Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, umfassend, zumindest eine menschliche oder tierische Gewebe nachahmende Matrix, ein aus zumindest zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, insbesondere ein Knochenmodell, welches in der Matrix eingebettet ist, und wenigstens ein optisches Erfassungssystem, wobei das optische Erfassungssystem eine Bewegung der Komponenten, insbesondere bei einem manuellen Eingriff in das Anatomiemodell, auf zumindest einem Anzeigegerät visualisiert nach Anspruch 1 sowie ein Trainingskit zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken nach Anspruch 10.

Das klinische Umfeld stützt sich vorwiegend auf anatomische Ausbildungsund Lehrmodelle. In der Wirbelsäulenchirurgie zeigt sich die zunehmende Prävalenz von chronischen Rückenschmerzen aufgrund von Bandscheibendegenerationen, skoliotischen Deformitäten oder Frakturen, welche operative Stabilisierungen der Wirbelsäule durch beispielsweise die Platzierung von Pedikelschrauben erforderlich machen. Auch Indikationen wie offene Frakturen mit Weichteilschädigungen, Trümmerfrakturen, Luxationen (Ellbogen, Knie), Arthrodesen, z. B. am Kniegelenk als gelenkübergreifender Fixateur externe, Frakturen der Halswirbelsäule (Halofixateur) oder Kallusdistraktion, evtl, mit Segmenttransport Knochenfrakturen des Skelettsystems machen die Stabilisierung mittels eines Fixateur externe mittels der Durchführung von Pins durch die Haut in den Knochen notwendig.

Insbesondere bei der gegenwärtigen thorakolumbalen Pedikelschrauben- Stabilisierung, bei der hauptsächlich Freihand-, Durchleuchtungsführung und stereotaktische Navigation eingesetzt werden, ist die Platzierung von Thora- kal-Pedikelschrauben aufgrund der schmälsten Pedikel in der Höhe (T3-T9) und des verringerten Raums zwischen der medialen Grenze des Pedikels und dem Rückenmark mit einem extrem großen Risiko für den Patienten verbunden. Erschwerend kommt hinzu, dass individuell für jeden Patienten die Anatomie des Pedikels beispielsweise durch Skoliose oder eine asymmetrische Kompression der Wirbel gegenüber der normalen Anatomie erheblich verändert sein kann, was eine hohe Herausforderung für die Schraubenplatzierung darstellt. Das Gleiche gilt bei anatomischen Fehlstellungen des gesamten Skelettsystems.

Chirurgen haben daher nur einen relativ geringen Spielraum für Fehler, da insbesondere im Bereich der Wirbelsäule fehlgeleitete Schrauben das Rückenmark und die Gefäße verletzen können. Anhand der standardisierten anatomischen Ausbildungs- und Lehrmodelle sind anatomische Fehlstellungen des Skelettsystems und insbesondere der Wirbelsäule nicht abbildbar, weshalb sich die bekannten Ausbildungs- und Anatomiemodelle nur bedingt bei der Vorbereitung auf einen operativen Eingriff, bei dem Pins oder Schrauben durch die Haut in den Knochen geführt werden, eignen. Zudem ist bei den bekannten Anatomiemodellen nachteilig, dass diese nach einem Trainingseingriff kostenintensiv wieder aufbereitet werden müssen, oder diese sogar nur für das einmalige Training geeignet sind.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannten Simulationsmodelle zumindest teilweise zu verbessern. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein operativer Eingriff mittels Durchführung von beispielsweise Schrauben oder Pins durch die Haut in den Knochen individuell geplant und geübt werden kann, wobei insbesondere Deformationen des Skelettapparates berücksichtigt werden können. Zudem ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein wiederverwendbares und damit kostengünstiges Simulationsmodell zu schaffen. Die voranstehende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Trainingskit mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie gemäß Anspruch 1 ermöglicht es dem Chirurgen, ohne Strahlenbelastung zu trainieren und zwar unter annähernd mit der geplanten Operation an einem Patienten identischen Bedingungen. Dies wird erreicht zum einen durch die menschliche oder tierische Gewebe nachahmende Matrix und zum anderen durch ein aus zumindest zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, welches vorteilhaft der Anatomie des Skelettsystems des Patienten individuell nachgebildet.

Im Sinne eines „Anatomiemodells“ soll gemäß der vorliegenden Erfindung ein Knochenmodell, beispielsweise ein Wirbelsäulenmodell mit oder ohne Bandscheiben verstanden werden. Vorzugsweise ist das Anatomiemodell individuell erstellt, nämlich anhand von bildgebenden Untersuchungsergebnissen am Patienten, beispielsweise durch MRT-, CT-, Röntgen- oder Szintigraphieuntersuchungen. Anhand dieser Untersuchungsergebnisse kann vorzugsweise das individuelle Anatomiemodell erstellt werden, wobei natürlich Deformationen und Fehlstellungen des Skelettapparates abgebildet werden können. Das Anatomiemodell kann beispielsweise in einem 3D-Druckverfahren unter Zugrundelegung der Bilddateien aus den bildgebenden Untersuchungen erstellt und in die gewebenachahmende Matrix eingelegt werden. Die Matrix kann unterschiedliche Konsistenzen und/oder Stoffeigenschaften aufweisen, und in mehreren Schichten erstellt werden, so dass beispielsweise eine obere Hautschicht und eine darunter liegende Gewebeschicht durch die Matrix nachgeahmt werden, um dem Operateur oder dem Schüler die zwischen diesen Schichten unterschiedlichen Widerstände beim Ein- und Durchführen von Schrauben oder Pins plastisch, d.h. originalgetreu, nämlich der Haptik des zu operierenden Patienten entsprechend, vermitteln zu können.

Um die Führung der Schrauben oder Pins und die Bewegung des Anatomiemodells bei dem trainierten Eingriff auf einem Anzeigegerät darstellen zu können, sind an den Komponenten vorteilhaft Marker angeordnet. Im Falle eines Wirbelsäulen-Anatomiemodells ist an jeder knöchernen Wirbelsäulenkomponente, nämlich an den einzelnen Wirbeln jeweils ein Stab angeordnet, so dass vorteilhaft an jedem Domfortsatz jedes Wirbels ein Marker angeordnet ist, wobei die Marker sowohl komplett mit dem Anatomiemodell in die Matrix eingebettet sein können oder diese teilweise aus der Matrix nach posterior herausragen können. Die Marker werden vorzugsweise von wenigstens einem optischen Erfassungssystem erfasst, so dass über das Erfassungssystem eine Bewegung der Komponenten, insbesondere bei einem manuellen Eingriff in das Anatomiemodell, anhand der Marker verfolgt und auf zumindest einem Anzeigegerät, wie beispielsweise einem Monitor oder einem Display eines mobilen Gerätes visualisiert werden. Als optisches Erfassungssystem kann beispielsweise eine Kamera eines mobilen elektronischen Gerätes, wie beispielweise die Kamera eines Smartphones oder eines Tablets dienen. Vorteilhaft eignet sich ein Tiefenkamerasystem, über das die Bewegung jeder einzelner knöcherner Wirbelsäulenkomponenten verfolgt werden kann. Es können aber auch mehrere Tiefenkameras aus verschiedenen Positionen relativ zum Anatomiemodell Bilder aufnehmen und im Sinne der vorliegenden als optisches Erfassungssystem umfassend wenigstens zwei Kameras bezeichnet werden. Die Verarbeitung und Visualisierung der gewonnenen Daten kann auf dem mobilen Gerät selbst erfolgen oder über Kabel, Wi-Fi oder andere Datenübertragungswege auf einen externen Monitor gespiegelt werden. Es ist auch denkbar ein externes Kamera- oder Tiefenkamerasystem zu verwenden, das mit einem Computer verbunden ist, und die Anzeige auf dem Monitor des Computers oder auf einem Monitor eines mit dem Computer über ein Netzwerk verbundenen Computers erfolgt, wodurch vorteilhaft ein Training oder eine Simulation an der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung auch über einem externen Arbeitsplatz verfolgt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch ohne Marker verwendet werden, um ein dreidimensionales physisches Röntgenbild durch Durchleuchtung der transparenten Wirbelsäule in der transparenten Matrix zu erzeugen. Mittels Software Bildnachbearbeitung oder Farbpigmentierung der Matrix oder des Wirbelsäulenmodells kann der Röntgeneffekt noch verstärkt werden. Ohne Marker ist zwar keine virtuelle beliebige im Raum ausgerichtete Ansicht (z.B. axial) bei lediglich beispielsweiser lateraler Aufnahme mittels Kamera möglich, es ist ohne Marker jedoch auch möglich von oben (posterior nach anterior) auch ohne die Kameraaufnahme von oben die Schraubenposition oder Pinposition zu sehen und am Bildschirm die laterale Position zu verfolgen.

Vorzugsweise besteht die Matrix aus zumindest einem reversibel verflüssigbaren und aushärtenden farblosen oder farbigen Material oder einer Kombination aus zumindest zwei der zuvor genannten Materialien. Um eine Wiederverwendung der Matrix nach einem Trainingseingriff, nämlich der Vorbereitung auf eine Operation und zum Zwecke der Schulung, wiederverwenden zu können und um aus der das menschliche oder tierische Gewebe nachahmenden Matrix das verwendete Anatomiemodell entfernen und dieses durch ein neues Modell ersetzen können, ist vorteilhaft zumindest ein Material reversibel verflüssigbar, beispielsweise durch Zufuhr von Hitze oder durch die Zugabe einer Substanz die eine Verflüssigung der Matrix bewirkt. Nach dem Einsetzen des neuen Modells ist das zuvor verflüssigte Material der Matrix vorteilhaft wieder aushärtbar, beispielsweise durch Entzug von Wärme oder durch eine Substanz, die eine Vernetzung oder eine Aushärtung der Matrix bewirkt. Um eine Durchleuchtung der Matrix zu gewährleisten sollte das ausgehärtete Material zumindest teilweise transparent sein. Als weitere Materialien die ergänzend zu dem genannten Material zur Bildung der Matrix eingesetzt werden können sollen die nicht abschließend aufgezählten folgenden Materialien genannt werden, wie beispielsweise Farbpigmente, Stabilisatoren, Weichmacher und beispielsweise Vernetzer. Vorzugsweise ist auch das Anatomiemodell zumindest abschnittweise transparent ausgestaltet, um dieses beispielsweise Durchleuchten zu können. Wie auch für die Matrix beschrieben, kann das Anatomiemodell aus einem transparenten Material oder einer Kombination aus zumindest zwei Materialien ausgestaltet sein, wobei zumindest ein Material transparent ist. Als Materialien für das Anatomiemodell eigenen sich in besonders bevorzugter Weise Materialien für den 3D-Druck wie beispielsweise ABS, FDM, Polymilchsäure oder PLA, welches im Gegensatz zu ABS biologisch abbaubar, da es aus nachwachsenden Rohstoffen (Maisstärke) hergestellt wird, PET, PETG, Polycarbonat (PC), Nylon, Hybride Materialien, Alumide, flexible Materialien oder eine Kombination aus den nicht abschließend hier aufgezählten Materialien, also insgesamt alle Materialien oder Kombinationen von Materialien, die für den 3D-Druck geeignet sind. Besonders bevorzugt eignet sich für die transparenten Modelle ein Epoxidharz gemischt mit einem Weichma- cher/Flexibilisator. Für die nichttransparenten Knochenfarbigen Modelle kann auch ein Komposit aus farblosem Epoxidharz, Weichmacher und einer Calciumquelle in Pulverform verwendet werden. Für eine Marker getrackte Anwendung in farbiger oder farbloser Matrix spielt es allerdings keine Rolle ob das Wirbelmaterial transparent, milchig oder farbig ist, da sich jede Ansicht virtuell wiedergeben lässt. Ganz besonders vorteilhaft können auch UV aushärtende Flüssigkunststoffe(=Photopolymere) zur Herstellung des Anatomiemodells im 3D Druckverfahren eingesetzt werden, da die mit diesem Material hergestellten Modelle gegenüber den mit oben genannten Materialien hergestellten Modelle eine wesentlich bessere Transparenz aufweisen, wobei auch der massive Kem der mittels Photopolymeren hergestellten Modelle transparent ist. Natürlich ist es für standardisierte oder mittels Bildgebung individualisierte Anatomiemodelle zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch denkbar, dass die Modelle mittels Formgussverfahren oder beispielsweise in einem Fräsverfahren hergestellt werden. In besonderen Fällen kann das Anatomiemodell durchgehend nicht transparent sein, wobei dann anhand des marker trackings die Postion der Wirbelkörper, Instrumente und Implantate am Bildschirm visualisiert werden kann. In einem solchen Sonderfall kann auch die Matrix nicht transparent sein und Durchleuchtung ist nicht notwendig.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll der Begriff „Transparenz“ in Bezug auf die Ausbildung der Matrix und des Anatomiemodells vorzugsweise physikalisch verstanden werden, wobei die Durchlässigkeit in Bezug auf elektromagnetische Wellen, insbesondere von Licht verstanden werden soll. Daneben soll der Begriff „Transparenz“ im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als durchscheinend wirkende Elemente einer Bilddatei in einer Computergrafik verstanden werden. Wird anstelle oder zusätzlich zu dem optischen Erfassungssystem auch ein akustisches Erfassungssystem in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt, welches beispielsweise das Setzen der Schrauben oder Pins akustisch unterstützt, wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter dem Merkmal „Transparenz“ die Unterscheidbarkeit aufeinanderfolgender Töne verstanden.

In vorteilhafter Weise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eine Lichtquelle, vorzugsweise eine RGB-LED-Lichtquelle, mit welcher zumindest die transparenten Abschnitte der Matrix oder die transparenten Abschnitte des Anatomiemodells durchleuchtet werden können. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes der transparenten Abschnitte des Anatomiemodells, der transparenten Abschnitte der Matrix und aufgrund der Lichtundurchlässigkeit verwendeter Implantate und Instrumente kann vorteilhaft ein dreidimensionales Röntgenbild des Anatomiemodells visualisiert werden, ohne das tatsächlich Röntgenstrahlen eingesetzt werden. Dies ermöglicht einem Operateur, der es gewohnt ist anhand von Röntgenaufnahmen Schrauben oder Pins zusetzen, in seinem gewohnten Modus zu bleiben, beziehungsweise diesen anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf eine Operation, beispielsweise unter einem Röntgen C-Bogen anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine optische Röntgen-Illusion eines greifbaren plastischen 3D-Anatomiemodells ermöglicht, vorzubereiten, beziehungs- weise die Operation anhand der Vorrichtung zu trainieren. Neben der genannten RGB-LED-Lichtquelle können auch andere Arten von Lichtquellen, wie zum Beispiel Halogenlampen, Neonröhre oder andere Leuchtmittel, die das gesamte Farbspektrum aufweisen können, also weiße oder farbige Lichtquellen jeglicher Art, zur Durchleuchtung des Anatomiemodells und der Matrix verwendet werden.

Zur Verstärkung des optischen Röntgeneffekts kann die Visualisierung auf einem Monitor oder Display vorteilhaft nach vorheriger Bildnachbearbeitung mittels einer Softwarelösung noch verstärkt werden. Soll ein verstärkter optischer Röntgeneffekt bereits im Anatomiemodell bei dessen Durchleuchtung sichtbar sein, ist die Matrix vorteilhaft mittels Farbmitteln gefärbt. Um die bekannten Röntgenaufnahmen naturgetreu nachahmen zu können, ist die Matrix besonders bevorzugt mittels schwarzem Farbmittel geschwärzt oder mittels blauem Farbmittel eingefärbt. Grundsätzlich lassen sich sämtliche kontrastreiche kräftige Farben einsetzen um den Röntgeneffekt noch zu verstärken. Insbesondere auch aufgrund der Softwarenachbearbeitung ist jegliche Färbung der Matrix denkbar, da mittels der Software die Farbe erkennbar und diese einfach virtuell ausgetauscht werden kann. Auch können gefärbte Bereiche der Matrix mittels der Software ausgeblendet werden und durch andere Bildbestandteile oder Hintergründe ersetzt werden.

Um die Herstellung der Matrix für den Anwender zu erleichtern, wird die Matrix vorteilhaft aus einem vorkonfektionierten Stoffgemisch angeboten. Das Stoffgemisch kann dann vorzugsweise durch Zugabe von Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, zu einer Suspension verarbeitet werden, die beispielsweise in einen Wärmebehälter gegossen wird, um dann mittels Energiezufuhr und anschließender Energieabfuhr den Aggregatzustand der Suspension zur Ausbildung der Matrix zu verändern. Natürlich kann der Aggregatzustand der Suspension in die das Körpergewebe nachahmende geleeartige Matrix auch beispielsweise durch Zugabe zumindest eines die Suspension vernetzenden Stoffes oder eines Stoffgemisches und/oder in Verbindung mit einem Weichmacher erfolgen.

Um eine Wiederverwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ermöglichen, kann das Anatomiemodell bei einer ersten Verwendung der Vorrichtung in die Suspension eingelegt und dann durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen zur Veränderung des Aggregatzustandes der Suspension in die Matrix eingebettet werden. Nach dem Trainieren an dem Anatomiemodell kann dieses vorteilhaft im Ganzen oder auch nur teilweise aus der durch Energiezufuhr oder durch andere Maßnahmen verflüssigten Matrix wieder gehoben und ein neues Anatomiemodell oder teilweise verwendete Teile des zuvor verwendeten Anatomiemodells ausgetauscht und in die verflüssigte Matrix eingelegt werden, um diese dann für ein weiteres Training wieder mit dem eingelegten Anatomiemodell zu verwenden. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden, so dass durch die Wiederverwendung der Matrix die Kosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber den Kosten für die bekannten Vorrichtungen erheblich gesenkt werden können.

Ein weiterer Erfindungsaspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Trainingskit zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend wenigstens ein oder mehrere Form- und/oder Wärmebehälter, zumindest ein aus wenigstens zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, wobei die Komponenten zumindest abschnittsweise aus einem transparenten und/oder farbigen Material ausgestaltet sind, und zumindest eine menschliche oder tierische Gewebe nachahmende transparente Matrix, insbesondere in Form eines Stoffgemisches mit vorgegebenen Mischungsverhältnis.

Als Wärmebehälter können beispielsweise bekannte Speisenwärmer verwendet werden oder Wärmebehälter, die wie die bekannten Speisenwärmer auf- gebaut sind. Ein Aushärten der verflüssigten Matrix oder der angesetzten Suspension kann vorzugsweise in den Wärmebehälter oder durch Umgießen der verflüssigten Matrix oder der erwärmten Suspension in einen Formkasten in diesem erfolgen. In beiden Fällen ist das Anatomiemodell in dem Wärmebehälter oder in dem Formkasten in die verflüssigte Matrix oder die Suspension eingelegt und wird durch deren Aushärten in die Matrix eingebettet.

Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Trainingskit Marker, die an den Komponenten des Anatomiemodells angeordnet werden können, so dass die Position jeder Komponente anhand eines Erfassungssystems, welches die Marker erfasst, spezifisch anhand des an der Komponente angeordneten Markers bestimmt werden kann.

Ein zusätzlicher Erfindungsaspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Anatomiemodell individuell anhand von bildgebenden Untersuchungen hergestellt und in eine das menschliche oder tierische Gewebe nachahmende Matrix eingelegt werden kann. Die Matrix mit dem darin eingelegten Anatomiemodell, also die erfindungsgemäße Vorrichtung, kann vorzugsweise wie folgt hergestellt werden:

In einem ersten Schritt wird ein Wärmebehälter, beispielsweise ein Speisenwärmer, in welchen vorteilhaft auch die Form für die Matrix mit dem darin eingelegten Anatomiemodell platziert wird mit Wasser befüllt. Diese Form, beispielsweise ein Gastrobehälter ist vorteilhaft der Größe des Anatomiemodells angepasst und wird so mittels Wasserbad erhitzt. In einem weiteren Schritt wird diese Form mit dem entsprechenden Anteil an Wasser befüllt, der für das gewünschte Matrixvolumen notwendig ist. Anschließend wird das Stoffgemisch zur Herstellung der Matrix mit dem Wasser in der Form zu einer Suspension verrührt, erhitzt, bis vorteilhaft auf 85°C, und in die noch flüssige Suspension das Anatomiemodell eingelegt. Zur Darstellung des Liquor- oder Spinalkanals in einem Wirbelsäulenmodell, kann im Bereich des Rückenmarks in das Wirbelsäulenmodell noch ein Silikonschlauch, der vorteilhaft mit Flüssigkeit unter Überdruck befüllt ist, geschoben werden. Der Silikonschlauch ist Teil des erfindungsgemäßen Trainingskits bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn als Anatomiemodell ein Wirbelsäulenmodell verwendet wird. Durch Abkühlung der Suspension ändert sich deren Aggregatzustand aus einer flüssigen Suspension in eine gelee- oder galertartige Matrix, die das menschliche oder tierische Gewebe nachahmt. Ist die Matrix aus mehreren Schichten aufgebaut, wird in vorteilhafter Weise auf die mit dem eingebetteten Anatomiemodell verfestigte Matrix eine oder weitere Schichten verflüssigter Matrix aufgetragen und diese aushärten gelassen. Vorteilhaft kann anstelle einer flüssigen zweiten bspw. "Hautschicht", diese Schicht auch separat in einem eigenen Formkasten oder separat in einem Wärmebehälter hergestellt werden, um diese dann nach dem Aushärten auf eine mit dem eingebetteten Anatomiemodell hergestellte Matrix aufzulegen. Nach der Simulation oder dem Training an dem Anatomiemodell kann dann die separat aufgelegte Schicht wieder abgenommen werden, um die Matrix mit dem darin eingebetteten Modell zu verflüssigen, um das Modell zu ersetzen. Dies hat den Vorteil für den Austausch des Modells, das sich beim Verflüssigen der Matrix sich die aufeinander folgenden Schichten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften sich nicht vermischen, wodurch die Matrix und die darauf liegende Schicht mehrmals verwendet werden können. Anstelle der thermischen Einwirkung auf die Suspension bzw. auf die Matrix, kann diese auch wie oben beschrieben chemisch in die unterschiedlichen Aggregatzustände überführt werden. Mit dem in die Matrix eingebetteten Anatomiemodell ist dieses für Trainings- oder Simulationszwecke im Sinne der vorliegenden Erfindung bereit. Nach dem Training, nämlich nach dem Setzen von beispielsweise Pedikelschrauben oder Pins in das Anatomiemodell, kann das zumindest teilweise „verbrauchte“ Anatomiemodell oder auch nur Teile davon durch Verflüssigung der Matrix, wie oben beschrieben, aus der Matrix herausgehoben und durch eine neues Anatomiemodell oder durch neue Komponenten ersetzt werden und die Matrix erneut verwendet werden. Dieser Vorgang findet vorzugsweise in dem Wärmebehälter statt, alternativ kann aber auch eine Formkasten verwendet werden, in den die verflüssigte Matrix oder die Suspension zum Aushärten mit dem darin eingelegten Anatomiemodell gegossen wird. Ist der Formkasten, der Formbehälter oder der Wärmebehälter transparent ausgestaltet, kann die Matrix mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell in diesem verbleiben, um an diesem zu trainieren und um die genannten Röntgeneffekte darzustellen zu können. Ist die Matrix in einem Edelstahl Wärmebad oder Edelstahl Behälter hergestellt, ist es vorteilhaft die Matrix mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell aus dem Bad oder dem Behälter zu nehmen, um daran zu trainieren.

Um einem Anwender die Herstellung der Matrix zu erleichtern, besteht diese vorteilhaft aus einem vorgefertigten Stoffgemisch, bzw. aus einer Auswahl an Stoffgemischen, welche lediglich in den zuvor mit Wasser befüllten Formbehälter, welcher sich in dem mit Wasser befüllten Wärmebehälter befindet, geschüttet werden müssen. Dabei ist lediglich das Volumenverhältnis des Wassers zu dem Stoffgemisch vom Anwender zu beachten. Das Stoffgemisch muss kurzzeitig in kaltem Wasser oder in kühler Umgebung aufgrund von quellendem Inhaltsstoff aufquellen. Das Quellen kann vorzugsweise wie oben beschrieben durch thermische Einwirkung in einem Wärmebehälter stattfinden. Zusammengefasst muss der Anwender das vorgefertigte Stoffgemisch mit kaltem Wasser vermischen, dieses kurz quellen lassen und dann in selbigem Behälter/Speisenwärmerbehälter erhitzen bis Verflüssigung eintritt. Danach kann das neue Modell eingesetzt werden. Wird die Matrix aus einem transparenten elastischen Kunststoff hergestellt ist diese kühle Umge- bung/kühles Wasser selbstredend nicht notwendig. Vorteilhaft, da besonders anwenderfreundlich, kann die fertige Matrix auch direkt geliefert werden mit einem darin eingebetteten ersten Modell. Auf diese Weise erspart sich der Anwender die Erstverarbeitung mit dem Stoffgemisch. Um an deformierten Anatomiemodellen trainieren zu können, können von dem Trainingskit bzw. von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereits verschiedene Pathologiemodelle umfasst sein, wie beispielsweise Pathologiewirbelsäulen mit Osteophyten, Frakturen, Wirbelgleiten oder Skoliosen. Um einen Austausch einzelner Wirbelkörper zu ermöglichen und diese mit den verbleibenden Komponenten des Anatomiemodells zu verbinden, eignen sich vorteilhaft elastische Klebeverbindungen der einzelnen Wirbelkörper an deren Facettengelenken.

Schließlich ist ein weiterer Erfindungsaspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Trainingskits.

Um hier Wiederholungen bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Trainingskits verwiesen und es wird vollumfänglich auf die Offenbarung durch diese Beschreibung zurückgegriffen und umgekehrt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele:

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele nur beschreibenden Charakter haben und diese nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.

Es zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit in einer Matrix eingebetteten Wirbelsäulenmodell der unteren Wirbelsäule mit Beckengürtel, Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung A von vorne und B schräg in Draufsicht von vorne eine Komponente mit Marker, und

Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht ein verwendetes Trainingskit, dass in einem Wärmebehälter recycelt wird.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 in Form eines chirurgischen Trainingssimulators. Der chirurgische Trainingssimulator besteht aus einem transparenten oder farbigen Wirbelsäulenanatomie-ZPathologiemodell 1 , das in eine transparente oder farbig transparente, menschliches Gewebe nachahmende Matrix 2 eingebettet ist. Jede knöcherne Wirbelsäulenkomponente 7 des Anatomiemodells 1 weist einen Stab auf, an dessen Domfortsatz 3 jeweils ein Marker 3 (s. Detailansicht Figur 2) angeordnet ist und der Wirbelsäulenkomponente 7 spezifisch zugeordnet werden kann. Die Marker 3 ragen teilweise aus der Matrix 2 nach posterior heraus. Entgegen der Darstellung können die Marker 3 auch in anterior Lage an den Wirbelsäulenkomponenten 7 angeordnet werden. Grundsätzlich ist jede Lage der Marker 3 an der Wirbelsäulenkomponente 7 denkbar, soweit der Marker 3 optisch erfasst werden kann und sich aus der bekannten Position des Markers 3 an der Komponente 7 andere Ansichten der Komponente 7 errechnen und visualisieren lassen. Wie in Figur 2 dargestellt, wird der Marker 3 beispielsweise wie in Fig. 2 A mit der Lage der Komponente 7 erfasst bzw. getrackt und diese kann dann wie in der in Fig. 2 B dargestellten Position oder Drehung visualisiert werden. Dabei ist jegliche Visualisierung der anhand des Markers 3 getreckten Komponente 7 darstellbar bzw. mittels Software berechenbar. Die Marker 3 sind vorteilhaft durch einen QR-Code oder ein anderes Bildzeichen individualisiert. Ein Tiefenkamerasystem als optisches Erfassungssystem 4 in Form eines mobilen Endgerätes, vorliegend in Form eines Smartphones, ist auf einem Stativ 5 vor dem in die Matrix 2 eingebetteten Anatomiemodell 1 angeordnet. Alternativ zu einem fest positionierten Stativ 5 ist die Anordnung einer auf einer Schiene verfahrbaren Kamera denkbar (hier nicht dargestellt). Mit dem Tiefenkamerasystem 4 kann die Bewegung jeder einzelnen knöchernen Wirbelsäulenkomponente 7 und die Bewegung eines mit einem Marker 3 versehenen Instruments, beispielsweiser einer Schraube oder eines Pins verfolgt werden. Neben dem einen Tiefenkamerasystem 4 können auch weitere Tiefenkameras 4, beispielsweise in Form von mehreren Smartphones montiert werden, die gemeinsam die Bilder der Wirbelsäulenkomponenten 7 und/oder des Instruments anhand der daran angeordneten Marker 3 liefern.

Eine Verarbeitung und Visualisierung der gewonnenen Daten kann auf dem Smartphone-Gerät selbst erfolgen oder über Kabel oder Wi-Fi auf einen externen Monitor gespiegelt werden. Alternativ kann die Visualisierung auf einem Computer mit externer Kamera oder Tiefenkamera erfolgen.

Die Aufnahmen durch die Tiefenkameras 4 folgen dem nachfolgend beschriebenen Grundprinzip. Die oder mehrere Kameras 4 nehmen die laterale Ansicht des Wirbelsäulenmodells auf und tracken die den Wirbelsäulenkomponenten 7 zugeordneten Marker 3 und geben auf dem Anzeigegerät dazu passend eine virtuelle axiale Ansicht der gewünschten Wirbelsäulenkomponente 7 aus.

Diese Umsetzung der lateralen Ansicht in die axiale Ansicht ermöglicht ein besseres Abschätzen wo genau die Pedikelschraube oder ein Pin gesetzt werden müssen. Je nach Wunsch kann die virtuelle laterale oder axiale Ansicht des Wirbelkörper oder -komponenten 7 ein und ausgeblendet werden.

Die Marker 3 geben somit immer die Position eines Wirbelkörpers oder eines Instruments an, an dem vorteilhaft auch ein Marker 3 angeordnet ist. So kann beispielsweise, wie bereits oben beschrieben, auch an einer Pedikelschraube oder an einem Pin, oder an Instrumenten, mit denen ein Eingriff in das Anatomiemodell vorgenommen wird, ein Marker 3 angeordnet werden, der von dem Kamerasystem 4 getrackt werden kann und über ein dazu passendes virtuelles Modell auf dem Anzeigegerät oder einem Bildschirm wiedergegeben werden kann. Spezielle Software unterstütze Einstellungen, wie zum Beispiel die Option [X-Ray] sorgen für einen Schwarz-weiß Filter mit Rauschen und Vignettierung(=image post processing). Natürlich sind auch andere Filter oder Kombinationen von Filtern denkbar, um ein virtuelles Modell vorzugsweise mit visualierten Röntgeneffekt auf einem Anzeigegerät darzustellen.

Über den Schwarz-weiß oder einen anderen kontrastreichen Filter kann in Kombination mit der transparenten Matrix und dem RGB-Led-Strahler 6 durch unterschiedliche Lichtbrechung zwischen der Matrix 2 und dem transparentem Wirbelsäulenmodell 1 ein realistischer Röntgeneffekt erzielt werden.

Der Röntgeneffekt entsteht also vorteilhaft beim Durchleuchten der Gewebe nachahmenden Matrix 2 mit weißem, grünem oder blauem Licht und der zu der Brechung des Lichts an der Matrix 2 unterschiedlichen Lichtbrechung am transparenten Wirbelsäulenmodell 1. Wie bereits beschrieben ist dafür der Einsatz sämtlicher Lichtquellen, wie beispielsweise LED, RGB-LED, Halogen oder beispielsweise Neon oder eine Kombination aus den zuvor nicht abschließend aufgezählten Lichtquellen, also weiße oder farbige Lichtquellen jeglicher Art, möglich.

Um den Röntgeneffekt noch zu verstärken, kann die transparente Matrix 2 schwarz oder blau oder andersfarbig mittels Farbstoff getönt sein, d.h. schwarz oder blau oder andersfarbig getönt sein. Es können neben den genannten Tönungen sämtliche dunkle, kräftige Tönungen der Matrix 2, beispielsweise in grün oder violett eingesetzt werden. Eine schwarze, blaue oder violette Tönung der Matrix 2 hat den Vorteil, dass die Matrix 2 mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell auch ohne Bildnachbearbeitung und ohne kameraunterstützte Visualisierung wie ein dreidimensionales Röntgenbild zum Anfassen erscheint. Auch über einen bereits näher erläuterten X-Ray Kamera Filter kann ein Röntgeneffekt erzielt werden. In Kombination mit den zuvor genannten Methoden kann der Röntgeneffekt noch verstärkt werden.

Es ist jedoch nicht zwingend notwendig, die Matrix 2 zu färben, um einen Röntgeneffekt zu erzielen, sondern die transparent ungefärbte Matrix 2 kann auch mittels bspw. lila oder dunkelblauem Licht durchleuchtet werden.

Ein weiterer Röntgeneffekt kann dadurch erzeugt werden, indem der Formkasten, Formbehälter oder der Wärmebehälter dunkelgetönt und von einem LED-Strahler 6 oder einer anderen Lichtquelle durchleuchtet wird. Das in in dem Formkasten, Formbehälter oder Wärmebehälter in einer transparenten Matrix 2 eingebettete transparente Anatomiemodell 1 erscheint dann in einem 3D-Röntgeneffekt.

Es sind also mehrere Röntgeneffekt-Variationen möglich, wobei eine Verstärkung des Röntgeneffekts vorteilhaft durch eine Kombination aus zumindest zwei der zuvor genannten Methoden zur Erzielung des Röntgeneffekts noch verstärkt werden kann. Zusammenfassend und erfindungsgemäß für die genannten Methoden ist die Tatsache, dass der Röntgeneffekt ohne den Einsatz von Röntgenstrahlung erzielt werden kann.

Schließlich zeigt Figur 3 das in Figur 1 dargestellte und verwendete Ausführungsbeispiel, das nach dem Training oder der Simulation in einem Wärmebehälter 9 in einem Wasserbad 11 eingesetzten Form 8, die anders als in der Figur dargestellt, die Größe und die Form der Matrix 2 mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell 1 aufweist, recycelt wird. Für das Recycling bzw. die Wiederverwendung der Matrix 2 und das Ersetzen des Anatomiemodells 1 oder nur von einzelnen Komponenten 7, wird das Wärmebad 11 mittels des Wärmebehälters 9 erhitzt, wodurch sich die in den Formbehälter 8 eingelegte Matrix 2 verflüssigt. Nach dem Verflüssigen der Matrix 2, kann das Anatomiemodell 1 oder die verwendeten Komponenten 7 aus der verflüssigten Matrix 2 und dem Formbehälter 8 gehoben werden und können durch ein neues Modell 1 oder neue Komponenten 7 ersetzt werden, indem diese in die flüssige Matrix 2, d.h. in die zu einer Suspension verflüssigten Matrix 2, eingesetzt werden. Durch Beendigung des Erhitzens des Wasserbades 11 mittels des Wärmebehälters 9 oder durch Entfernen des Formbehälters 8 aus dem Wärmebehälter 9 ändert die Matrix 2 den Aggregatzustand von flüssig in fest, so dass das neue Anatomiemodell 1 oder die ausgetauschten Komponenten 7 in die verfestigte Matrix 2 eingebettet sind. Für das nächste Training oder eine Simulation kann nun die verfestigte Matrix 2 mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell 1 aus dem Formbehälter 8 genommen werden. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.