt sich die Frage ob dieser Nutzen in einem vern nftigen Verh ltnis zu den Kosten eines Computersimulators steht Auch exklusiv von Computersi mulatoren realisierbare Funktionen wie die Berechnung der beobachteten Darm oberfl che gen gen kaum
235. ng Model Type 1 B besteht aus einem Torso in den ein aus flexiblem Material gefertigter Colon eingebaut ist mit freundlicher Genehmi gung der Koken Company und Unterst tzung der Erler Zimmer GmbH amp Co KG Kritik Solange das Ziel des Trainings die grundlegende Bedienung des Endoskops ist l sst sich das gut mit derartigen Modellen ben Schwieriger wird es wenn wei 2Das von K hn 1998 entwickelte elektrisch leitf hige Gewebe kann ebenso wie nat rliches Gewebe mechanisch mit Biospiezangen Biopsie etc optisch mit einer gro en Auswahl von Laserger ten und elektrisch mit allen Formen der Radiofrequenzchirurgie darunter auch die Argon Plasmakoagulation bearbeitet werden J Hochberger et al in 2003 32 EndoSim 3 2 Trainingsmodelle tergehende haptische F higkeiten erlernt werden sollen Modelle die wie das CLA Phanom aus starrem und formstabilem Kunstoff gefertigt sind entsprechen durch ihre Konsistenz der Realit t in keiner Weise Aufgrund der mangelnden Elastizit t des Materials k nnen die Organe weder kol labieren noch lassen sie Luftinsufflation zu Das Gef hl beim Training weicht stark von einer realen Untersuchung ab Bei dem Modell von Koken ist vom Aufbau her mit einer gr eren Realit ts treue zu rechnen jedoch sind keine diesbez glichen Studien vorhanden Wie bei den formstabilen Modellen k nnen auch hier spezielle Pathologien wie Polypen oder Komplikationen wie Blutunge
236. ng auf wR R v r R_R r 8 12 Das Drehmoment ist hierbei proportional zur Winkelgeschwindigkeit w e Turbulente Str mung Sie tritt auf wenn die Zentrifugalkraft berwiegt und daher torusf rmige Taylor Wirbel auftreten Da hierbei zus tzlich Ener gie dissipiert wird ergibt sich ein Drehmoment proportional zu w w Solange w unter der kritischen Winkelgeschwindigkeit w liegt ist die Str mung des Schmiermittels laminar ansonsten wird sie turbulent Es l sst sich we nach 1998 unter Ber cksichtigung der Reynolds Zahl am inneren Zylinder Re v d v wR Ra R v ber die Taylor Zahl Ta bestimmen Ra R wN o Ra R Ta 4Re 1 5 4 R 1 TR 2 ER en Indem diese Formel nach w aufgel st wird und die f r das Verh ltnis R Ra 5 75mm 5 9mm 0 975 g ltige kritische Tailor Zahl Ta 3448 eingesetzt wird ergibt sich die kritische Winkelgeschwindigkeit we y Tac Ra Ri v V4 R Ra Ri Diese Rechnung macht deutlich dass die kritische Winkelgeschwindigkeit we 300 300 000 s71 8 14 so gro ist dass die bei einer Untersuchung auftretenden Drehungen immer lang samer sind Dadurch ergeben sich im Gleitmittel ausschlie lich laminare Str mungen und fiir die Simulation des Drehmomentes gilt MM Schlauch Rektum Rotationsreibung mw 8 15 154 EndoSim 8 2 Force Feedback System Beim tiefen Eindringen des Schlauches in den Colon kommt als
237. ng improves outcomes in clinical endoscopic performance and to characterize better the influence of such simulator work on subsequent endoscopic practice Ein Problem der Biosimulationsmodelle ist dass die Anatomie der Organe von Schlachttieren wie Schweinen oder Rindern nicht mit der des Menschen berein stimmt Des Weiteren weisen die Tierorgane nicht die Formstabilit t auf welche bei lebenden Organen gegeben ist Bei den meist jung geschlachteten Tieren kom men kaum krankhafte Ver nderungen vor Einige Pathologien wie Polypen und Varizen k nnen zwar aus der Schleimhaut durch Unterspritzung konstruiert wer den vgl Hochberger et al 1997 entsprechen aber nicht den realen Krankheits bildern Auch wenn die Struktur der tierischen Schleimhaut der menschlichen in der Oberfl che entspricht vgl Grund und Mentges 2001 ist bei der Beobachtung einschr nkend dass die F rbungen deutlich voneinander abweichen u 35 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Die bedeutendsten Nachteile dieser Art des Trainings ergeben sich aus den ein gesetzen Pr paraten Es ist ein gro er Aufwand n tig um f r jeden Trainingskurs Schlachtorgane zu beschaffen diese zu reinigen und zu pr parieren Des Weite ren m ssen die Organe tiefgefroren gelagert und nach dem Training fachgerecht entsorgt werden vgl Grund und Mentges 2001 Ein weiterer Nachteil dieser Pr parate ist die Geruchsbel stigung die geringe Haltbarkeit ins
238. ng und des Getriebespiels von Aycetriebe 0 7 auf die Positionsgenauigkeit des Schlittens sollen nun gezeigt werden AY Encoder ENS Encoder a T dAntriebsrad 7 e nn 7 30 mm 0 009 817 mm 6 7 A etriebe Asdeiriebe TS d Antriebsrad ike 30mm 0 183 260 mm 6 8 T r 360 i Daraus ergibt sich die maximale gesamte Positionsabweichung des Schlittens A Simarim le Positionsabweichung AS Encoder SGetriebespiel 0 009 817 mm 0 183 260 mm 0 193 077 mm 6 9 Die gr tenteils durch das Getriebe hervorgerufene maximale Positionsabwei chung von unter 1 5 mm ist kleiner als das schon vorhandene tangentiale Spiel 96 EndoSim 6 1 Mechanik durch die Beweglichkeit des Schlauches im F hrungsrohr ca 2mm abh ngig von Kraft und Position Uber den langen Schlauch ist sie nicht zu spiiren Somit ist die f r die Praxis n tige Pr zision des Antriebs sichergestellt Durch den Einsatz des Getriebes wird die Kraft vergr ert und die Geschwin digkeit des Schlittens verringert Vorteilhaft an der geringeren Geschwindigkeit ist eine viel genauere Positionierung Von Nachteil k nnte jedoch die verl nger te Zeit sein welche ben tigt wird um den Schlitten ber die gesamte L nge zu bewegen Diese Zeit ndert sich durch das Getriebe von weniger als 2 s auf unter 10s Da die dabei simulierte Strecke bei realen Untersuchungen in durchschnitt lich 540 s bis 612 s zur ckgelegt wird vgl von
239. ng von Sicherheitsaspekten in einem international verwendeten Netz zu Das Transmission Control Protocol Internet Protocol ist ein Netzwerkprotokoll und wird wegen seiner gro en Bedeutung f r das Internet auch kurz nur als Internetprotokoll bezeich net Der Aufbau des Protokolls und die Einbindung ins OSI Schichtenmodell ist im TCP IP Referenzmodell beschrieben Die Identifizierung der Rechner erfolgt dabei ber IP Adressen Das Ethernet ist eine eine kabelgebundene Datennetztechnik f r lokale Datennetze wobei das Gigabit Ethernet eine aktuell viel verwendete Auspr gung darstellt die sowohl ber Kupferkabel als auch ber Glasfaser realisiert werden kann 3Latenzzeit ist die Zeitspanne die ein Datenpaket ben tigt um in einem Netzwerk vom Sender zum Empf nger zu gelangen m 189 10 R ckblick und Ausblick Da im Gegensatz zu Operationen tiber das Internet die Folgen eines Fehlers bei der Kopplung von mehreren EndoSim Simulatoren nicht fatal sind k nnen stan dardisierte Methoden f r den Umgang mit Latenzzeiten unregelm igen ber tragungsraten und zur Sicherstellung der korrekten Daten bertragung eingesetzt werden So ist es m glich mit geringem Aufwand diese interessante Novit t zu realisieren Indem ein Lernender der Endoskopie auch ber gro e Distanzen Trai ningsunterst tzung erhalten kann wird Expertenwissen vermittelt ohne dass es zu einem Treffen der Parteien kommen muss 10 2 2 Erweiterung des
240. ngsradius aus Differenz der Drahtlangen 6 Bestimmung der Position des Objektivs ber die Sekanten Bestimmung des Blickrichtung festlegenden Tangentenvektors 21 N 92 98 102 105 107 108 110 112 115 116 120 121 122 123 125 135 136 139 140 141 145 148 151 160 161 162 164 165 166 170 EndoSim ABBILDUNGSVERZEICHNIS O 8 Hilfe f r Benutzer zur berwindung schwieriger Situationen 9 Optimierung anhand des erreichbaren Bereiches 10 Anzahl der Kraftberechnungen bei verschiedenen Optimierungen SOl 11 Berechnungsschritte f r das berwinden des gesamten Colons 12 R ntgenbilder des berwindens von Darmschlinge und Flexur 13 Optimierung der Schrittweiten durch evolution ren Algorithmus 14 Screenshots verschiedener Situationen mit eingeblendeter Hilfe 15 Empfehlungen ber blinkende Pfeile und rotierende Walze 10 1 Force Feedback und Positionierung auf vier Freiheitsgraden 10 2 Effektive Ausbildung mit EndoSim durch unabh ngiges Training 171 176 178 179 179 181 182 183 187 192 213 Literaturverzeichnis Aabakken et al 2000 AABAKKEN L ADAMSEN S KRUSE A Performance of a Colonoscopy Simulator Experience from a Hands On Endoscopy Course In Endos copy 32 2000 Nr 11 S 911 913 DOI 10 1055 s 2000 8092 ISSN 0013 726X Ackerman 1995 ACKERMAN
241. nt entstehen Schmerzen da ber dieses Mesokolon der Dickdarm mit Blut und Lymphgef en sowie Nerven versorgt wird Diese Ab 8Handelsbezeichnungen Endofalk Klean Prep Deutschland oder Forlax Osterreich 1 Alternative Produkte mit Wirkstoffkombinationen sind laut Arzneimittelkursbuch 2007 Pre pacol Mittel der Reserve und Fleet Variante ohne besonderen Stellenwert Bei der Auswertung von 7882 Untersuchungen wurde festgestellt dass wenn die R ckzugs zeit ber 6 Minuten liegt in 28 3 der F lle Pr kanzerosen aufgefunden werden bei unter 6 Mi nuten werden sie jedoch nur in 11 8 der F lle gefunden Fortgeschrittene Stadien von b sartigen Tumoren werden in 6 4 ber 6 Minuten bzw 2 6 unter 6 Minuten der F lle aufgefunden 14 EndoSim 2 1 Endoskopische Untersuchungen schnitte sind somit gut beweglich Im Gegensatz dazu sind die au en liegen den Abschnitte Colon ascendens und Colon descendens nur an ihrer Vorderseite von Peritoneum Bauchfell berzogen und an ihrer Hinterseite fest mit der hinte ren bzw seitlichen Leibeswand verwachsen Menche 2003 Durch diese teilweise flexible Befestigung des Darmes k nnen sich Darm schlingen bilden Sowohl die L nge des Darmes als auch der Grad der retro peritonealen Befestigung sind laut f r die Bildung von Darmschlingen von Bedeutung So sind bei westlicher Population die Flexura coli sinistrd in 20 der F lle de
242. nterschiede und den geringen Kosten spricht f r die RS 232C Schnittstelle dass sie weltweit verbreitet zum Anschlu von End ger ten im Umfeld von Personalcomputern Industrie PCs SPS u ist F r diese erdunsymmettrische Schnittstelle sind als Logikpegel definiert e Logisch 0 3V lt U lt 15V e Logisch 1 15 V lt U lt 3 V Gevatter 2000b 7Daten und nicht fl chtiger Programm Speicher 32 x 8 allgemeine Arbeitsregister 4 KBytes programmierbares Flash 128 Bytes SRAM 256 Bytes programmierbares EEPROM 18 Aufgabe des UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter ist einen seriellen digi talen Datenstrom mit einem fixen Rahmen aufzubauen Im vorliegenden Fall besteht dieser aus einem Startbit acht Datenbits und einem Stoppbit Das UART dient sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Daten mit Hilfe eines USB Seriell Wandlers auch ber USB Bei der unsymmetrischen Leitungsf hrung wird nur eine Ader verwendet Als R ckleitung dient die Abschirmung der Leitung oder eine andere Masseverbindung zwischen den Ger ten 118 EndoSim 6 2 Elektronische Ansteuerung Um diesen Pegel zu den 5 V Signalen des Microcontrollers kompatibel zu ma chen wird als Pegelkonverter der MAX 232 eingesetzt Die MAX 220 MAX 249 Familie von Line Driver Receiver ist f r alle EIA T TA 232E und V 28 V 24 Kommunikations Schnittstellen gedacht besonders fiir Anwendungen bei denen die 12 V nicht
243. ntrainierten Personal und den Experten unterschieden werden kann Jedoch er gibt sich kein signifikanter Unterschied zwischen Erfahrenen und Experten F r den dritten Leistungsvergleich wurde von Moorthy et al 2004 der Simu lator so umgebaut dass der Monitor realistischer und ergonomischer aufgestellt werden konnte W hrend die sechs Experten die sieben Fortgeschrittenen und die sieben Anf nger ein Trainingsmodul ausf hrten wurden zehn Eigenschaften von drei Beobachtern welche nur die H nde und den Monitor sehen konnten bewertet Zwischen den drei Gruppen konnte unter Ber cksichtigung aller Wer tungen ein deutlicher Unterschied mit hoher Interrater Reliabilita festgestellt werden Jedoch konnte zwischen Fortgeschrittenen und Anf ngern bei der maxi malen Eindringtiefe der beobachteten Darmoberfl che und der Zeit ohne Sicht kein signifikanter Unterschied festgestellt werden Interrater Reliabilitat bezeichnet in der Psychologie das Ausma der Ubereinstimmungen Konkordanzen der Einsch tzungsergebnisse bei unterschiedlichen Beobachtern Ratern Hierdurch kann angegeben werden inwieweit die Ergebnisse vom Beobachter unabh ngig sind u nO 55 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Die Ubertragbarkeit des am Simulator Gelernten auf reale Untersuchungen wurde von Sedlack et al 2004a mit 38 Lernenden getestet Nachdem die H lf te der Testpersonen ein Simulatortraining von drei Stunden durchgef hrt ha
244. of Science and Technology KAIST in Daejeon und der Ewha Womans University in Seoul ist der neuste Koloskopiesimulator entstanden vgl RSLab 2007 Als KAIST Ewha Colonoscopy Simulator I wurde er 2004 vorgestellt Die zweite Version Abb mit verbesserter Grafik und Force Feedback wur de 2006 eingef hrt vgl KAIST Ewha 2007a b 20066 Abbildung 3 9 Der in Korea entwickelte KAIST Ewha Colonoscopy Simulator II mit freundlicher Genehmigung von Professor D Y Lee 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Simulation und Visualisierung Fiir die Simulation wurde anhand von CT Daten realer Patienten die Mittellinie des Darmes parametrisiert b Die physikalische Modellie rung erfolgt indem der Darm durch eine Kette von St ben entlang dieser Mit tellinie repr sentiert wird das Koloskop durch starre Elemente die mit Feder und D mpfer verbunden sind Ahn und Lee 2004 Damit wird erm glicht ne ben den Auswirkungen des Einblasens und Absaugens von Luft auch die Bildung von Darmschlingen zu simulieren F r eine grafische Ausgabe in Echtzeit werden zuerst die Polygone reduziert Dann erfolgt die Darstellung der Mucosa unter Verwendung von Texturen und der Berechnung von Glanzeffekten vgl 2006b KAIST Ewhal2007b Force Feedback Ger t Das Force Feedback Ger t des KAIST Ewha erzeugt auf zwei Freiheitsgraden ei ne aktive Kraft Dazu ist die Spitze des Endoskopschlauches drehbar mit einem Schlitten verbunde
245. oi org 10 1007 DOI 10 1007 s00464 002 9014 4 ISSN 0930 2794 de Franchis et al 2002 DE FRANCHIS R RONDONOTTI E ABBIATI C The technical perfor mance of capsule enteroscopy does not depend on indication and intestinal preparation In Endoscopy 2002 Nr 34 S A88 ISSN 0013 726X mr 225 LITERATURVERZEICHNIS Demir 2003 DEMIR S S BME company profiles Simulating reality with immer sion medical In JEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine 22 2003 Oktober Nr 5 S 11 13 DOT 10 1109 MEMB 2003 1256265 ISSN 0739 5175 D sormeaux 1855 DESORMEAUX M A S De l endoscope instrument propere a clairer cer taines cavit s int rieures de l amp conomie In Comptes Rendus H bdomadaires des S ances de l Academie des Sciences Bd 40 1855 DIN 1505 2 1984 Norm DIN 1505 2 Januar 1984 Titelangaben von Dokumenten Teil 1 Zitierregeln Beuth Verlag Berlin DIN 1505 3 1995 Norm DIN 1505 3 Mai 1995 Titelangaben von Dokumenten Teil 3 Ver zeichnisse zitierter Dokumente Literaturverzeichnisse Beuth Verlag Ber lin DIN 66 020 1 1999 Norm DIN 66 020 1 Juli 1999 Funktionelle Anforderungen an die Schnitt stellen zwischen Datenendeinrichtung und Datenbertragungseinrichtungen Teil 1 Allgemeine Anwendung Beuth Verlag Berlin DIN 66 020 2 1982 Norm DIN 66020 2 August 1982 Funktionelle Anforderungen an die Schnittstelle zwischen DEE und
246. oller zwischengespeichert wird 2URIA TIA 232 E 1991 ist durch die vergleichbare neuere Norm TIA 232 F 1997 obsolet mpfehlung Telecommunication nion Die V 24 der ITU T International U Telecommunication Standardization Sector ist in Deutschland durch DIN 66 020 1 1999 und DIN 66 020 2 1982 genormt und entspricht weitgehend der seriellen Schnittstelle RS 232C er 119 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Der Line Receiver 5V 5V Riz Rig Rai Roe R 5V R 5V Ann gt Ban A Anne B ppe u R20 iu Roa Abbildung 6 12 Der Schaltplan zeigt den Line Receiver fiir den Empfang der Komple ment rsignale der beiden phasenverschobenen Kan le A und B vom Encoder des Motors Fiir die Weiterverarbeitung im Microcontroller werden vom Encoder Recht ecksignale geliefert Wegen der Resistenz gegen ber elektromagnetischen St r signalen ist bei Positioniersteuerungen die bertragung nach dem differenziell arbeitenden Recommended Standard 422 RS 422 empfehlenswert Bei dieser leitungsgebundenen seriellen Daten bertragung aktuell nach genormt bertr gt der Encoder ber einen Line Driver das Signal normal und in vertiert um durch Gleichtaktunterdr ckung symmetrische St rungen auszufiltern F r das Dedektieren der Komplement rsignale ist daher eine Differenzverst r kung erforderlich Sie erfolgt ber einen Line Receiver der entwed
247. om Getrie bespiel mit 0 7 und von der sich aus der Aufl sung des MR Encoders Typ L in Verbindung mit dem 4 8 1 Planetengetriebe ergebenden Winkelaufl sung 360 500 Impulse 4 8 AY Encoder zu 4 Quadcounts 0 0375 6 16 Impuls Da der Benutzer nur ber den Schlauch die Drehung des Motors sp ren kann und beide Abweichungen sehr klein sind ist die Pr zision ausreichend Abbildung 6 5 Diese technische Zeichnung zeigt wie der Motor des neuen Force Feedback Ger tes im F hrungsrohr liegt wie er ber eine zweiteilige Halterung mit dem Schlitten verbunden ist die wegen des Rohres verd nnte Stelle ist schraffiert dargestellt und wie seine Bewegung ber die dreiteilige Kupplung auf die Buchse bertragen wird Die Komponenten Motor Getriebe und Encoder wurden als eine Einheit ge liefert Die zweiteilige metallische Halterung zur Befestigung des Motors wurde u a durch S gen Fr en und Bohren in der institutseigenen Werkstatt hergestellt Durch Verl ngerung der beweglichen Plattform erlaubt der waagerechte Teil der Halterung den Motor wie f r das Ankoppeln erforderlich au erhalb des Schlittengrundrisses stabil mit dem Schlitten zu verbinden Aufgabe des senkrechten Teils ist es den im Innern des F hrungsrohres be findlichen Motor ber den au en liegenden Teil der Halterung mit der Plattform zu verbinden Da der Platz dabei sowohl innerhalb des F hrungsrohres als auch
248. on viermal so genau wie die Anzahl der Impulse pro Umdrehung Die Auswertung erfolgt indem die Signalflanken Interrupts des Microcon trollers ausl sen Durch Betrachten der dabei maximal abzuarbeitenden Befeh le und der maximalen Anzahl an ben tigten Takten vgl ist eine Absch tzung der erreichbaren Drehgeschwindigkeit m glich Da eine Taktfre quenz von 7 3728 MHz vorliegt maximal 16 Takte f r das Auswerten eines In terrupts n tig sind pro Umdrehung des Motors 2000 solche Wechsel auftreten Flanken 4 500 und das Getriebe ein Untersetzungsverh ltnis von i 4 8 1 besitzt ergibt sich als maximal dedektierbare Drehzahl am Ausgang Folgendes n Microcontroller ma Takt max Flanken i 7 372 800 Hz gt ____ 4857 2 36 2000 48 5 oe Die korrekte Positionsbestimmung ist sichergestellt da dieser Wert viel gr er als die maximal bei Vorschub bzw bei Rotation auftretende Geschwindigkeit ist er 121 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software Abbildung 6 14 Sowohl der Motor fiir den Vorschub als auch der fiir die Rotation sind ber die neu entwickelte Schnittstellenkarte bidirektional mit dem Computer verbunden 6 2 5 Einsatz der Schnittstellenkarte Bei beiden Force Feedback Modulen wurden die Komponenten Motor Servover st rker und Schnittstellenkarte elektrisch verbunden und dann an die gemeinsam verwendeten Teile Stromversorgung und Personalcomputer angeschlossen Das Re
249. onen fiir Komfort und Evaluation Alles Wissen stammt aus der Erfahrung Immanuel Kant 1901 deutscher Philosoph Hier werden die Merkmale von EndoSim aufgezeigt die f r den Komfort bei der Benutzung sorgen Von den ersten Ausgaben ber Konsole ber die Einstell m glichkeiten und Informationen w hrend der Benutzung bis zur abschlie enden Ausgabe von Daten welche der Evaluation der Leistung dienen 133 7 Funktionen fiir Komfort und Evaluation 7 1 Komfortabler Start des Ger tes Beim Aufruf des Programmes k nnen nach Bedarf Parameter bergeben werden Darauf erfolgt der Start von EndoSim in zwei Stufen Die ersten Aktionen finden von Meldungen begleitet statt die ber Konsole ausgegeben werden Kurz darauf wird die grafische Benutzeroberfl che gestartet auf der weitere Informationen in Abh ngigkeit von den Voreinstellungen bzw dem Initialisierungsfile und den zu Beginn bergebenen Startparametern erfolgen 7 1 1 Ausgaben ber Konsole bis zum Kalibrieren Grundeinstellungen und Softwaremodule Direkt nach Programmstart wird auf der Konsole in Textform ber Einstellungen durch Startparameter informiert Dann wird ausgegeben ob die Grundeinstellun gen durch das Initialisierungsfile oder anhand der Voreinstellungen erfolgen Dar auf folgt entweder Alle Module werden jetzt erstellt oder es wird eine Liste der deaktivierten Softwaremodule ausgegeben Softwaremodule ab Seite 201 Kommunikationsauf
250. op ca 12cm Rek toskop ca 30 cm Sigmoidoskop ca 70 cm Koloskop 200 cm Pschyrembel 2007 Die Taenien sind etwa 1 cm breite L ngsstreifen auf die die u ere Langsmusku latur zusammengedr ngt ist Zwischen den Taenien w lbt sich die Wand zu Haustren vor zwischen diesen liegen Einschn rungen die ins Lumen als Falten vorspringen Die Appendices epiploicae stellen zipfelf rmige Fettanh ngsel des subser sen Bindegewebes dar Das 7 cm lange intraperitoneal gelegene Z kum MW ist der Anfangsteil des Dickdarms Am Z kum h ngt die etwa 9 cm lange in der Lage sehr variable Appendix vermiformis Rexroth 2005 Indikationen f r eine Koloskopie sind persistierende Durchf lle unklarer ti ol r ntg od klinischer Verdacht auf entz ndl Dickdarmerkrankungen u a En teritis regionalis Crohn Colitis ulcerosa Darmpolypen od maligne Tumoren ko lorektales Karzinom Pschyrembel 2007 Eingeschr nkt wird die Untersuchung durch folgende relative Kontraind schwere lokale Entz z B bei Colitis ulce rosall toxischem Megakolon Pl akuter Divertikulitis 10Caecum Blinddarm 11 Appendix Wurmfortsatz des Blinddarms Umganssprachlich ungenau Blinddarm genannt Entz ndung des Dickdarms 3 ebensbedrohliche starke Ausweitung des Colons mit schnellverlaufender Colitis Entz ndung der Wand von Darmausstiilpungen 12 EndoSim 2 1 Endoskopische Untersuchungen 2 1 3 Probleme
251. orce Feeback auf drei Freiheitsgrade Die Umsetzung der Kr fte erfolgt ber ein aktives Force Feedback System auf Endoskopschlauch und Handr der vgl K rner et al 2004 Abb Der Schlauch wird in einem Rohr gef hrt Durch einen ber Zahnriemen mo torisch angetriebenen Schlitten wirkt die Kraft auf das Schlauchende in translati ver Richtung Um die Winkelposition zu bestimmen ist der Schlauch ber einen Drehgeber mit dem Schlitten verbunden Die Kraft bertragung auf die Handr der des nachgebauten Handteils wird ber Bowdenz ge realisiert welche durch den Versorgungsschlauch gef hrt sind K rner und M nner 2003a b Visualisierung Auf dem Monitor wird eine simulierte R ntgenaufnahme und die Innenansicht des Darmes dargestellt Die Visualisierung der Mucosa erfolgt unter Verwendung ei nes angepassten Bump Mapping Verfahrens Dieses stellt besonders gut die star ken Glanzlichter dar die sich durch die geringe Entfernung zwischen der Endo skopspitze und der feuchten Oberfl che des Darmes ergeben vgl Sichler 2002 Evaluation Zwei Fach rzte f r Endoskopie beurteilten den Simulator indem sie versuchten das Caecum zu erreichen Die Darstellung des Darms und die Steuerung wurden als authentisch beschrieben Damit best tigen sie dass die Kombination aus de skriptiver Modellierung und aktivem Force Feedback eine realistische Simulation auch von komplexen Situationen wie dem inversen Verhalten des Endoskops b
252. os copy simulator for training in gastrointestinal endoscopy In Endoscopy 34 2002 Nr 9 S 698 702 ISSN 0013 726X Fireman und Kopelman 2002 FIREMAN Z KOPELMAN Y Wireless capsule colonoscopy In Journal of Gastroenterology and Hepatology 17 Suppl 2002 S A976 Fireman und Kopelman 2007 FIREMAN Z KOPELMAN Y The colon the latest terrain for capsule endoscopy In Digestive and Liver Disease 39 en Oktober Nr 10 S DOI 10 1016 j d1d 2007 07 050 ISSN 1590 8658 Fischer 2001 FISCHER R Elektrische Maschinen 11 Auflage M nchen Carl Hanser Verlag 2001 ISBN 3 446 21810 6 rn 229 LITERATURVERZEICHNIS Foley et al 1995 FOLEY J VAN DAM A FEINER S HUGHES J F Computer Gra phics Principles and Practice in C 2 Auflage Amsterdam Niederlande Addison Wesley Longman 1995 Addison Wesley Systems Programming ISBN 0 2018 4840 6 Franz et al 2004 FRANZ S KAHLBACHER H SCHUH M SCHMEROLD I sophago gastroduodenoskopie beim Schwein Technik Methode Indikationen In Tier rztliche Wochenschrift 117 2004 Januar Nr 03 04 S 153 159 IS SN 0005 9366 Freeman 2001 FREEMAN M L Training and Competence in Gastrointestinal Endoscopy In Gastroenterological Disorders 1 2001 Nr 2 S 73 86 Freys et al 1995 FREYS S M HEIMBUCHER J FUCHS K H Teaching upper gastroin testinal endoscopy the pig stomach In Endoscop
253. oscopy 27 1995 Januar Nr 1 S 81 85 ISSN 0013 726X gt 247 LITERATURVERZEICHNIS Noar und Soehendra 1992 NOAR M D SOEHENDRA N Endosopy simulation training devices In Endoscopy 24 1992 S 159 166 ISSN 0013 726X Nocedal und Wright 2006 NOCEDAL J WRIGHT S J Numerical Optimization 2 Auflage Berlin Springer 2006 Springer Series in Operations Research ISBN 0 3873 0303 0 Olympus 2001 OLYMPUS Deutschland GmbH Hygiene berpr fungen an Endoskopen Eine Bestandsaufnahme In Endoskopie Aktuell Die Vierteljahres zeitschrift ber flexible medizinische Endoskopie 2001 Januar Nr 1 S 7 http objects olympus europa com endo documents OLYInfo_I01 pdf Papula 2001 PAPULA L Mathematik fiir Ingenieure und Naturwissenschaftler Bd 3 Vektoranalysis Wahrscheinlichkeitsrechnung Mathematische Statistik Fehler und Ausgleichsrechnung 4 Auflage Wiesbaden Vieweg 2001 ISBN 3 5283 4937 9 Papula 2006 PAPULA L Mathematische Formelsammlung f r Ingenieure und Naturwis senschaftler 9 durchgesehene und erweiterte Auflage Wiesbaden Vieweg 2006 ISBN 3 8348 0156 9 Parasher et al 1995 PARASHER V K TOOMEY P CLIFTON V MERRYMAN K Simulated sphincterotomy in a pig model In Gastrointestinal Endoscopy 41 1995 Nr 3 S 240 242 ISSN 0016 5107 Park et al 2007a PARK D I KIM H J PARK J H CHO Y K SOHN C I
254. ositionierenden Wieder gabemodus in den Kr fte simulierenden Force Feedback Modus gewechselt Neben der Option von hier aus in den von den vier Reglern abh ngigen Posi tioniermodus zu gelangen steht dem Nutzer auch der Weg zur ck in den f hren den Modus offen So ist es f r den Lernenden m glich die Wiedergabe f r eigene Experimen te zu unterbrechen und falls beispielsweise die Orientierung bei Bildung einer Darmschlinge verloren wurde sich sp ter wieder auf die n chste Position des durch den Experten aufgezeichneten Weges zur ckf hren zu lassen Wiederaufnahme der F hrung erfordert Auswahl aus der Aufnahme W hrend der Wechsel vom Wiedergabe in den Force Feedback Modus trivial ist ergibt sich im umgekehrten Fall das Problem dass die aktuelle Position wahr scheinlich nicht genau auf dem aufgezeichneten Weg liegt Daher wird im Fol genden die Auswahl der bestm glichen Aufnahmeposition bez glich des Ortes der simulierten Endoskopie zum Zeitpunkt des Zur ckschaltens in den f hrenden Wiedergabemodus betrachtet 9 1 4 Synchronisation der aktuellen Position zur Aufzeichnung ber das am distalen Ende des Endoskops befindliche Objektiv sieht der Benutzer auf die Mucosa Damit beim Wechsel vom Simulations in den Wiedergabemo dus das Bild m glichst gleich bleibt soll die Position und die Ausrichtung des Objektivs im Darm so wenig wie m glich ver ndert werden Daf r ist es erforderlich Ort und Ausrichtung der
255. pie heute 12 1999 S 53 ISSN 0933 811X mr 243 LITERATURVERZEICHNIS Markman 1969 MARKMAN H D A new system for teaching proctosigmoidoscopic mor phology In American Journal of Gastroenterology 52 1969 September S 65 ISSN 0002 9270 Marshall und Brown 1996 MARSHALL J B BROWN D N Photodocumentation of total colonoscopy How successful are endoscopists Do reviewers agree In Gastrointestinal Endoscopy 44 1996 Nr 3 S 243 248 ISSN 0016 5107 Maxim Integrated Products 2006 MAXIM INTEGRATED PRODUCTS 5V Powered Multichannel RS 232 Dri vers Receivers 19 4323 Revision 15 Sunnyvale CA USA Maxim Inte grated Products Januar 2006 Maxim Integrated Products und Dallas Semiconductor 2004a MAXIM INTEGRATED PRODUCTS DALLAS SEMICONDUCTOR Benchmar king the MAXQ Instruction Set Architecture vs RISC Competitors Applica tion Note 3221 Sunnyvale CA USA Maxim Integrated Products Dallas Se miconductor April 2004 http www maxim ic com appnotes cfm an_pk 3221 Maxim Integrated Products und Dallas Semiconductor 2004b MAXIM INTEGRATED PRODUCTS DALLAS SEMICONDUCTOR Be wertung der Architektur des MAXQ Befehlssatzes im Vergleich zu RISC Mitbewerbern In Microcontroller Engeneering Review Sunnyvale CA USA Maxim Integrated Products Dallas Semiconductor April 2004 Teil 3 S 7 16 Maxon Motor 2001 MAXON MOTOR AG Bedienungsanleitung fiir MIP10 Evaluation Kit und MIP10 Modu
256. r e ren prospektiven Studien ausstehen Blaha und Gschwantler Zu deutlich ung nstigeren Ergebnissen kommen 2002 mit 4 und 2002a b mit 5 Colorectal Cancer Krebs im Dickdarm oder im Enddarm gt Colon Capsule Endoscopy Dickdarmuntersuchung durch Kapselendoskopie 10 EndoSim 2 1 Endoskopische Untersuchungen Untersuchungen des Magen Darm Trakts Von den verschiedenen endoskopisch untersuch oder behandelbaren K rperbe reichen wird im Folgenden nur noch der Magen Darm Trakt betrachtet Die Anwendungen der Endoskopie im Magen Darm Kanal sind Spiege lung der Speiser hre sophagoskopie des Magens Gastroskopie des Zw lf fingerdarms Duodenoskopie des Dickdarms Koloskopie und des Enddarms Rektoskopie Die Gallen und Bauchspeicheldr senwege k nnen endoskopisch in einer Kombination mit R ntgenuntersuchungen mittels ERCP untersucht werden Brockhaus 2006b Weitere Untersuchungen in diesem Bereich sind die D nndarmspiegelung durch Enteroskopie und Kapselendoskopie und die beiden Dickdarmuntersuchungen Sigmoidoskopie und Proktoskopie Die vier Untersuchungsarten des Colons Dickdarm unterscheiden sich in der maximalen Eindringtiefe und den daf r eingesetzten Instrumenten W hrend bei den nicht so tief gehenden Untersuchungen Proktoskopie und Rektoskopie starre Endoskope zum Einsatz kommen werden bei der Sigmoidoskopie und der Kolo skopie flexible Endoskope eingesetzt Abb
257. r te Wahr scheinlicheit f r das Auftreten schmerzender Ereignisse ist mit 77 aller F lle gegeben solange sich die Endoskopspitze im Sigmoid befindet Als h ufigste Ur sachen f r Beschwerden sind mit 79 die Bildung von Darmschlingen und mit 11 die Begradigung des Endoskopschaftes zu nennen vgl Shah et al 2002 8 1 1 Auswahl der relevanten Kr fte Die Intensit t der akustischen Ausgaben wird in Abh ngigkeit von den schmerz ausl senden Kr ften bestimmt Wie im vorherigen Kapitel dargelegt sind durch die bei EndoSim vorhandene Simulation folgende Kr fte vom Endoskopschlauch auf den Darm vorgegeben Die translative R ckstellkraft F lt hlauch durch frontale Kollision Kollision die translative R ckstellkraft FSchlauck durch den in die Ausgangslage Verformung zur ckdr ngenden Darm die translative Reibungskraft Fuck und die Translationsreibung durch Rotation des Schlauches im Darm entstehende F ii m Die Schleimhaut der Hohlorgane wie auch des Kolon s hat keine Schmerz rezeptoren Der bei der Koloskopie auftretende kolikartige Schmerz ist durch eine Dehnung des Hohlorgans Zug an den Mesenterien Reizung von Dehnungs rezeptoren etc bedingt Pott 2004 Daher k nnen direkt durch die Reibungskr f te ee onsreibung und Fein bung Zwischen dem Endoskop und der Muco sa keine Schmerzen entstehen Relevant sind dagegen die indirekt durch Reibung Schlauch entstehenden Deformationen durch Fryer rung
258. r Colon descendeng in 8 und der Colon trans versum Jin 30 der F lle deutlich beweglich Bei Orientalen die meist einfacher zu untersuchen sind ist die Beweglichkeit mit 9 Flexura coli sinistra 0 9 Colon descendens und 11 Colon transversum deutlich geringer Bei Frauen ist der Colon vor allem der querlaufende Teil im Durchschnitt etwas l nger und damit besonders beweglich Diese Flexiblilt t f hrt dazu dass es h ufiger zu Schwierigkeiten bei der Durchf hrung der Untersuchung kommt vgl Saunders et al 1995a Es sind mindestens 20 der Untersuchungen auch f r den Experten technisch schwierig Die meisten Schwierigkeiten bei der Kolosko pie sind auf rezidivierende Schlingenbildung des Kolons bei einem sehr langen und mobilen Kolon zur ckzuf hren B P Saunders in Classen et al 2003 In wieweit Schmerzen auftreten h ngt stark vom Geschick beim Aufl sen der Darmschlingen ab Bei guter Technik merkt der Patient nicht viel Wird jedoch versucht allein durch Krafteinsatz weiter zu kommen f hrt das zur schmerzhaften Dehnung des Mesocolons und im schlimmsten Fall zur Perforation des Colons Das Untersuchen des Colons erfolgt auf dem R ckweg Da es f r das Betrach ten der Mucosa erforderlich ist diesen durch Luftinsufflation zu entfalten kann es durch Lufteinschliisse wahrend der Untersuchung jedoch auch noch Stunden sp ter durch Darm berdehnung zu Beschwerderf kommen vgl Waye 1990
259. rafische Ausgabe der verschiedenen Einzelkr fte Numerisch werden weitere In formationen w hrend der Untersuchung ber den Rahmen ausgeben Statistische Daten zur Simulation zur Kommunikation mit der Haptik und zur Grafikausgabe 136 EndoSim 7 3 Bewertungen w hrend der Untersuchung 7 2 3 Einstellm glichkeiten ber GUI und Tastatur Im Verlauf der Untersuchung kann der Benutzer ber den Rahmen der grafischen Oberfl che oder ber die Tastatur Einstellungen vornehmen W hrend die Bedienung ber GUI intuitiver ist Abb 9 3 f r Wiedergabe erfolgt f r den ge bten Benutzer die Wahl einer Funktion ber einen Tastendruck schneller als mit Hilfe der Computermaus Dies gilt im besonderen Ma e wenn w hrend der Bedienung des Simulators Befehle an den Computer gegeben werden sollen denn dies l sst sich ohne die dominante Hand vom Simulator zu nehmen nur ber Tastatur leicht mit der untergeordneten Hand bewerkstelligen 7 3 Bewertungen w hrend der Untersuchung Zus tzlich zu dem im n chsten Kapitel ausf hrlich dargelegten haptischen und akustischen Feedback kann es w hrend des laufenden Trainings f r den Ausf h renden von Vorteil sein durch Balkenanzeigen genau ber die eingesetzten Kr fte informiert zu werden Aufgrund dieser Information lassen sich die Auswirkungen der Vorgehensweise schnell bewerten und damit auch fortlaufend optimieren 7 3 1 Darstellung der einzelnen Kr fte Durch die bei EndoSim vo
260. rainee s performance thereby identifying potential areas of weakness before the trainee attempts the procedure on an actual patient 2002 38 EndoSim 3 3 Computersimulatoren Neben dem rasanten Fortschritt auf dem Computersektor spricht auch die in den letzten Jahren erfolgte unabh ngige kommerzielle Entwicklung und Marktein f hrung zweier Ger te zur Simulation von Koloskopien f r den langfristigen Er folg der Computersimulatoren prophezeihen z Z noch in Kombination mit Trainingsmodellen Computersimulatoren eine gro e Zukunft Itis easy to foresee a day when hands on training using simulators will be readily available outside the gastroenterology fellowship setting In einer j ngeren bersichtsarbeit ber die Entwicklung der Koloskopieaus bildungssimulation berichtete Williams dass seine Gruppe 1982 ein einfaches elektronisches Videospiel entwickelte das die Koordination der linken und der rechten Hand bte Der n chste Simulator war dann mit einem fr hen Personal Computer verbunden wobei Reibungsbremsen die Bewegung des Puppenkolo skops mechanisch begrenzten Bereits damals erm glichte das System das Her vorrufen von akustischen Signalen wie St hnen oder Protest des Patienten wenn berm ige Gewalt oder Insufflation angewendet wurden J Hochberger et al in 2003 Diese Prototypen wurden als Mk I Mk 3 bezeichnet Die ersten ffentlich vorgestellten Endoskopiesimulatoren von Gillies
261. rchf hrung der Abfolge ein tieferes Eindringen als zuvor erzielt wurde Dem Diagramm ist zu entnehmen dass die bei 20 Ein dringtiefe im Signum beginnende Bewegung anfangs ca 40 erreicht und sich nach 20 Durchg ngen erstmals auf 60 erh ht Dieses Optimum wird bei weite ren Versuchen nur noch gelegentlich verlassen Abb 9 13 180 EndoSim 9 2 Automatische Hilfe und F hrung s DEED OD GO GDGDO OGD aoammac 60 E i TE h 2 OD DV CO ODO of 50 n r amp 00 o oo d 1 r t m40 i t n W e 30 7 i O87 6 8 8 y HOR i s 20 f oe ec 40 86 ee 09 0 0 amp U eco 000 coe 00000000 e oe oossoo an atad oe ee so e e o Rotation pessss ere L 10 x Handr der Ende e Vorschub amp Start Skala 0 O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Durchg nge Abbildung 9 13 Das Diagramm zeigt wie sich die Schrittweiten Rotation um die Schlauchachse Handr der und Vorschub in kleinen Schritten ihrem Idealwert n hern Als zu optimierende Zielfunktion f wurde ein m glichst tiefes Eindringen gew hlt 9 2 4 Optische und haptische Richtungsempfehlung Abh ngig davon ob die Funktion HelpDir oder die Funktion HelpAuto aufge rufen wurde werden die aus der Berechnung resultierenden Empfehlungen dem Benutzer mitgeteilt Abb 9 14 Optische Ausgabe der Empfehlung Wurde HelpDir gew h
262. rde von dieser verbreiteten Formel Abstand genommen Stattdessen wurden analog zum zweidimensionalen Fall Winkel und Strecken bestimmt Durch Betrachtung der Zusammenh nge zwischen den Strecken ox o und o und der Sekante im dreidimensionalen Raum ergibt sich der folgende Zusammenhang Orientierung des Objektivs im Raum ab Seite 206 sin 2 gt Objekti gt Objekti in 2 Os w fe gt g sin 7 9 6 sin 2 cos sin cos cos cos g Dabei ist der Betrag des Vektors g m zwischen dem Ursprung des Koor dinatensystems und dem Objektiv noch nicht definiert Die Bestimmung dieser im Raum liegenden Sekante so p lo erfogt iiber Grenzwertbetrachtungen Abstand des Objektivs vom Ursprung ab Seite 207 in sin2 sin Sin feg 9 7 56 0 4l Dieses Ergebnis in die vorherige Gleichung eingesetzt ergibt eine symmetri sche Formel F r die beiden Grenzf lle p 0 bzw 0 0 entsteht eine zwei dimensionale Abbildung die den Betrachtungen der x z bzw der y z Ebene ent spricht gt Abbildungen vom Drei ins Zweidimensionale ab Seite 203 EFN 167 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme Um die bisher noch nicht ber cksichtigte Rotation um die Schlauchachse mit dem Winkel a bez glich der z Achse zu ermitteln wird zun chst die passende Drehmatrix bestimmt Bestimmung der Drehmatrix ab Seite 208 cosa sina 0 M a sina cosa 0 9 8 0 0 1 Durch
263. ren Anwendungen beschrieben Darauf folgend werden die Probleme welche sich im medizinischen Einsatz ergeben dargelegt und es wird gezeigt wie sie durch eine entsprechende Ausbildung in den Griff zu bekommen sind 2 Einf hrung in die Thematik 2 1 Endoskopische Untersuchungen 2 1 1 Endoskopie Endoskopie wird sowohl in der Technik ausf hrlich in als auch in der Medizin eingesetzt Im Folgenden wird ausschlie lich die medizinische Nutzung betrachtet welche der Pschyrembel 2007 folgenderma en definiert Ausleuchtung u Inspektion von K rperhohlr umen u Hohlorganen mit Hilfe eines Endoskops als diagnost E mit der M glichkeit zur Entnahme einer Gewe beprobe Biopsie zur histol Untersuchung evtl in Komb mit R ntgendiagno stik z B als ERCI s ERCPP od Ultraschalldiagnostik Endosonographie sowie zur Durchf hrung kleinerer op Eingriffe unter visueller Kontrolle z B Elektro od Laserkoagulation endoskop Polypektomie Papillotomie Fremdk r perentfernung Sklerosierung bzw Gummibandligatur von Osophagusvarizen Endoskope Ein Endoskop muss Folgendes zur Verf gung stellen k nstliches Licht Licht einspiegelung auf das zu untersuchende Objekt und Lichtleitung f r getrennte Lichtein und R ckstrahlung zum beobachtenden Auge vgl Gr nfeld 1879 Da her besitzt es Objektiv und Okular sowie eine Beleuchtungseinrichtung jhaus 2006a Da es heute m glich ist das Bild auch elektronisch z
264. rformance based Assessment Criteria on a Computer based Endoscopy Simulator In Journal of Medical Education 77 2002 Juli Nr 7 S 750 751 ISSN 0022 2577 Sedlack und Kolars 2003a SEDLACK R E KOLARS J C The Effects of Computer Simulator Trai ning on Patient Based Sigmoidoscopy by Residents In Gastrointestinal En doscopy 57 2003 April Nr 5 S 1495 ISSN 0016 5107 Sedlack und Kolars 2003b SEDLACK R E KOLARS J C Validation of a computer based colonos copy simulator In Gastrointestinal Endoscopy 57 2003 Februar Nr 2 S 214 218 http dx doi org 10 1067 mge 2003 81 DOI 10 1067 mge 2003 81 ISSN 0016 5107 Sedlack et al 2004a SEDLACK R E KOLARS J C ALEXANDER J A Computer si mulation training enhances patient comfort during endoscopy In Cli nical Gastroenterology and Hepatology 2 2004 April Nr 4 S 348 352 DOT 10 1016 81542 3565 04 00067 9 ISSN 1542 3565 i 255 LITERATURVERZEICHNIS Sedlack et al 2004b SEDLACK R E KOLARS J C ALEXANDER J A Computer Simula tor Training Enhances the Competency of Gastroenterology Fellows at Co lonoscopy Results of a Pilot Study In The American Journal of Gastro enterology 99 2004 Januar Nr 1 S 33 37 10 1111 4 1572 0241 2004 04007 x DOI 10 11114 1572 0241 2004 04007 x Seidel 2006 SEIDEL W Werkstofftechnik Werkstoffe Eigenschaften Pr fung Anwen dung 7 Auflage M
265. rgebnis Das Ergebnis ist ein stabil am Schlitten befestigter Motor der sowohl spielfrei als auch ausgleichend an den Schlauch gekoppelt ist Das geringe Getriebespiel von 0 7 ist ber den langen Schlauch nicht wahrzunehmen Zusammen mit der auf 0 0375 genauen Positionsbestimmung ergibt sich f r den Benutzer sowohl ein realistisches Gef hl als auch eine pr zise Reaktion auf sein Drehen am Schlauch Durch Reibung in Motor und Getriebe entsteht ein durch den Benutzer zu berwindendes Drehmoment Dies schr nkt die Realit tstreue jedoch nicht ein da einerseits auch bei realen Untersuchungen durch Reibung eine Untergrenze f r das minimale Drehmoment existiert andererseits dieser Effekt kompensiert wird Erweiterung des deskriptiven Modells um Drehmomente ab Seite 151 Indem der vorhandene Platz durch einen m glichst gro en Motor genutzt wird und zus tzlich ein Getriebe zum Einsatz kommt bertrifft das erzeugbare Dreh moment deutlich die maximalen Anforderungen Das erm glicht wiederum die realistische Simulation verschieden starker Hindernisse im Extremfall auch eines nicht zu berwindenden ee Sn 107 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software 6 2 Elektronische Ansteuerung Abbildung 6 7 Der Motor ist mit einer zweiteiligen Halterung am Schlitten befestigt Die Kraft bertragung erfolgt ber eine Klauenkupplung Eine der Klauen ist zentrisch ber eine Achse in der Buchse befestigt die andere Klaue ist
266. rhandene Simulation sind folgende Kr fte grafisch ber Balkenanzeigen gezeigt vom Endoskopschlauch auf den Darm vorgegeben e Eine frontale Kollision der Endoskopspitze mit der Darmwand f hrt zu ei ner translativen R ckstellkraft P24 am Schlauch Die Kraft nimmt mit der Einf hrtiefe ab da sich das Endoskop verst rkt an die Darmwand an schmiegen kann e Im Colon sigmoideum und im Colon transversum kann es zur Bildung von Darmschlingen kommen Wegen der starken Kr mmung des Darmes er gibt sich eine gro e Normalkraft die zu Haftreibung zwischen Endoskop schlauch und Darmwand f hren kann Tritt dies auf entsteht eine translative R ckstellkraft FY kenn am Schlauch die auf dem Bestreben des Darmes beruht in seine Ausgangslage zur ck zu gelangen m E 137 7 Funktionen fiir Komfort und Evaluation e Wegen der Reibung zwischen Endoskop und Darmwand tritt eine translative Reibungskraft Fa lt lauch am Schlauch auf Diese Reibung nimmt Translationsreibung bei einem kurvigen Verlauf des Endoskops zu e Zum Drehen des Schlauches ist an dessen Oberfl che die Kraft F20Mvch er forderlich Sie ergibt sich aus der Reibungskraft zwischen dem rotierenden Schlauch und dem Darm von der Winkelgeschwindigkeit und der Eindring tiefe abh ngig und beim Auftreten von Darmschlingen zus tzlich durch ein unsymmetrisches Drehmoment von der Deformation abh ngig Erwei terung des deskriptiven Modells um Drehmomente
267. ringer Verlag GmbH 2002 ISBN 3 5406 4192 0 gebundene Ausgabe Tipler et al 2006 TIPLER P A MOSCA G PELTE D Physik F r Wissenschaftler und Ingenieure Revidierter Nachdruck der 2 Auflage 2004 Heidelberg Spektrum Akademischer Verlag 2006 Spektrum Lehrbuch ISBN 3 8274 1164 5 Traverso 2002 TRAVERSO L W Guidelines for granting of privileges for gastrointesti nal endoscopy focus on outcomes not number of procedures performed In Surgical Endoscopy 16 2002 Februar Nr 2 S 229 doi org 10 1007 s00464 001 0072 9 DOI 10 1007 s00464 001 0072 9 ISSN 0930 2794 TSB 89 A 2006 Norm TSB 89 A 2006 Januar 2006 Application Guidelines for TIA EIA 485 A TSB 89 A 2006 Telecommunications Industry Association TIA Ar lington VA Tumorregister Miinchen 2007 TUMORREGISTER M NCHEN TUMORZENTRUM M NCHEN Hrsg berleben C18 C20 Darmtumor B sartige Neubil dung des Dickdarms TNM Kategorie Relatives berleben Internet 260 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS http www tumorregister muenchen de facts surv Version Februar 2007 UICC et al 2007 UICC WITTEKIND C MEYER H J BOOTZ F UNION INTERNA TIONALE CONTRE LE CANCER Hrsg TNM Klassifikation maligner Tumoren 6 Auflage Berlin Springer 2007 ISBN 3 5404 3664 2 U S National Library of Medicine 2007 U S NATIONAL LIBRARY OF MEDICINE The Visible Human Project Inter net
268. rn auch das Bild des Darmes und die akustischen Meldungen des Patienten der Aufnahme ber den Bedienbereich oder ber Tastatur l sst sich die Wiedergabe kom fortabel steuern Indem sich Funktion und Schnittstelle analog zu bekannten An wendungen verhalten ergibt sich f r den Benutzer eine intuitive und damit leicht zu erlernende Bedienung Daf r wurden die Funktionen so implementiert wie sie im Bereich der Medienwiedergabe z B bei Video oder bei Kassettenrecordern blich sind r TI 161 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme Durch Bet tigen des gt Knopfes oder der Taste P l sst sich die Wieder gabe starten anhalten und auch wieder fortsetzen Durch den I Knopf oder die Taste R wird die Aufnahme auf die Anfangsposition zuriickgesetzt Uber den schnellen Vor und R cklauf gt gt und bzw Tasten F und B ist das Abspie len in doppelter dreifacher oder vierfacher Geschwindigkeit m glich und dies sowohl in urspr nglicher als auch in umgekehrter Richtung Damit wird das schnelle Erreichen eines gew nschten Bereiches der aufge zeichneten Untersuchung erm glicht um dort durch mehrfaches Abfahren eines schwierigen Abschnittes die erforderliche Technik zu erlernen 9 1 3 Wechsel zum freien Training und zur ck zur F hrung Vergleichbar mit der intuitiv zu bedienenden Steuerung der Wiedergabe l sst sich
269. rogol besteht aus inerten Polymeren von Ethylenglykol die im Darm Fl ssigkeit binden den Darminhalt erweichen und dadurch den Stuhlgang erleichtern F r die Koloskopie ist eine vollst ndi ge Darmentleerung n tig f r die innerhalb von 2 6 Stunden 3 4 Liter der ge brauchsfertigen L sung zu trinken sind Sowohl das Trinken der salzigen L sung als auch die sich daraus ergebende stark abf hrende Wirkung werden von Patien ten h ufig als sehr unangenehm beschrieben vgl 2006 Dies gilt auch f r die Durchf hrung der Untersuchung die besonders oft bei j ngeren weiblichen Patienten nach Operationen schmerzhaft ist vgl 2007a Sie dauert bis zum Erreichen des Ileoz kalpols durchschnittlich 9 bis 10 2 Minuten vgl von Delius et al 2006 Dazu kommen mindestens 6 Minu ten vgl Barclay et al 2006 fiir die darauf folgende sorgfaltige Betrachtung des Darmes beim Zur ckziehen des Endoskops und eventuell weitere Zeit f r Eingrif fe Zusammen ergibt das durchschnittlich 22 7 Minuten vgl Wexner et al 2001 Die Schwierigkeit beim Hineinschieben des Endoskops bis zum Caecum er gibt sich durch den Aufbau des Colons Abb 2 4 Blinddarm Colon trans versum und Sigma sind vollst ndig von Peritoneum berzogen und nur durch ein d nnes Aufh ngeband das Mesokolon Dickdarmgekr se elastisch mit der hin teren Bauchwand verbunden Menche 2003 Wird das Dickdarmgekr se beim Koloskopieren gedeh
270. roller AT90S4433 Die Auswertung der Signale des Encoders ist eine der Aufgaben des zur zentra len Verwaltung der ein und ausgehenden Daten eingesetzten Microcontrollers Dieser wurde nach Preis Leistungsverhalten und Leistungsbedarf ausgew hlt F r den frei programmierbaren Microcontroller AT90S4433 des Herstellers 2006 spricht neben der guten Verf gbarkeit des Bauteils der Tools und der Software auch der g nstige Preis und die AVR Architektur Bei einem Vergleich der vom Mitbewerber Maxim Integrated Products und Dallas Semiconductor 2004a b neu eingef hrten MAXQ Architektur mit den verbreiteten Architekturen MSP 430 PIC und AVR sind die Ergebnisse bei den traditionellen Microcontrollern f r die AVRs meist am besten Dies gilt u a f r die Codedichte die Ausf hrungsgeschwindigkeit und auch beim Vergleich der Vor und Nachteile der verschiedenen Befehlss tze Speziell f r die vorliegenden Anforderungen ist der Einsatz des Low Power AVR 8 Bit RISC Controllers giinstig denn seine Betriebsspannung entspricht SSowohl hier als auch zwei mal f r den Line Receiver wird der Operationsverst rker TL 081 eingesetzt Er hat folgende technische Daten Slew Rate 13 V us re 10 MQ Vo 100 000 iA moe 25mA und Ug max 18 V vgl Mechelke 1989 6Reduced Instruction Set Computing Ein RISC Befehlssatz verzichtet konsequent auf kom plexe Befehle wodurch die Ausf hrung durch den Rechner einfacher und dadurch s
271. schengespeicherten Ergebnisse des unver nderten Teils m ssen nur noch die abweichenden Bewegungen des nachfolgenden Teils der Ab folge berechnet werden So werden beispielsweise bei der Berechnung des letzten Bewegungsschrittes die im vorherigen Absatz beschriebenen Werte des vorletzten Schrittes bernommen und dann ausschlie lich f r den letzten Schritt die Kraft neu bestimmt Auf diese Weise verhindert die Schritt Optimierung unn tige Wie derholung von Rechenschritten rn 175 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme Bereichs Optimierung Eine Bewegung kann sich verschieden bez glich der Eindringtiefe auswirken Durch Vorw rts bzw R ckw rtsbewegung kann eine Position erreicht werden die einen Schritt vor bzw hinter der Ausgangsposition liegt Ein Bewegungs schritt kann sich jedoch auch neutral bez glich der Eindringtiefe verhalten Dies gilt wenn Drehbewegungen ausgef hrt werden oder wenn bei einer Vorw rtsbe wegung das Koloskop in die Darmwand gedr ckt wird so dass absolut gesehen kein Vorankommen erzielt wird Daher k nnen prinzipiell nur Positionen im Darm erreicht werden die in einem Bereich um die Startposition liegen der durch die Schrittweite der Vorschubbewegung multipliziert mit der Anzahl der Bewegungs schritte definiert ist noch zwei noch eine fertig Bewegungen Bewegung nl ggf Abbruch Tt ggf Abbruch
272. senkrechte Kraft am freien Ende des Stabes d seine Dicke und b seine Breite E ist das Elastizit tsmodul und r der Kr mmungsradius 1 gt F 8 21 r Da sich die Kr mmung der Raumkurve sowie die Kraft auf die Darmwand antiproportional zum Kr mmungsradius verhalten ergibt sich eine Proportionali t t zwischen Kr mmung und Normalkraft Kt F t 8 22 Die gesamte auf den Koloskopschlauch wirkende Normalkraft Fy folgt durch 156 EndoSim 8 2 Force Feedback System Integrieren der Kr fte F t auf den Darm vom Rektum bis zur Endoskopspitze Endoskopspitze Fy K t ds 8 23 Rektum Durch Einsetzen dieser Kraft in die Formel fiir die Reibungskraft ergibt sich pr chlauch Colon Rotationsreibung schlauches gilt die Proportionalit t auch f r das Drehmoment Wegen des durchweg konstanten Durchmessers des Endoskop MM Schlauch Colon Rotationsreibung Endoskopspitze Schlauch Colon Schlauch Colon M Rotationsresbung 2 F Rotationsreibung vb K t ds 8 24 Rektum Kompensation oder Verst rkung des Drehmomentes Die drei vorgestellten Drehmomente werden aufsummiert und als Drehmoment Mpchlauch ber den neu realisierten Antrieb zur Rotation um die Schlauchach se ausgegeben Meist erfolgt die Erzeugung des Drehmomentes symmetrisch im Falle von Darmschlingen jedoch richtungsabh ngig Dabei wird das durch Motor und Getriebe vorhandene Drehmoment und die Drehrichtung ber cksichtigt Soll das
273. sgabe und das besonders kritische haptische Feedback gelegt nn E 79 4 Zielstellung 4 4 1 Akustik Laut u erungen des Patienten w hrend einer Untersuchung geben dem Arzt in der Praxis ein zus tzliches Feedback Er muss dann schnell entscheiden ob er sie ignoriert oder ob er sein Vorgehen ndert Dass bei zu starker Dehnung des Gewebes eine ad quate akustische Ausgabe erfolgen soll ist daher auch eine der Forderungen an einen Koloskopiesimulator die w hrend des zuvor genannten Ge spr chs mit Herrn Dr med F M Reimann erhoben wurde Die beiden im letzten Kapitel vorgestellten kommerziellen Simulatoren be sitzen eine akustische Ausgabe Obwohl der Lerneffekt umso gr er ist je mehr Sinneskan le angesprochen werden bietet jedoch keines der vier vorgestellten Forschungsprojekte akustische Information zum Wohlbefinden des Patienten an Daher soll mit EndoSim der erste nicht kommerzielle Koloskopiesimulator entste hen bei dem dieses wichtige Feedback implementiert ist 4 4 2 Haptik Erfordernisse an die Haptik Ein wichtiges Ziel beim Erlernen des Koloskopierens stellt das tiefe Eindringen mit dem Endoskop bis zum Caecum bzw bis zum terminalen Ileum dar Die gr te Schwierigkeit ist dabei das Verhindern bzw Aufl sen von Darmschlingen Dies kann so kompliziert werden dass der Ausf hrende keine M glichkeit findet wei ter zu kommen In der Praxis hilft nur Erfahrung um F lle bei denen die Unter suchung vorzei
274. sind die Handr der zu sehen mit denen ber einen Bowdenzug die Spitze des hier nach links laufenden Schlau ches bewegt werden kann Der nach oben laufende Schlauch f hrt zur Versorgungsstation Die praktische Ausbildung beginnt meist mit dem Steuern der Endoskopspitze ber diese Handr der In der Regel erfolgt das Halten des Handteils und das Drehen der beiden R der mit der linken Hand so dass f r das Bewegen des Schlauches die rechte Hand frei bleibt Ein mit aktivem Force Feedback ausgestatteter Nachbau wird bei EndoSim eingesetzt 84 EndoSim 5 2 Mechanik 5 2 Mechanik 5 2 1 Weiterer Antrieb f r viertes Force Feedback Bis jetzt bot EndoSim ein aktives Force Feedback auf drei Freiheitsgraden an EndoSim ab Seite 69 Um der Forderung nach aktivem Force Feedback auf allen der m glichen vier Freiheitsgrade nachzukommen muss f r die Rotation um die Schlauchachse ein zus tzlicher Antrieb realisiert werden Dessen Verwirklichung ist schwierig da der Endoskopschlauch an den be weglichen Schlitten gekoppelt werden muss und der dort zur Verf gung stehende Platz durch das F hrungsrohr beschr nkt ist Die Positionsbestimmung erfolgt bei den drei vorhandenen Antrieben ber einen mit dem jeweiligen Motor gekoppelten Encoder F r den vierten Freiheits grad wurde ein unabh ngiger Positionsgeber eingesetzt Bei der Realisation eines Antriebs f r diesen Freiheitsgrad ist daher darauf zu achten dass auch hier die Positionsbe
275. stimmung erhalten bleibt 5 2 2 Aktives Force Feedback und Positionierung Das Anfahren bestimmter Positionen war bei EndoSim in Bezug auf die Rotation um die Schlauchachse wegen des fehlenden Antriebs prinzipiell nicht m glich Auf den drei aktiven Freiheitsgraden ist ein Antrieb schon vorhanden jedoch war auch hier keine Positionierung vorgesehen F r die neuen Trainingsmethoden m ssen die Antriebe neben Force Feedback im Simulationsmodus auch das F hren des Benutzers im Wiedergabemodus einem speziellen Positioniermodus auf allen vier Freiheitsgraden erlauben Abb 5 2 Dies erfordert f r jeden der Antriebe Folgendes e Genaue und schnelle Bestimmung der aktuellen Position e Generieren von ausreichend gro en Kr ften in variabler St rke e Eine Ansteuerung die je nach Modus einen Regelkreis f r das Erzeugen des Force Feedbacks bzw das Anfahren einer bestimmten Position erm glicht u nO 85 5 Umsetzung Das Anfahren von Positionen muss dabei h ufig z gig und pr zise erfolgen k n nen Wie im n chsten Kapitel ausf hrlich gezeigt wird wurde dies bei der neu realisierten Kombination aus Antrieb und Ansteuerung f r die Rotation um die Schlauchachse gleich ber cksichtigt Die vorhandenen Antriebe mussten jedoch umgebaut werden um dies zu erm glichen denn u a war der Verschlei bei den Handradantrieben zu gro und die Geschwindigkeit des Vorschubs f r das Posi tionieren zu hoch
276. suchungen unter Aufsicht bis zur Selbstst ndigkeit von Cass 1999 und der American Society for Gastrointestinal Endoscopy 2002 Die Anzahl an geforderten Untersuchungen zu Trainingszwecken ist im Laufe der Zeit gestiegen vgl Moorthy et al 2004 Im Vorwort zu der gemeinsamen Erkl rung der drei Berufsverb nde SAGES ASGE und ASCRS steht da 30Society of American Gastrointestinal Endoscopic Surgeons 31 American Society for Gastrointestinal Endoscopy 32The American Society of Colon and Rectal Surgeons 20 EndoSim 2 2 Ausbildung und Qualit tsmanagement zu There has been considerable variability among professional societies in the numbers of procedures required to assess the competence of trainees As additio nal studies have been performed it is clear that more procedures are needed than were previously recommended to ensure competency Wexner et al 2002 Probleme der Ausbildung Beim Studium der Ausbildungsrichtlinien f llt auf dass sie recht allgemein ge halten sind insbesondere bei der Frage nach der optimalen Lehrmethode Das Durchf hren von Untersuchungen unter Aufsicht ist oft nicht optimal So finden es rzte rgerlich wieder die Rolle eines Anf ngers zu bernehmen vgl Thuraisingam et al 2006 berraschenderweise ist wenig dar ber bekannt wie Endoskopie am besten gelehrt wird und das Training ist oft inad quat F r den Patienten sind Untersuchungen durch Anf nger u
277. sultat ist eine einheitliche kosteng nstige L sung F r den mobilen Einsatz ist von Vorteil dass der gesamte f r den Vorschub n tige Aufbau nun viel kompakter ist des Weiteren dass die Verkabelung einfacher und bersichtlicher geworden ist und sich das Gesamtgewicht der f r den Vorschubantrieb eingesetz ten Teile von 15 kg auf 0 75 kg reduziert hat Die Positionsbestimmung ber die Signale des Encoders erfolgt sicher und das bertragen der Daten in beiden Richtungen geschieht so schnell dass es nur durch die Leistung des Computers begrenzt ist Mit passender Software erfolgt die Ansteuerung ber den Computer f r beide Antriebe einheitlich und unabh ngig vom Betriebssystem mit geringem Ressourcenverbrauch 122 EndoSim 6 3 Software 6 3 Software In diesem Abschnitt wird die Umsetzung wichtiger Anderungen und Erweiterun gen der Software dargestellt Auf detaillierte Beschreibungen des Programmierens wird verzichtet da dabei weitgehend die tiblichen Programmiermethoden des ob jektorientierten Programmierens in C eingesetzt wurden vgl 2000 Stattdesen wird der Schwerpunkt auf die prinzipielle Vorgehensweise gelegt Es wird beschrieben wie Instabilit ten und Inkompatibilit ten bek mpft wurden welche Einstellungs und Kontrollm glichkeiten dazu kamen und wie die Ein und Ausgabem glichkeiten f r die neuen Trainingsm glichkeiten erweitert wur den Spezielle Berechnungen f r die neuen Funktionalit ten werden a
278. t eher ein Resultat der nicht ausreichenden Simulation Nach der Befragung von Sedlack und Kolars 2003b ist das L sen von F llen in der Simulation der Koloskopie leichter als bei der Ausf hrung am Patienten Dies erkl rt auch weshalb in der Studie von Varley et al 2006 die Experten zu 100 die Koloskopie vollst ndig ausf hrten Mit vergleichbarer Erfahrung werden bei Untersuchungen am Patienten jedoch nur ca 92 u erreicht 3 3 3 Virtual Endoscope System Als erstes Forschungsprojekt soll das japanische am Department of Micro System Engeneering entwickelte Virtual Endoscopy System VES vorgestellt werden Simulation F r die Simulation wurde der Colon anhand von CT Bildern als Aneinanderrei hung von visoelastischen Zylindern mit unterschiedlichem Durchmesser konstru iert das Koloskop als eine Reihe von St ben die ber Gelenke verbunden sind Die durch Aufsummieren der berechneten Kr fte gewonnene Gesamtkraft wird ber das haptische Interface ausgegeben vgl 1998 6Die Durchschnittliche Anzahl an durchgef hrten Untersuchungen der Experten ist bei 2006 mit 455 6 angegeben Nach Wexner et al 2001 gilt f r 201 bis 500 durchgef hrte Untersuchungen 92 53 f r 501 bis 1000 durchgef hrte Untersuchungen 90 99 60 EndoSim 3 3 Computersimulatoren Haptik Den verschiedenen Varianten der Haptik ist gemeinsam dass ein handelsiibliches Endoskop eingef hrt wird und die Kr fte ber Reibun
279. t Main Deutsch 2005 ISBN 3 8 1712 006 0 Bullen 2004 BULLEN P S Mathematics and Its Applications Bd 560 Handbook of Means and Their Inequalities 2 revidierte Auflage Dordrecht Niederlande Springer 2004 ISBN 1 4020 1522 4 Buzink et al 2007 BUZINK S N KOCH A D HEEMSKERK J BOTDEN S M B I GOOSSENS R H M DE RIDDER H SCHOON E J JAKIMOWICZ J J Acquiring basic endoscopy skills by training on the GI Mentor II In Surgical Endoscopy 2007 Mai DOI 10 1007 s00464 007 9297 6 ISSN 0930 2794 Cao und Milgram 2000 CAO C G L MILGRAM P Disorientation in minimal acces surgery A case study In Proceedings of the IEA 2000 HFES 2000 Congress 2000 4 S 169 172 Cass 1993 CASS O W Objective evaluation of endoscopy skills during training In Annals of Internal Medicine 1993 Nr 118 S 40 44 Cass 1999 CASS O W Training to Competence in Gastrointestinal Endoscopy A Plea for Continuous Measuring of Objective End Points In Endos copy 1999 Nr 31 S 751 754 DOI 10 1055 s 1999 148 ISSN 0013 726X Catalano et al 2000 CATALANO F CATANZARO R BRANCIFORTE G BENTIVEGNA C F CIPOLLA R BROGNA A SALA L O MIGLIORE G PATERNUOSTO M Colonoscopy technique with an external straightener In Gastrointestinal Endoscopy 2000 Mai Nr 51 S 600 604 ISSN 0016 5107 222 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS Catm
280. t berechnet sich aus dem Getrie befaktor dem Getriebewirkungsgrad dem Anlaufstrom von 18 6 A und der Dreh momentkonstante mit 53 8 N Werte aus 2003 Daraus l sst sich analog zur Gleichung 6 3 die kurzzeitig erreichbare translative Kraft bestimmen Fi 24 730N 6 3 mN M 4 8 0 8 18 6 A 53 8 Z2 3842 611mNm 6 4 M 3842 611mN Bee oN 6 5 30mm 2 Bei realen Endoskopien treten nach Appleyard et al 2000 bei der Translation maximal die folgenden Kr fte auf e Druck 43 164 N e Zug 17 658 N Ein Vergleich mit diesen Kr ften zeigt dass der neue Motor durch das Getriebe u nO 95 6 Entwicklung von Mechanik Elektronik und Software trotz viel geringerer Gr e und Leistung 60 statt 425 W vgl 2004 mehr als ausreichend starke Kr fte erzeugen kann Die zum Bewegen des Motors aufzuwendende Kraft liegt bei Leerlauf im Bereich der Reibung des Schlittens und ist damit um Gr enordnungen kleiner als die maximal m gliche Kraft Die Aufl sung des Encoders pro Umdrehung ergibt sich aus der Impulszahl multipliziert mit vier da die beiden um eine viertel Periode verschobenen Kan le A und B eine Aufl sung in Quadcounts erlauben gt Line Receiver ab Seite 120 Zus tzlich wird der minimal aufl sbare Winkel AYgneoder um das Untersetzungs verh ltnis von 4 8 1 kleiner 360 AW Encoder 0 0375 6 6 Viner Snes co Die Auswirkungen der beschr nkten Encoderaufl su
281. tig abgebrochen werden muss m glichst niedrig zu halten Sowohl als auch und fordern daher dass ein Trainingssimulator helfen soll die Bew ltigung der schwierigen Begradigung von Darmschlingen zu erlernen Wegen m glichen negativen Trainings sehen Gillies et al 1992 das Fehlen sogar als gef hrlich an Trotzdem kann von den sechs aktuellen Computersimulatoren nur jeder zwei te Darmschlingen darstellen Der KAIST Ewha und EndoSim beherrschen diese Simulation Da sie beim G Mentor nicht m glich ist ist es kaum verwunderlich dass die Untersuchung als viel zu leicht beschrieben wird Jedoch wird auch das Training am Darmschlingen simulierenden AccuTouch als zu einfach beurteilt 80 EndoSim 4 4 Realit tstreue maximieren Vorhandenes Force Feedback Da es f r den Auszubildenden am Simulator essentiell ist die berwindung von Darmschlingen anhand sp rbarer Kr fte zu trainieren ist eine mangelhafte bzw vollst ndig fehlende Simulation durch ein eingeschr nktes Force Feedback Sys tem kontraproduktiv Daher ist eine hohe Realit tstreue der Kr fte erforderlich Diese ist umso besser je mehr Freiheitsgrade mit Force Feedback ausgestattet sind Das Force Feedback kann dabei entweder passiv durch Bremsen oder aktiv durch einen Antrieb erfolgen Ein aktives Force Feedback ist die bessere Alter native denn es kann Bewegungen die ber den elastisch aufgeh ngten Darm auf das Koloskop bertragen werden simulieren F r eine opt
282. tte wurden die Schmerzen einer realen Untersuchung von Patienten selbst anhand einer Skala nach Likert 1932 von 1 bis 10 bewertet 1 keine Schmerzen 10 schlimmste Schmerzen des Lebens Die Trainierten schnitten im Durchschnitt um einen Punkt besser ab vgl auch mit Sedlack und Kolars 2003a Mittels acht Parametern wurde zus tzlich die Leistung von den Ausf hrenden selbst und vom Aufsichtspersonal bewertet W hrend die trainierten Auszubildenden sich vorteil hafter einsch tzten wurden ihre Leistungen vom Personal nicht besser bewertet Mittlerweile wurde der AccuTouch Endoscopy Simulator auch als Trainings ger t f r die Koloskopie begutachtet Zuerst soll betrachtet werden ob sich der Simulator f r die Unterscheidung verschiedener Leistungsniveaus einsetzen l sst Wie dies durch die vom Simulator aufgezeichneten Parameter erfolgen kann beschreiben 2002 Indem sie die Leistungen w hrend des Lernprozesses mit Leistungen verschieden erfahrener Gruppen vergleichen ver suchen sie auch auf das erforderliche Training zu schlie en F r diesen Test lie Ben zwei Untersuchungen am Simulator von zehn Anf ngern sechs Lernenden und sechs Praktizierenden durchf hren Es wurde festgestellt dass von zehn aufgezeichneten Parametern drei vom Leistungsniveau abh ngig sind Bei den anderen sieben bestehen keine signifikanten Unterschiede Die Praktizierenden bewerteten die Simulation als realistisch die Durchf hrung der Untersuch
283. ttlere Kraft beim Einf hren 139 re 140 7 4 3 Absolute und prozentuale Zeit des Endoskops im Lumen 141 xiii 8 Optimiertes haptisches und neues akustisches Feedback 143 8 1 Akustische Ausgabel 2 2 202er nen 144 8 1 1 Auswahl der relevanten Kr fte 2 22 2 2 144 8 1 2 Bestimmung der Intensit t 2 2222 145 PERF TEIRER 146 8 1 4 Aufzeichnung der Kl nge 2 222202 146 8 1 5 Auswirkungen der Tonausgabe 147 DR Go Ee WE aha aS we ate eS 148 8 2 1 Positionierungssystem f r vier Freiheitsgrade 148 8 2 2 Erweiterung des deskriptiven Modells um Drehmomente 151 9 Neue Trainingsm glichkeiten durch Leit und F hrungssysteme 159 9 1 F hrung anhand professioneller Vorgaben 160 9 1 1 Bewegungen aufzeichnen 160 ah HG BR Shae GSES 161 9 1 3 Wechsel zum freien Training und zur ck zur F hrung 162 9 1 4 Synchronisation der aktuellen Position zur Aufzeichnung 163 9 2 Automatische Hilfe und Fiihrung 171 9 2 1 Empfehlungen als Trainingsunterstiitzung 171 ae 171 ee 175 9 2 4 Optische und haptische Richtungsempfehlung 181 10 R ckblick und Ausblick 185 IT R ckblick ge 2 22 Se ene 2 4 2 a rating 186 paama gams EEE EEE EEE 186 CURR EEE Be 186 192 Ausblick 2 ie beh kee ESP aa sa aka 187 2188 ne 190 10 2 3 Ergonometrie 2 za Sasse 190 10 2 4 Externe Kompression und Umlagerung
284. u bertragen ist eine allgemeiner gefasste Definition g nstiger Aufgabe eines Endoskops ist es Licht in einen Hohlraum hinein und ein Bild herauszubringen Reling 1997 Das Endoskop ist je nach Anwendung ein starres oder flexibles schlauchf r miges Instrument zur Besichtigung von K rperh hlen Brockhaus 2006a Bei einem starren Endoskop Abb wird das Bild ber ein Linsen system durch das Rohr geleitet Vorteile dieser Bauart sind die relativ geringen Kosten f r die Herstellung eine einfache Bedienung des Instrumentes w hrend der Untersuchung und ein problemloses Reinigen danach Endoskopisch retrograde Cholangiographie Endoskopische R ntgenologische Kontrastmit teldarstellung der Gallenwege ohne Darstellung des Pankreasganges Endoskopisch retrograde Cholangiopankreatikographie Endoskopische R ntgenologische Kontrastmitteldarstellung der Gallenwege mit Darstellung des Pankreasganges 8 EndoSim 2 1 Endoskopische Untersuchungen Flexible Endoskope befinden sich in einem dreh und wendbaren Schlauch Das Bild wird ber ein geordnetes Glasfaserbiindel bertragen vgl Reling 1997 Dies erlaubt den Zugang zu gekr mmten Hohlr umen Aufgrund der Fase roptik nenn man sie auch Fiberendoskope oder Fibroskope fibra lat Faser Mit Drehkn pfen kann die Spitze bei hochwertigen flexiblen Endoskopen zus tzlich abgewinkelt werden sodass alle Bereiche einsehbar sind Sp l und Absaugvorricht
285. ucous membrane Tunica mu cosa Mukosa die das Innere von Hohlorganen auskleidende Schicht wird durch Driisensekrete feucht gehalten besteht aus Epithel u der darunter gelegenen bindegewebigen Lamina propria Die Sch des Magen Darm Trakts wird durch eine bes Muskelschicht Lamina muscularis muco sae von der Submukosa getrennt Pschyrembel 2007 R 33 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren 3 2 2 Biosimulationsmodelle Prinzip Da Kunststoffe nur in einem begrenzten Rahmen die Eigenschaften von Organen wiedergeben wird versucht durch den Einsatz von tierischem Gewebe die Reali t tstreue zu erh hen Abb 3 2 Diese Nachbildungen bei denen Pr parate von Schlachttieren zum Einsatz kommen werden als Biosimulationsmodelle bezeichnet Seit den 90er Jahren werden solche Modelle eingesetzt vgl 1995 Anwendung Einen einfachen Aufbau f r die diagnostische Gastroskopie Magenspiegelung stellt das Aufpinnen eines frisch gereinigten Schweinemagens auf eine Korkplatte dar vgl Freys et al 1995 Noar 19954 Die beiden bedeutendsten Biosimulatoren f r dieses Training sind heute der Erlanger Ausbildungssimulator f r die interventionelle Endoskopie EASIE und der Erlanger Endo Trainer Der gemeinsame Vorl ufer beider Modelle wurde 1997 von Hochberger et al 1998 Mai et al 1999 und Neumann tal 2000 vorgestellt Es werden speziell pr parierte Organpakete von Schweinen verwen det in die verschiedene Pat
286. ukturen Algorithmen und ihre Anwendung Mann heim Lehrstuhl f r Informatik 5 Universit t Mannheim Diss Okto ber 2003 http nbn resolving de urn resolver pl urn urn nbn de bsz 180 madoc 7213 URN urn nbn de bsz 180 madoc 7213 Wagner et al 2001 WAGNER C SCHILL M A HENNEN M M NNER R JENDRITZA B KNORZ M C BENDER H J Virtuelle Realit ten f r die augen chirurgische Ausbildung In Der Ophthalmologe 98 2001 April Nr 4 S 409 413 http dx doi org 10 1007 s003470170151 DOI 10 1007 s003470170151 ISSN 0941 293X Waye 1990 WAYE J D Colonoscopy without fluoroscopy In Gastrointestinal Endos copy 36 1990 Februar Nr 1 S 72 73 ISSN 0016 5107 Waye et al 2004 WAYE J D Hrsg REX D K Hrsg WILLIAMS C B Hrsg Colo noscopy Principles and Practice 1 Oxford Gro britannien Blackwell Publishing 2004 ISBN 1 4051 1449 5 Weiser 2005 WEISER F A Der Ferrari im Endoskopiekasten Zoomendoskopie ein technologischer Quantensprung ver ndert die Sicht der Dinge In Endoskopie m S 263 LITERATURVERZEICHNIS Aktuell Die Vierteljahreszeitschrift tiber flexible medizinische Endoskopie 2005 Oktober Nr 3 S 7 8 com endo documents Oly Info_ 05_1308 pdf Westman et al 2006 WESTMAN B RITTER E M KJELLIN A T RKVIST L WRED MARK T FELL NDER TSAI L ENOCHSSON L Visuospatial abil
287. ull und Rom 1974 CATMULL E ROM R A class of local interpolating splines In BARN HILL R E Hrsg REISENFELD R F Hrsg Computer Aided Geometric Design Academic Press 1974 S 317 326 Cakmak und K hnapfel 2000 AKMAK H K KUHNAPFEL U Animation and Simulation Techniques for VR Training Systems in Endoscopic Surgery In Eurographics Workshop on Animation and Simulation EGCAS2000 Interlaken Schweiz 2000 S 173 185 Cakmak et al 2002 CAKMAK H K MAASS H STRAUSS G TRANTAKIS C NOWATI US E KUHNAPFEL U Modellierung chirurgischer Simulationsszenarien fiir das Virtuelle Endoskopie Trainingssystem VEST In Proceedings of CURAC 1 Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft f r Computer und Ro boterassistierte Chirurgie 2002 1 Church und Delaney 2003 CHURCH J DELANEY C Randomized controlled trial of carbon dioxi de insufflation during colonoscopy In Diseases of the colon and rectum 46 2003 M rz Nr 3 S 322 326 http dx doi org 10 1007 DOI 10 1007 510350 004 6549 6 ISSN 0012 3706 Church et al 2002 CHURCH J OAKLEY J MILSOM J STRONG S HULL T Colonosco py training The need for patience patients In ANZ Journal of Surgery 72 2002 Februar Nr 2 S 89 91 DOT 10 1046 j 1445 2197 2002 02312 x Ciaccia 1998 CIACCIA D Endoscopic Ultrasound Teaching From Books to Real Time In Endoscopy 30 1998 Nr 7 S 653 655
288. um die aufw ndige Technik zu rechtfertigen insbe sondere wenn wie beim G Mentor Zweifel an der Aussagekraft bestehen vgl Ferlitsch et al 2002 F r einen Bruchteil des Geldeg stehen f r Anf nger diver se Trainingsmodelle zur Verf gung Trainingsmodelle ab Seite 3 1 Da die M glichkeiten von Trainingsmodellen begrenzt sind ist der Einsatz von Computersimulatoren insbesondere fiir Fortgeschrittene und Experten inter essant Jedoch zeigen gerade hier die Studien keine berzeugenden Vorteile Bei den Versuchen von verbessern sich schon Fortgeschrittene nicht mehr Dass Experten die ein noch h heres Leistungsniveau besitzen einen Nutzen aus dem Simulationstraining ziehen ist daher noch zweifelhafter So kom men auch Buzink et al 2007 zu dem Schluss dass bis auf den Prozentsatz der Zeit in der der virtuelle Patient starke Schmerzen hat bei den Experten keine deutliche Verbesserung auftritt Selbst diese kleine Verbesserung berzeugt nicht denn durch Ausnutzen der Schw chen des Simulators lassen sich schwierige Stellen durch Weiterschieben des Endoskops im Gegensatz zu einer realen Untersuchung schnell l sen Dies k nnte auch auch die Fortschritte der von gepr fen Experten bei den ersten beiden Versuchen erkl ren Weitere Verbesse rungen wurden nicht festgestellt was umso mehr gegen ein wirkungsvolles Trai ning spricht da es sich bei den Experten mit ber 200 durchgef hrten realen Untersuchungen eher um
289. und 1987 und von Baillie et al 1991 entwickelt hatten bereits eine Com putergrafik Aber auch Systeme mit Videobildern wurden gebaut Dabei wird bei den Ger ten von und eine vorher gefilm te Untersuchung den Aktionen des Anwenders entsprechend wiedergegeben Mit der Entwicklung eines interessanten und realistischen computergest tzten Simu lator s namens Robotics Interactive Endoscopy Simulation System RIES f r OGDs und ERCPs J Hochberger et al in wurde schon im Jahre 1986 begonnen Die Simulation von RIES beruht auf realen Endoskopie bildern der Simulator besteht aus einem mit Sensoren ausgestatteten Modellpati enten einem Dummy Endoskop und einem Computer vgl Noar und Soehendra 1992 Von Soehendra und Binmoeller 1992 wurde der Simulator u a wegen des Force Feedbacks durch variable Widerstandselemente als herausragend ge lobt wegen gro er Verz gerungen der Videotechnik jedoch auch kritisiert Sp ter mit einem aus generalisierten Zylindern visualisierten Darm vgl Gillies et al 1992 sophago Gastro Duodenoskopie Spiegelung der Speiser hre des Magens und des Zw lf fingerdarmes Dabei lassen sich Biopsien durchf hren und Polypen mit einer Schlinge entfernen m nO 39 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Ebenfalls mit einem passiven und statischen Force Feedback ausgestattet ist der von und entwickelte Simulator fiir Gastroskopie Damit l sst sich speziell die sc
290. und wie oft die Sicht verloren wurde W hrend die ben tigte Zeit bei Anf ngern mit ca 30 Minuten si gnifikant gr er ist finden sich bei den anderen Gruppen mit ca 5 Minuten keine deutlichen Unterschiede Die Sicht wurde von Anf ngern deutlich fter verloren nn aE 47 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Bei der Bestimmung des Realit tsgrades und des didaktischen Wertes durch Ex perten wurde die Haptik am schlechtesten bewertet Die letzte Frage ist ob ein Simulationstraining mit dem G Mentor zur Vorbe reitung auf reale Untersuchungen sinnvoll ist Eine Studie randomisiert verblindet und multizentrisch mit 16 Kliniken soll dies zeigen Daf r wurden von Cohen et al 2006 Anf nger in zwei Gruppen eingeteilt von denen die eine Gruppe ein unbeaufsichtigtes auf acht Wochen ver teiltes Training von insgesamt zehn Stunden am Simulator durchf hrte Teilneh mer beider Gruppen wurden dann w hrend ihrer ersten 200 wirklichen Kolosko pien von Aufsichtspersonen nach subjektiven und objektiven Kriterien bewertet Die Auswertung ergab dass nach den subjektiven Kriterien die Trainierten bei den ersten 100 Untersuchungen nach den objektiven Kriterien bei den ersten 80 Versuchen besser bewertet wurden Eine vergleichbare Studie mit Daten aus neun Kliniken kommt von et al 2006 Auch hier wurden zwei Gruppen gebildet acht Personen trainierten 16 Wochen mit dem Simulator die Vergleichsgruppe von sechs Perso
291. ung jedoch als zu einfach Anhand der leistungsbestimmenden Parameter von 27 Personen die w hrend einer Untersuchung am AccuTouch aufgezeichnet wurden versuchen Varley et al 2006 eine Experten von einer Anf nger Fortgeschrittenen Gruppe zu unter scheiden Dies gelingt da Experten viel schneller sind weniger Schmerzen be reiten seltener die Sicht verlieren das Zur ckziehen besser ausf hren die Anal Region genauer inspizieren und immer die Untersuchung vollenden Der Zusammenhang zwischen praktischer Erfahrung und den Leistungen am Simulator wurde auch von Mahmood und Darzi 2003 getestet Dazu wurden rzte anhand der Anzahl durchgef hrter Untersuchungen in drei Gruppen einge 56 EndoSim 3 3 Computersimulatoren teilt Elf Anf nger lt 10 sieben Fortgeschrittene 11 100 und sieben Erfah rene gt 100 Die Testpersonen f hrten mehrmals am Simulator Untersuchungen durch wobei jedesmal ein Trainingsmodul mit komplexen Darmschlingen zum Einsatz kam Unter Ber cksichtigung der verschiedenen Parameter ergibt sich ein deutlicher Unterschied zwischen den Gruppen Wird jedoch nur die zur ckgelegte Strecke betrachtet ist der Unterschied nicht signifikant Die Bedeutung der Haptik des AccuTouch demonstrierten Mahmood und Dar zi 2004 indem sie 26 Personen mit einem heterogenen Leistungsniveau jeweils fiinf mal ein Trainingsmodul mit deaktiviertem Force Feedback durchfiihren lie Ben Das Ergebnis keine
292. ungen sorgen beim Endoskop f r freie Sicht Zus tzlich kann ein Seitenkanal zum Einf hren von chirurgischen Instrumenten vorhanden sein um operative Eingriffe unter Sicht durchf hren zu k nnen Schubert 2000 Abbildung 2 1 In der Mitte ein starres au en ein flexibles Endoskop Das Handteil des flexiblen Endoskops f r die Navigation befindet sich hier auf der linken Seite Rechts lie gen der Anschluss an die Basisstation sowie im abgewinkelten Zustand das bewegliche distale Ende das f r Untersuchungen und Eingriffe in den K rper eingef hrt wird Bei der in den 80er Jahren eingef hrten Video Endoskopie erfolgt die ber tragung des Bildes auf elektronische Weise vgl 2003 Da durch kann auf das Linsensystem beim starren Endoskop bzw auf das geordnete Glasfaserb ndel beim beweglichen Endoskop verzichtet werden Bei Video Endoskopen Abb befindet sich der Farbchip am distalen Ende der Endoskope Weiser 2005 Das Bild wird elektronisch bertragen und dann auf einem Monitor dargestellt Dabei l sst es sich auch digital vergr ern Ein noch besseres Bild ist durch Zoomen m glich Die bis zu 150 fache Ver gr erung wird beim Olympus Zoomendoskop durch das Verschieben des Lin sensystems vor dem Farbchip mit Hilfe eines Motors erreicht Weiser 2005 in 9 2 Einf hrung in die Thematik Abbildung 2 2 Video Endoskopie wird sowohl bei der Kapsel Endoskopie als auch bei herk mmlichen En
293. ur Ausbildung jedoch die Richtlinie Gastroenterologie Ausbildung Training Endoskopie GATE 2002 die den Zweck der Fortbildungskurse folgenderma en festlegt 1 Vermittlung von aktuellen Standards in der Endoskopie Theorie 2 Gezielte Vermittlung von diagnostischen und therapeutischen endoskopi schen Techniken an Phantommodellen Praxis erg nzt durch Videodemon strationen und spezielle methodenbezogene Lehrinhalte Der Ausbildungsrichtlinie der American Society for Gastrointestinal Endoscopy 1999 ist zu entnehmen dass Auszubildende erfolgreich in der Magen Darm Endoskopie ausgebildet werden indem sie ihre F higkeiten durch ein praktisches Training erhalten bei dem sie unter Aufsicht eines erfahrenen Endoskopikers ber eine l ngere Zeitdauer Erfahrung sammeln Das Trainieren der diagnostischen und therapeutischen Endoskopie ist we sentlich und erfordert viel prakische bung vgl Thomas Gibson und Williams 2005 Nach Messmann 2006 erfolgt diese in zwei Stufen en an 19 2 Einf hrung in die Thematik e Beobachten Der Experte f hrt Untersuchungen durch und beschreibt auf tretende Schwierigkeiten Der Auszubildende beobachtet ihn dabei e Ausf hren Der Auszubildende bernimmt zun chst nur das Zur ckziehen des Instruments und beobachtet dabei den Darm Sp ter wird das Einf hren ge bt wobei anfangs der Ausbilder den Schaft f hrt w hrend der Lernende die Handr der am Bed
294. usgelegten Tests gepr ft Das Ergebnis ist dass Koloskopiker mit einem guten r umlichen Vorstel lungsverm gen signifikant bessere Ergebnisse erzielen Die zweite Fragestellung lautet in wieweit Verbesserungen der haptischen F higkeiten durch das Training mit dem Simulator zu erzielen sind Dazu lie en Aabakken et al 2000 den GI Mentor anhand eines Fragebogens von 33 Trainingskursteilnehmer bewerten Den Simulator sehen 3 als sehr 21 als nicht realistisch Der erwartete Nutzen eines Simulationstrainings nimmt mit dem K nnen ab Fast einstimmig wurde die Untersuchung als zu leicht bewertet Die Einf hrung eines definierten Lehrplans zur praktischen Ausbildung in der flexiblen Endoskopie wurde von berpr ft W hrend der zweij hrigen Dauer wurden monatlich Unterweisungen am Simulator nach einem f r Anf nger und Fortgeschrittene getrennten Programm durchgef hrt Von al len vollst ndig durchgef hrten Untersuchungen wurde die Effektivit t anhand der vom Simulator ausgegebenen Daten bestimmt Der Durchschnitt ergab f r Anf n ger einen Effektivit tswert von 59 f r Fortgeschrittene von 80 nn 45 3 Trainingsmodelle und Computersimulatoren Ferlitsch et al 2001 verglich sechs Anf nger ohne Training mit sieben An f ngern welche drei Wochen lang pro Tag zwei Stunden trainierten Nach dieser Zeit haben die Anf nger mit Training am Simulator das Niveau von Experten welche ber tausend reale Untersuc
295. utzer abgewandten Seite Probleme Der vorher eingesetzte Motor war gro und schwer Er verl ngerte das Force Feedback Ger t und erforderte aufgrund des hohen Strombedarfs eine kompliziert anzuschlie ende und sehr viel Raum einnehmende Ansteuerung Diese Ansteue rung brachte wiederum verschiedene weitere Probleme mit sich Probleme der Ansteuerung ab Seite 111 Die f r die neuen Lernm glichkeiten geforderte pr zise Positionierung lie sich mit dem vorhandenen Motor nicht realisieren Durch die Reibung Haft reibung gr er Gleitreibung bzw Rollreibung ergab sich im Verbund mit dem ung nstigen bersetzungsverh ltnis dass beim Anlaufen des Motors sofort eine gro e Geschwindigkeit erreicht wurde Durch die hohe Geschwindigkeit und die gro e Tr gheit berwiegend durch die bewegte Masse des Motors wurde ein pr zises Anhalten verhindert Dieses sprunghafte Verhalten f hrte dazu dass die Zielposition eher durch Zufall als wie gew nscht durch einen stetigen Prozess erreicht wurde Vorgehensweise Der alte Motor wurde mitsamt der Ansteuerung entfernt Er wird durch einen kleinen Getriebemotor ersetzt welcher ber einen Servoverst rker und eine neu entwickelte Elektronik angesteuert wird Da der Motor nicht nur f r die Bewegung des Schlittens zust ndig ist sondern dem Anwender auch ein eigenst ndiges Verschieben indem er am Schlauch zieht oder schiebt erm glichen soll wurde bei der Auswahl darauf gea
296. verst rker ADS 50 5 angestrebt 6 2 3 Einheitliche L sung Schnittstellenkarte Servoverst rker Einheitliche Ansteuerung f r Vorschub und Rotation Sowohl f r den Motor der Rotation um die Schlauchachse als auch f r den Vor schubmotor ergeben sich die gleichen Anforderungen Daher soll die Kombina tion aus dem Servoverst rker ADS 50 5 der Firma Maxon und einer neu zu en wickelnden Schnittstellenkarte f r beide Antriebe eingesetzt werden Dieses ein heitliche Vorgehen l sst einen geringeren Entwicklungs und Wartungsaufwand sowohl f r die Hardware als auch f r die Software erwarten Durch die Verwen dung von Standardbauelementen bei der neuen Schnittstellenkarte und dem zuvor genannten Servoverst rker ist dies zudem eine kosteng nstige L sung Um die alte Schnittstellenkarte zu aktivieren mussten in einer genau festgelegten Abfolge Aktionen wie Kabel verbinden oder einen Taster dr cken w hrend ein Jumper zu ziehen ist durchgef hrt werden Im Gegensatz zu dieser aufw ndigen Inbetriebnahme sind die neuen Schnitt stellenkarten benutzerfreundlich denn sie erfordern keinerlei Aktionen durch den Anwender 2Geringe Geschwindigkeitseinbu en k nnen durch neue Funktionen der Software und der An steuerung von vier statt drei Motoren erkl rt werden Der Leistungseinbruch beruht jedoch eher auf Problemen des Treibers die sich auf dem fr her genutzten Rechner mit Dual Prozessor von AMD weniger als auf dem jetzt eingesetzten Rec
297. vorhanden sind Maxim Integrated Products 2006 Uber diesen IC erfolgt die bidirektionale Kommunikation zwischen Microcontroller und PC Beim eingesetzten Microcontroller ist ein ganzzahliger Quotient zwischen sei ner Taktfrequenz und der 16 fachen Geschwindigkeit von der seriellen Schnittstel le erforderlich Daher wurde f r die Taktung des Microcontrollers ein Quarzoszil lator mit 7 3728 MHz gew hlt Diese etwas unter der maximal erlaubten Frequenz von 8 MHz liegende Wahl erm glicht die h chste am PC erreichbare genormte Ubertragungsrate der seriellen Schnittstelle Dabei ist der Quotient Q 4 und die Baudrate errechnet sich folgenderma en vgl 2003 Microcontroller Baudrate auarate 16 Q 7372800 H Bit S eo 6 25 16 4 s Die bertragung eines Bytes besteht aus einem Startbit acht Datenbits und einem Stoppbit Daraus ergibt sich folgende Byterate 115 200 Bits Byte 5 11520 6 26 1 8 1 S Byterate Da die Ubertragung der Information vom Computer auf den Motor nur ein Byte ben tigt kann dies bis zu 11 520 mal pro Sekunde erfolgen In die entgegengesetzte Richtung wird die Position des Motors tibertragen Da dies drei Bytes erfordert zwei Bytes Position ein Byte Trennungszeichen kann der Transfer tiber die serielle Schnittstelle maximal 3 840 mal in einer Sekunde er folgen Diese Geschwindigkeit ist unabh ngig von der Positionsbestimmung ber den Encoder da die Position im Microcontr
298. wer den k nnen Daher ist auch verst ndlich dass das Training an Modellen obwohl es schon l nger praktiziert wird nur in geringem Umfang eingesetzt wird Der Trend geht immer mehr zum Einsatz von Computersimulatoren vgl Spektrum der Wissenschafi 2007 Das Konzept von Simulationen in der Medizin ist nicht neu schreibt Dunkin 2003 jedoch das zuletzt erfolgte Hinzuf gen von m chtigen computergenerierten virtuellen Reali t ten hat dieses Feld revolutioniert Dies gilt sowohl allgemein f r Operations Trainingssysteme in der Medizin wie z B f r Augen und Herzoperationen als auch im Speziellen f r Endoskopiesimulatoren vgl Gembris et al 2007 Im April 2004 hat die FDA Food and Drug Administration USA festgelegt dass vor der Zulassung eines neuen vaskul ren Stents ein Simulationstraining er m glicht werden muss Roberts et al 2006 F r das Jahr 2010 erwarten 2007 dass Operationssimulatoren ausreichend leistungsf hig sind um zur berpr fung und Zertifizierung eingesetzt zu werden Speziell bei der Gastroenterologie existieren viele Gr nde f r ein verpflichten des Training am Simulator Computer simulators offer several advantages over the traditional an mal and mechanical models By simulating reality they are able to provide the trainee with an approximation of the look and feel of the patient undergoing a procedure and also be equipped with the ability to evaluate the t
299. wie der Dehnung des Darmes erzielen In Bezug auf die H ufigkeit und die Zeiten des Sichtverlustes sowie die Anzahl der entdeckten Polypen sind die Unterschiede jedoch nicht signifikant Bei der zweiten Studie wurde die Realit tstreue des Ger tes von drei Experten und zwei Auszubildenden bewertet Anhand der ersten Bewertung wurden Ein stellungen optimiert und dann eine zweite Bewertung vorgenommen W hrend die Bewertung vor der Optimierung durchschnittliche Resultate ergibt best tigen die nachfolgenden Bewertungen die Realit tstreue des Simulators berwiegend Des Weiteren soll diese Studie die Effizienz des Trainings zeigen indem neun Auszubildende und sechs Praktizierende in jeweils zwei Gruppen aufgeteilt wur den Die Simulator Gruppen trainierten mit zwei verschieden schweren Trainings programmen die anderen unter Aufsicht f nf mal am Patienten Erste Ergebnisse zeigen Verbesserungen durch Training am Simulator Weitere Aussagen sind nicht m glich da die Studie noch nicht abgeschlossen ist vgl 2006a 2007 Kritische Betrachtung Beim Force Feedback System f llt zun chst die Gr e auf Abb 3 9p Damit kommt der Einsatz des Ger tes nur in Frage wenn ausreichend Platz vorhanden und ein Transport nur selten erforderlich ist Trotz dieser hervorstechenden Aus ma e ist die maximal m gliche Eindringtiefe mit nur 98cm viel geringer als die L nge der bevorzugt eingesetzten Koloskope von 160 bis 170 cm vgl B P
300. y 27 1995 S 73 76 ISSN 0013 726X Fried et al 2007 FRIED M P URIBE J I SADOUGHI B The role of virtual reality in sur gical training in otorhinolaryngology In Current Opinion in Otolaryngology amp Head and Neck Surgery 15 2007 Juni Nr 3 S 163 169 Gallagher und Cates 2004 GALLAGHER A G CATES C U Approval of Virtual Reality Training for Carotid Stenting In JAMA The Journal of the American Medial Associa tion 292 2004 Dezember Nr 24 S 3024 3026 GATE 2002 GATE Gastroenterologie Ausbildung Training Endoskopie Leitlinien gestiitzte Empfehlungen zu Trainingskursen in der gastrointestinalen Endo skopie In Endoskopie heute 15 2002 September Nr 3 S 176 184 230 EndoSim LITERATURVERZEICHNIS http dx doi org 10 1055 s 2002 37142 DOI 10 1055 s 2002 37142 ISSN 0933 811X Herausgegeben von der Sektion Endo skopie der Deutschen Gesellschaft f r Verdauungs und Stoffwechselerkran kungen Sektion Gastroenterologie des Berufsverbands Deutscher Interni sten Gembris et al 2007 GEMBRIS D HESSER J M NNER R Operations Trainingssysteme in der Medizin In Spektrum der Wissenschaft 2007 Februar S 42 50 ISSN 0170 2971 Gerdes et al 2004 GERDES I KLAWONN F KRUSE R Evolution re Algorithmen 1 Auflage Wiesbaden Friedrich Vieweg amp Sohn Verlag 2004 ISBN 3 528 05570 7 Gerson und Van Dam 2002 GERSON L B
301. zeichnis ITU T KAIST KISMET LSRO MMVR OGB OGD OpenGL PCM PTFE PWM POSIX QMW RIES RIFF RISC RMS RS 232C RS 422 RS 485 SAGES SPEC TCP IP UART UICC VES VRM 196 International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector Korea Advanced Institute of Science and Technology Kinematic Simulation Monitoring and Off Line Programming Environment for Telerobotics Laboratoire de Syst mes Robotiques Medicine Meets Virtual Reality Osophago Gastro Bulboskopie Osophago Gastro Duodenoskopie Open Graphics Library Puls Code Modulation Polytetrafluoroethylen Pulsweitenmodulation Portable Operating System Interface Quadratischen Mittelwert Robotics Interactive Endoscopy Simulation Resource Interchange File Format Reduced Instruction Set Computing Root Mean Square Recommended Standard 232C Recommended Standard 422 Recommended Standard 485 Society of American Gastrointestinal Endoscopic Surgeons Standard Performance Evaluation Corporation Transmission Control Protocol Internet Protocol Universal Asynchronous Receiver Transmitter Union Internationale Contre le Cancer Virtual Endoscopy System Virtual Reality in Medicine EndoSim Anhang B Anmerkungen B 1 Rechtschreibung Die Rechtschreibung dieser Arbeit erfolgt in der Regel nach dem Duden 2006 Davon abgewichen wird bei Fachw rtern aus dem Bereich der Medizin Diese werden in der vom Pschyrembel 2007 bevorzugten Schrei

Entwicklung eines Endoskopiesimulators mit spezieller

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