Vision rendszerek a minimálisan invazív műtéthez SIMIC - PDF Free Download
1 BMBF közös projekt Vision Systems for Minimally Invazive Surgery SIMIC a mikroszintű technológiai finanszírozási program részeként Az Eberhard-Karls-Universität Tübingeni Sebészeti Klinika Minimálisan Invazív Sebészet Szekciójának zárójelentése
2 Tartalom 1 Feladat A projekt megvalósításának előfeltételei A projekt megtervezése és folyamata A korszerű technika és a technológia a projekt megkezdése előtt A minimálisan invazív műtét állapota Az endoszkópos műveletek világítása Az endoszkópos műveletek áttekintése Az endoszkópos műveletek fűtési és öblítési funkciói Műszaki irodalom, információ és dokumentációs szolgáltatások Irodalom Használt információk és dokumentációs szolgáltatások Együttműködés más szervekkel Eredmények Az 1. munkacsomag (WP 1) összefoglalása: Alkalmazási forgatókönyvek megtervezése Az endoszkópos operatív környezet az optimalizált látórendszer számára A továbbfejlesztett látásrendszer célja Endoszkópos műveletek merev rúdlencsés optikával Alkalmazási forgatókönyv az újonnan megtervezett látórendszerhez WP 2: Endoszkópos 3-D vizsgálat Bevezetés Minimálisan invazív műtét használata az oktatóközpontban Anyag és módszerek Eredmény tesztelése standardizált gyakorlatokban Anyag és módszerek Eredmény Kli felhasználás és állatkísérletek AP.3 vita: Endoszkóp megtervezése a teljes szerkezet áttekintésével Részletoptika Alternatív részletoptika: Szögletes rúdlencse
3 5.4.4 Alternatív részletoptika: Merev nagylátószögű optika "tolható" CCD chip-el a 3-D vizsgálathoz Phantom setup 2: Mesterséges hasüreg Phantom setup 3 hőmérséklet és páratartalom elemzéshez Phantom setup 4 nagyfrekvenciás expozícióhoz Phantom setup 5: Szabványosított gyakorlatok az árnyékoptika tanulmányozásához Phantom setup 6 optikai öblítéshez AP 5: Áttekintő információk továbbítása Az áttekintő információk továbbításának követelményei Előzetes teszt a videólaboratóriumban Források az áttekintő információk továbbításához Megvalósítás kísérleti és klinikai alkalmazásban WP 6: Felbontás és látómező elemzése WP 7: Alapvető kutatások. vége. Objektum mezők az aktív adaptív világításhoz Bevezetés A munkacsomag munkatartalmának újraszúlyozása Világítási kísérletek fantomszerkezetben Anyag Világítási változatok Világítási kísérletek állatkísérletekben Struktúra Kísérleti megvalósítás Eredmény
5 Anyag és módszerek Eredménybeszélgetés Kísérletek optikai öblítésre fantombeállításban Bevezetés Anyag Kísérleti megvalósítás Eredmény Kísérleti megvalósítás Eredménybeszélgetés AP 12/15 Funkcionális modellek tesztelése állatkísérletekben Világító szerelvények állatkísérletekben A tiszta vég fizikai feltételeinek mérése. Nézet állatkísérletekben Bevezetés Anyagok és módszerek Eredménybeszélgetés Megoldás megközelítése a tiszta nézet elérése érdekében Univerzális optika állatkísérletekben Anyagmegvalósítás Eredménybeszélgetés Árnyékoptika 1 állatkísérletekben Anyag Kísérleti megvalósítás Eredményértékelés WP 13: Orvosi specifikáció lásd WP 14: Funkcionális modellek tesztelése fantomkísérletekben lásd WP 15: Funkcionális modellek tesztelése állatkísérletekben lásd a WP 16: Funkcionális modellek klinikai alkalmazásban. Az árnyékoptika klinikai alkalmazása
6 Eredményértékelés Az árnyékoptika klinikai felhasználása Anyag Az árnyékoptika megvalósítása Eredményértékelés Az áttekintő optika klinikai felhasználása Anyag Az áttekintő optika A klinikai felhasználás megvalósítása Eredménybeszélgetés WP 17: Orvosi képzés és oktatási program Egy sebészeti képzési és oktatási program követelményei Orvostechnika. Képzési és oktatási program az árnyékoptikához AP 18: A távközlés alapjainak vizsgálata a MIC-ben a távközlés technikai alapelvei Bevezetés B-csatornás S0-csatornás dedikált telefonvonalak Műholdas továbbítás Fontos multimédiás kommunikációs minőségi kritériumok Javaslatok a stúdió minőségéhez Telekonferencia követelményei és lehetőségei Telekonferencia követelményei Telekonferencia lehetőségei A nagy sávszélességű adatátvitel költségeinek összeállítása Példaértékű telekommunikációs alkalmazások Telemanipuláció az EAES-en Trondheimi kongresszus Telekonsultáció/telekonferencia a '97 -es nyári akadémián Kielben. A klinikák közötti ATM kábelezés a tübingeni egyetemi klinikán. Alkalmazási lehetőségek és az eredmények használhatósága
7 7 A SIMIC projekt során elért haladás más pozíciókban Alternatív lehetséges megoldások, amelyeket nem fejlesztettek ki a hálózatban Összefoglalás és kilátások Kiadványok Könyv- és folyóirat-hozzászólások Német Angol Arab Poszter kiállítások Angol TV hozzájárulások a BMBF közös projekt keretein belül SIMIC Lectures a BMBF SIMIC projekt keretében Német angol Egyéb előadások
9 29. ábra: Áttekintés az optikai rendszerről 30. ábra: A földi ATM-kábelezés határai 31. ábra: A műholdas adás költsége. 88 32. ábra: Megvalósult kommunikáció 33. ábra: Pillanatfelvételek a telekonferencia során. 90 34. ábra: Az ATM kábelezés áttekintése a MIC területén. 91 Táblázatok felsorolása 1. táblázat: Endoszkópos műszerek és eszközök beszerzési költségei. 34 2. táblázat: A nyitott disznó hasi szerveinek színösszehasonlítása Pantone színpalettával műtéti megvilágítás mellett. 37 3. táblázat: A részletes és áttekintő képek megjelenítési lehetőségeinek értékelése 4. táblázat: 20 teszt személy eredményei 5 feladatban, mindegyiket véletlenszerűen 10-szer hajtották végre árnyékkal és árnyék nélkül 5. táblázat: Szubjektíven optimálisan beállított normál és kiegészítő világítás fényereje különböző távolságokra elülső lencse és könnyű trocar között 6. táblázat: A nagy sávszélességű adatátvitel beruházási és átviteli költségei
14 [14] Schurr MO, Bablich H, Wurster H, Melzer A, Roth K, Wiest FM, Buess G: Új optikai tisztító és vizualizáló rendszer endoszkópos műtétekhez, Minimálisan invazív terápia 3: (1994). [15] Scott-Conner CEH, Hall TJ, Anglin BL, Muakkassa FF, Pole GV, Thompson AR, Wilton PB A laparoszkópia integrálása műtéti rezidenciába és következményei az edzési környezetre. Surg Endosc; 8: (1994) [16] Speneer K Módok, médiumok és módszerek: az oktatás hatékonyságának vizsgálata. Br J Educ Technol; 22: (1991) [17] Herbert Schwind GmbH & Co. KG, Optical Devices Operating Manual TITMUS II-S: 15 [18] Strutz J A 3D endoszkópia. ENT 41: (1993) [19] Zobel J A háromdimenziós endoszkópos látás alapjai. End Surg 1: (1993) 4.6 Információs és dokumentációs szolgáltatások CD-alapú irodalomkutatást végeztek. A következő CD-k alapján készült: AB/Inform Global, CD CD-n, CC Search (R) 7 kiadás, GeoRef Disc, Mathsci Disc, Medline Express, MLA Bibliography, PAIS International, PsycLit, PSYNDEX plus, Sociofile és WISO-WAO. Ezenkívül folyamatos információcsere zajlott tudományos kongresszusok, valamint vállalatok és kutatóintézetek látogatása révén. 13.
15 4.7 Együttműködés más szervekkel A SIMIC közös projektet a MICT a következő projektpartnerekkel hajtotta végre: Daimler Benz, Kutatás és Technológia, F2M/T - 77, Ottobrunn Daum GmbH, Schwerin Dornier MedTech, Germering (koordinátor) Endoscopic Devices Berlin (MGB) (alvállalkozó) a MICT-től) Fraunhofer Alkalmazott Optikai Intézet Lemke GmbH, Groebenzell A projekt finanszírozásán kívül a következő partnerekkel dolgoztunk: MIC - Képzési Központ (a 3D-s videorendszer és az árnyékoptika értékelése) Tübingeni Egyetem Egyetemi Épületirodája (ATM hálózat telepítése) Média Tanszék ZIT-AV Tübingeni Egyetem (ATM, multimédia CD-ROM) Telefontechnika a Tübingeni Egyetemen (telekonferencia-technológia integrálása) Karlsruhe IAI Kutatóközpont és HIT (Teleconference Karlsruhe Trondheim) Tenor Bedrift AS (- -) Trondheimi Egyetemi Kórház Fejlett Laparoszkópos Sebészeti Központja (- -) Telekom Kiel (telekonferencia Kiel, Karlsruhe, Tübing között en és Strasbourg) Telekom Karlsruhe, Project Centre Southwest (- -) IRCAD - EITS, Strasbourg (- -) 14
22 A varrási és csomózási technikák tanfolyamán (N&K tanfolyam) a következő műtéti lépéseket értékelték: A tű igazítása varrás irányába A szál végének megfogása A szál hurka a tűtartó körül Pontos átszúrás és átszúrás A tű átadása Folyamatos varrás Pénztárcás varrás T-vízelvezető rendszer behelyezése majd a következő kérdéseket tette fel a 3D-s rendszerrel való együttműködésről. A 3D-endoszkópok és a redőnyrendszerek alacsonyabb fényintenzitása miatt a kép fényereje csökken. Kérdés: Milyen benyomásod volt a kép fényességéről? A háromdimenziós kép elkészítéséhez folyadékkristályos eszközre van szükség, amelyet a monitorra (monitor redőny) vagy szemüvegbe (redőny szemüveg, lásd 2. ábra) helyeznek, és biztosítja, hogy a megfelelő kép minden szemhez hozzárendelésre kerüljön. Redőnyöket korábban az oktatóközpontban használtak erre a célra. Jelenleg nincsenek egyénileg beállítható redőnyök. Ezeknek a szemüvegeknek a hátránya a fényerő csökkenése, a nagy súly, a pontatlan illeszkedés, az operatív környezet kilátásának romlása és a szemüveg megcsúszása. 2. kép: redőnyszemüveg 21
35 SVHS videofelvevő fényvetítő ultrahangos generátor + 11 szonda CCD endokamera + lencse endo műtét CO 2 pneumatikus komplett nagyfrekvenciás készülék vágáshoz és koagulációhoz TEM műszerek, beleértve a sztereo optikai videokocsit, beleértve a fényvetítőt és a videofelvevő nélküli kamerát LAP eszközök Normál szita inszufflátorral Lithognost festéklézer a kőaprózódáshoz Karbantartási és üzemeltetési költségek évente 1. táblázat: Endoszkópos műszerek és eszközök beszerzési költségei 3 100,00 DM, 00 DM, 00 DM, 00 DM, 00 DM, 00 DM, 00 DM, 00 DM, 00 DM, 00 DM, 00 DM 5.5 WP 4: Fantom-összeállítások létrehozása A fantom-összeállítások áttekintése A következő fantom-összeállításokat hajtottuk végre: 1. fantom-összeállítás: Standardizált gyakorlatok a 3D-vizsgálathoz. 2. fantomtámogatás: mesterséges hasüreg reális színnel és geometriával. Phantom setup 3: klimatikus kamra az intraabdominális gáz és az optika különböző hőmérsékleti és páratartalmi viszonyainak szimulálására. 4. fantombeállítás: Beállítás a kilökődött szövetrészecskék csapadékának vizsgálatára az endoszkópon endoszkópos nagyfrekvenciás alkalmazás során. Phantom setup 5: Standardizált gyakorlatok az árnyékoptika vizsgálatához. 34
36 5.5.2 Phantom setup 1: szabványosított gyakorlatok a 3D-s tanulmányhoz A mérhető és objektív adatok megszerzése érdekében a MICT kidolgozott egy tanfolyamot 5 standardizált gyakorlattal (lásd 8. ábra). A nehézségi fokuknak megfelelően osztályozták őket, és olyan általános sebészeti technikák mintájára készültek, mint a varrás és a fogás. Meghatározták az érintkezési hibákat, amelyeket objektív módon elektronikus számlálóval rögzítettek. 8. fotó: Tanfolyam öt szabványosított gyakorlattal. A rögzített videokamerával ellátott endoszkópot szilárdan rögzítették egy tartóba, hogy a kamera irányítása ne befolyásolja az eredményt. A feladatok leírása 1. feladat: Ez a feladat egy műszer vezérelt pozícionálását jelenti. Ehhez a feladathoz egy habgömb fekszik egy mélyedésben. A habgömböt el kell távolítani, és újra vissza kell tenni anélkül, hogy a műszerrel megérintené a mélyedés fém alapját. 2. feladat: Ez a feladat a z célzott átadás biztosítása. B. szimulálja a tűt. Egy fém csapot át kell vezetni egy olyan téren, amelyet elöl rudak határolnak, a jobb hangszerrel, és a bal hangszerrel átveszik, anélkül, hogy hozzáérnének a fém részekhez. 35
38 10. ábra: 2a fantomszerkezet behelyezett szervekkel. A 2b fantomtámogatás alaptesteként a SOMSO (Coburg) vállalattól törzsmodellt szereltek a mellkasban és a hasban eltávolítható rögzített szervekkel. Sertéseken végzett állatkísérlet során nagy hasi bemetszést végeztek. A műtéti fényben a különböző orgonák színeit összehasonlítottuk a Pantone színpalettájával (3010 szín) (lásd 2. táblázat). A színválasztást ugyanúgy ellenőrizték a klinikán két műtét során. Szerv első mérése () 2. mérés () Szín CCMYKECMYKE alapszín vékonybél 176 CEE ér vékonybél 1945 CEE alapszín vastagbél 4995 CEE ér vastagbél 195 CEE vagy E alapszín máj 484 CEE májvonal 407 CEE alapszín lép E lépvonal 407 CEE mesenterery zsír E 97 -9 gyomor E vagy E érek Gyomor E Peritoneum 698 CEE 97-9 edények Peritoneum 709 CEE 2. táblázat: A nyitott disznó hasi szerveinek színösszehasonlítása Pantone színpalettával műtéti megvilágítás mellett. Ezen színjellemzőkkel a 2b fantomtámogatás hasi szerveit újonnan festették és anatómiailag részletezték . 37
5.6.3 Az áttekintő információk továbbításának forgatókönyvei Az áttekintő információk bemutatásának alábbi lehetőségeit vizsgáltuk és értékeltük 7 kritérium szerint (lásd a 3. táblázatot). Értékelő kulcs: ++ nagyon jó + jó o kielégítő - rossz - nagyon rossz beállítás 1 képminőségi részletkép ++ képminőség áttekintő kép ++ tájolás + bal/jobb műszer hozzárendelése + erőfeszítés o észlelés áttekintő kép - helyiségbeállítás 2 képminőségi részletkép + képminőség áttekintő kép + tájolás o Bal/jobb eszköz hozzárendelése + erőfeszítés + érzékelés áttekintő kép + szoba beállítása 3 Képminőség részletes kép o Képminőség áttekintő kép - tájolás - Bal/jobb eszköz hozzárendelése - erőfeszítés - észlelés áttekintő kép + szoba beállítása 4 Képminőség részletes kép ++ képminőség áttekintő kép o Tájolás - hozzárendelés bal/re eszköz - erőfeszítés o észlelés áttekintő kép - szoba o
43 5. beállítás: Képminőség részletei kép ++ Képminőség áttekintő kép ++ Tájolás o Bal/jobb műszer kiosztása o Erőfeszítés - percepció áttekintő kép - szoba o Beállítás 6 Képminőség részlet kép + képminőség áttekintő kép ++ Tájolás + allokáció bal/jobb műszer + erőfeszítés - észlelés áttekintő kép + szoba o 7. beállítás: Képminőség-részletkép ++ Képminőség-áttekintő kép ++ Tájolás - Bal/jobb műszer kiosztása + erőfeszítés - Az áttekintő kép észlelése o Helyiség 3. táblázat: A részletek és áttekintő képek megjelenítési lehetőségeinek értékelése. Rutin klinikai használatra a 6. beállítás optimálisnak tűnik, esetleg még a felső felső monitor nélkül is. Megvalósítás kísérleti és klinikai alkalmazásban Kísérleti és tudományos klinikai alkalmazásban mind a három endoszkópos képet 22 külön videomonitoron jelenítettük meg. A bal oldali áttekintő kép látható volt az 1. monitoron, a részletes kép a 2. monitoron és a jobb oldali áttekintő kép a 3. monitoron. 42
44 12. ábra: Részletes és áttekintő optika kép képben elrendezve összképben, 4: 3 képaránnyal. A klinikai használat során kapott három képet a videólaboratóriumban helyeztük el (lásd 12. ábra). A két áttekintő kép összevonása megfelelő átfogó képpé nem volt lehetséges az optikai torzítások és az áttekintő kamerák egymáshoz forgása miatt. A részletes optika tengelye az áttekintő képeken is fent látható. A részletkép itt úgy van elrendezve, hogy lefedje ezt a műtéti szempontból érdektelen területet. 5.7 WP 6: Felbontás és látómező elemzése Különböző minőségű videokamerákat használtak klinikailag és állatkísérletekben. A MICT már technikailag tesztelt különféle kamerákat, és megmérte különösen a felbontást, a színhűséget és a kontrasztvisszaadást. 43
70 Univerzális optika állatkísérletekkel az anyagon Univerzális optika fűtéssel, 2 elszívócsatornával, 2 szívó/öntözőcsatornával (lásd 16. és 26. ábra). MGB 400 W HTI gázkisüléses lámpával. Storz fényvetítő gázkisüléses lámpával. 30 laparoszkóp, MGB, 5 mm külső átmérőjű. Elektronikus PID szabályozó a házban lévő tápegységgel a fűtés vezérléséhez. Lemke 3 chipes endoszkóp kamera. SVHS videofelvevő. 10 mm-es trokár. 26. ábra: Univerzális optikai megvalósítás A fenti komponenseket laparoszkóposan használták sertéseken (kb. 35 kg). Először részletes diagnosztikai körképet hajtottak végre árnyékhatásokkal és anélkül, majd megragadási gyakorlatokat, ködösítési és vérzési kísérleteket, végül end-to-end vékonybél anasztomózist követtek. 69
A kongresszuson a kutatóközponttal együttműködve a 88 MICT képes volt hatékonyan bemutatni az ARTEMIS innovatív jellegét az endoszkóp-irányító rendszer használatával Karlsruhe és Trondheim közötti élő távközlés útján. 30. ábra: A földi ATM-kábelezés korlátai. Eredetileg a telemanipuláció megvalósítását ATM transzfer útján tervezték. Az összes lehetőség megvizsgálása után végül egyértelművé vált, hogy Karlsruhe-ból Kölnön és Göteborgon át Oslóig lehetségesek az ATM-vonalak, de Oslótól Trondheimig nem lehetséges ATM-kapcsolat (30. ábra). 87