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SchwerpunktAugust 2017

01. August 2017
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Minimalinvasive Handchirurgie: Trainingssystem für chirurgische Eingriffe an komplexen Knochenstrukturen

Bei hochkomplexen chirurgischen Eingriffen am Knochen ist es äußerst wichtig, Verletzungen von Risikostrukturen zu vermeiden. Um solche Eingriffe sicher und fehlerfrei durchführen zu können, ist eine langjährige Erfahrung sowie umfangreiche theoretische und praktische Ausbildung für Chirurgen notwendig. Mit der Entwicklung eines kompakten haptisch und visuell unterstützten Trainingssystems (HaptiVisT) würde den Ärzten in der minimalinvasiven Handchirurgie eine innovative Möglichkeit geboten, ihr Können jederzeit im Klinikalltag und auf gemeinsamen Fortbildungen zu verbessern. Dabei wird auf Elemente der virtuellen Realität, der haptischen Mensch-Maschine-Interaktion und des Gamification zurückgegriffen.
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Fachinformation
Derzeit ist es möglich, Bohrungen mit Hilfe von synthetischen und aufgetauten Tierkadaver-Knochen unter hohem Aufwand zu trainieren. Allerdings bietet dies eine begrenzte Realität und eine unzureichende Nachbildung der menschlichen Anatomie (1). Zusätzliches Training findet traditionell im Operationssaal statt, welches sich jedoch sehr zeitaufwändig gestaltet (Zeit im Operationssaal, Zeit des Lehrers). HaptiVisT bietet den Handchirurgen die Möglichkeit, Ihr Können sowohl im Klinikalltag als auch auf Fortbildungen zu verbessern.

 
Bild: OTH Regensburg / www.florianhammerich.com
Minimalinvasive Handchirurgie – OTH Regensburg



Ausgangslage und Schwierigkeit
Liegt beispielsweise eine CMC Luxationsfraktur (Transfixation Carpometacarpale Luxationsfraktur) eines Patienten vor, welche durch einen schweren Sturz auf die Hand oder einen Verkehrsunfall entstehen kann, luxiert entweder der 5te Finger basisnah, oder die Gelenkbasis bricht proximal. Dieser Bruch tritt sehr selten auf und bedarf deswegen eines besonders intensiven Trainings. Zur Vermeidung einer erneuten Dislokation und Ausheilung in Fehlstellung wird eine Operation empfohlen. Nach geschlossener Reposition muss der Bruch mittels Kirschner-Draht (K-Draht ) versorgt werden. Hierzu wird der K-Draht in der Bohrmaschine durch eine kleine Stichinzision auf die Kortikalis des Knochens herangeführt. Die Schwierigkeit in einer solchen operativen Versorgung liegt einerseits im Finden des richtigen Bohrwinkels, da die Haut des Patienten nicht transparent ist. Trifft man am Anfang nicht den richtigen Winkel, können entweder Sehnen oder Nerven verletzt oder der zu versorgende Knochen verfehlt werden. Andererseits muss ein Abrutschen am Knochen unbedingt vermieden werden, um kein Weichteilgewebe zu schädigen.
 
Hardware und Prototypenaufbau
Für eine realitätsnahe Umsetzung des Trainingssystems werden einige technische Input- und Output-Geräte benötigt, welche in der Abbildung 1 dargestellt sind. Zur Hardware gehört ein haptischer Arm (Haption GmbH Aachen, Virtuose 6D Desktop). Dieser Arm besitzt 6 Freiheitsgrade, einen Bewegungsumfang in Translation von 20 cm x 20 cm x 20 cm und in Rotation von 200° - 90° - 200°. Dabei erzeugt er eine maximale Kraft in Translation von 10 Newton [N] bzw. ein maximales Drehmoment von 0.4 Newtonmeter [N.m]. Mit diesem Arm kann zum einen die Position und Lage des Bohrers im Raum an den Computer übergeben werden, zum anderen ist es zusätzlich möglich, ein Kraftfeedback vom Computer an den haptischen Arm zu senden. Durch diese übertragene Kraft wird erreicht, dass virtuelle Objekte, die sich nur in der Visualisierung auf einem Bildschirm befinden, erfühlt und ertastet werden können. Ein autostereoskopischer (AS) Single-User 3D-Monitor wird zur Visualisierung verwendet (SeeFront GmbH Hamburg). Im Gegensatz zu herkömmlicher 3D-Visualisierung mit Shutter- oder Polarisationsfilter-Billen wird hier keine Brille benötigt. Der Monitor benutzt eine Eye-Tracking-Bar zur Verfolgung der Augenposition eines Users. Somit kann durch die Kombination komplexer Linsensysteme im Fall eines Side-by-Side Videomaterials das linke Bild an das linke Auge und das rechte Bild an das rechte Auge des Users gesendet werden. Für eine bimanuelle Haptik liegt ein haptisches Handphantom zwischen dem User und dem 3D-Monitor. An diesem Phantom kann der trainierende Chirurg wichtige Markerpunkte einer menschlichen Hand erfühlen. Diese sind für die Bohrung durch einen Knochen dringend erforderlich. Dreht und wendet der User das haptische Phantom oder ändert die Position durch Translation, soll die Visualisierung des zu operierenden Arms am 3D-Monitor dieser Bewegung folgen. Das wird durch Tracking des Phantoms mit einer stereoskopischen Echtzeit-Tracking-Kamera (ClaroNav, MicronTracker) ermöglicht. Die Tracking-Kamera nimmt die Position und Lage spezieller Marker im 3D-Raum auf und übermittelt diese Daten an den Computer.
 

 
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