Kamerové systémy pre minimálne invazívnu chirurgiu SIMIC - PDF na stiahnutie zadarmo

1 Spoločný projekt BMBF Kamerové systémy pre minimálne invazívnu chirurgiu SIMIC v rámci programu financovania mikrosystémových technológií Záverečná správa Sekcie pre minimálne invazívnu chirurgiu, Chirurgická klinika Eberhard-Karls-Universität Tübingen

minimálne

2 Obsah 1 Úloha Podmienky, za ktorých bol projekt realizovaný Plánovanie a postup projektu Najnovší stav techniky a technológie pred začatím projektu Stav minimálne invazívnej chirurgie Osvetlenie pre endoskopické operácie Prehľad endoskopických operácií Ohrievacie a oplachovacie funkcie pre endoskopy Technická literatúra, informačné a dokumentačné služby Použité informácie a dokumentačné služby Spolupráca s ostatnými orgánmi Výsledky Zhrnutie pracovného balíka 1 (WP 1): Návrh aplikačných scenárov Endoskopické operačné prostredie pre optimalizovaný systém videnia Cieľ zdokonaleného systému videnia Endoskopické operácie s optikou tuhých tyčových šošoviek Aplikačný scenár pre novo navrhnutý systém videnia WP 2: Endoskopická 3-D štúdia Úvod Využitie vo výcvikovom stredisku pre minimálne invazívnu chirurgiu Materiál a metódy Výsledok Testovanie v štandardizovaných cvičeniach Materiál a metódy Výsledok Kli nické použitie a pokusy na zvieratách Diskusia AP.3: Dizajn endoskopu s prehľadom o celkovej štruktúre Detailná optika Alternatívna detailná optika: Optika so zahnutou tyčovou šošovkou

3 5.4.4 Alternatívna podrobná optika: Tuhá širokouhlá optika s „posúvateľným“ CCD čipom Prehľad optiky Predbežné vyšetrenie vo fantómovom nastavení Predbežné vyšetrenie v experimente na zvieratách Realizácia ako optika zo sklenených vlákien Realizácia ako optika tyčovej šošovky Trokrový návlek Trónové napájacie vedenia tŕňa Monitory Monitory Náklady na kompatibilitu AP 4: Vytvorenie fantómových štruktúr Prehľad fantómových štruktúr Fantómová štruktúra 1 pre 3-D štúdiu Fantómové nastavenie 2: Umelá brušná dutina Fantómové nastavenie 3 pre analýzu teploty a vlhkosti Fantómové nastavenie 4 pre vysokofrekvenčnú expozíciu Fantómové nastavenie 5: Štandardizované cvičenia pre štúdiu tieňovej optiky Fantómové nastavenie 6 pre oplachovanie optiky AP 5: Prenos prehľadových informácií Požiadavky na prenos prehľadových informácií Predbežný test vo video laboratóriu Scenáre prenosu prehľadových informácií Realizácia v experimentálnom a klinickom použití WP 6: Rozlíšenie a analýza zorného poľa WP 7: Základný výskum. koniec. Polia objektov pre aktívne adaptívne osvetlenie Úvod Preváženie pracovnej náplne tohto balíka práce Experimenty s osvetlením vo fantómovej štruktúre Materiál Varianty osvetlenia Experimenty s osvetlením pri pokusoch na zvieratách Štruktúra Experimentálna implementácia Výsledok

5 Materiál a metódy Diskusia o výsledkoch Experimenty s optickým výplachom vo fantómovom nastavení Úvod Materiál Experimentálna implementácia Výsledok Experimentálna implementácia Výsledková diskusia AP 12/15 Testovanie funkčných modelov pri pokusoch na zvieratách Osvetľovacie zostavy pri pokusoch na zvieratách Meranie fyzikálnych podmienok pre jasný koniec. Pohľad na pokusy na zvieratách Úvod Materiál a metódy Diskusia o výsledkoch Prístup k riešeniu na dosiahnutie jasného pohľadu Univerzálna optika v experimentoch na zvieratách Realizácia materiálu Výsledok Diskusia Tieňová optika 1 v experimentoch na zvieratách Materiál Experimentálna implementácia Vyhodnotenie výsledku WP 13: Lekárska špecifikácia pozri WP 14: Testovanie funkčných modelov pri fantómových experimentoch pozri WP 15: Testovanie funkčných modelov v experimentoch na zvieratách pozri WP 16: Funkčné modely v klinickom použití Klinické použitie tieňovej optiky Prevádzka materiálu vo Fakultnej nemocnici v Tübingene

6 Vyhodnotenie výsledku Klinické použitie tieňovej optiky Materiál Tieňová optika Implementácia Vyhodnotenie výsledku Klinické využitie prehľadovej optiky Materiál Prehľadová optika Implementácia klinického použitia Výsledok Diskusia WP 17: Lekársky výcvik a vzdelávací program Požiadavky na chirurgický výcvik a vzdelávací program Lekárska technika. Výcvikový a vzdelávací program pre tieňovú optiku AP 18: Základné skúmanie telekomunikácií Stav telekomunikácií v MIC Technické princípy telekomunikácií Úvod B-kanál S0-kanálové vyhradené telefónne linky Satelitný prenos Dôležitá kritéria kvality pre multimediálnu komunikáciu Odporúčania pre kvalitu štúdia Požiadavky a možnosti telekonferencie Požiadavky na telekonferenciu Možnosti telekonferencie Zostavenie nákladov na dátový prenos v širokom pásme Príklad telekomunikačných aplikácií Telemanipulácia na EAES Kongres v Trondheime Telekonzultácia/telekonferencia na letnej akadémii '97 v Kieli. Medziklinická kabeláž ATM na univerzitnej klinike Tübingen. Aplikačný potenciál a použiteľnosť výsledkov

7 7 Dosiahnutý pokrok v priebehu projektu SIMIC na iných pozíciách Alternatívne možné riešenia, ktoré neboli vyvinuté v sieti Zhrnutie a výhľad Publikácie Príspevky na knihy a časopisy Nemecky Anglicky Arabsky Výstavy plagátov Anglicky Televízne príspevky v rámci spoločného projektu BMBF SIMIC Prednášky v rámci spoločného projektu BMBF SIMIC Nemecky anglicky ďalšie prezentácie

9 Obr. 29: Prehľad optického systému Obr. 30: Limity pozemskej kabeláže ATM Obr. 31: Náklady na satelitný prenos. 88 Obrázok 32: Implementovaná komunikácia Obrázok 33: Snímky počas telekonferencie. 90 Obrázok 34: Prehľad kabeláže ATM v oblasti MIC. 91 Zoznam tabuliek Tabuľka 1: Obstarávacie náklady na endoskopické nástroje a prístroje. 34 Tabuľka 2: Porovnanie farieb brušných orgánov otvoreného prasaťa s paletou farieb Pantone pod chirurgickým osvetlením. 37 Tabuľka 3: Vyhodnotenie možností zobrazenia podrobných a prehľadných snímok Tabuľka 4: Výsledky od 20 testovaných osôb v 5 úlohách, z ktorých každá bola vykonaná 10-krát náhodne s tieňmi alebo bez nich medzi predným objektívom a ľahkým trokarom Tabuľka 6: Investičné a prenosové náklady na prenos dát s vysokou šírkou pásma

14 [14] Schurr MO, Bablich H, Wurster H, Melzer A, Roth K, Wiest FM, Buess G: Nový optický čistiaci a vizualizačný systém pre endoskopickú chirurgiu, Minimally Invasive Therapy 3: (1994). [15] Scott-Conner CEH, Hall TJ, Anglin BL, Muakkassa FF, Pole GV, Thompson AR, Wilton PB. Integrácia laparoskopie do chirurgického rezidencie a dôsledky pre tréningové prostredie. Surg Endosc; 8: (1994) [16] Speneer K Režimy, médiá a metódy: východisko pre efektívnosť vzdelávania. Br J Educ Technol; 22: (1991) [17] Herbert Schwind GmbH & Co. KG, Návod na obsluhu optických zariadení TITMUS II-S: 15 [18] Strutz J. 3D endoskopia. ENT 41: (1993) [19] Zobel J. Základy trojrozmerného endoskopického videnia. End Surg 1: (1993) 4.6 Uskutočnili sa informačné a dokumentačné služby použité na literatúre. Bol založený na nasledujúcich CD: AB/Inform Global, BA na CD, CC Search (R) 7 Editions, GeoRef Disc, Mathsci Disc, Medline Express, MLA Bibliography, PAIS International, PsycLit, PSYNDEX plus, Sociofile a WISO-WAO. Okrem toho prebiehala neustála výmena informácií prostredníctvom návštev vedeckých kongresov, ako aj spoločností a výskumných ústavov. 13

15 4.7 Spolupráca s inými orgánmi Spoločný projekt SIMIC uskutočnil MICT s nasledujúcimi partnermi projektu: Daimler Benz, Research and Technology, F2M/T - 77, Ottobrunn Daum GmbH, Schwerin Dornier MedTech, Germering (koordinátor) Endoscopic Devices Berlin (MGB) (subdodávateľ) z MICT) Fraunhofer Facility for Applied Optics Lemke GmbH, Groebenzell Spolupracovali sme s nasledujúcimi partnermi mimo financovania projektu: MIC - Školiace stredisko (hodnotenie 3-D video systému a tieňovej optiky) Univerzitný stavebný úrad univerzity v Tübingene (inštalácia siete ATM) Mediálne oddelenie ZIT-AV z University of Tübingen (ATM, multimedia CD-ROM) Telephone technology from the University of Tübingen (integration of teleconferencing technology) Research Center Karlsruhe IAI and HIT (Teleconference Karlsruhe Trondheim) Tenor Bedrift AS (- -) Center for Advanced Laparoscopic Surgery, Trondheim University Hospital (- -) Telekom Kiel (telekonferencia medzi Kiel, Karlsruhe, Tübing en a Štrasburg) Telekom Karlsruhe, Project Center Southwest (- -) IRCAD - EITS, Štrasburg (- -) 14

22 V kurze techniky šitia a uzlovania (kurz N&K) boli hodnotené nasledujúce chirurgické kroky: Zarovnanie ihly v smere stehu Uchopenie konca nite Omotanie nite okolo držiaka ihly Presné prepichnutie a prepichnutie Prechod ihlou Nepretržitý šev Steh kabelky-šnúrky Predstavenie systému T-drenáže potom položil nasledujúce otázky týkajúce sa práce so trojrozmerným systémom. Vďaka nižšej intenzite svetla 3-D endoskopov a systémov uzávierky sa jas obrazu zníži. Otázka: Aký bol váš dojem z jasu obrazu? Na získanie trojrozmerného obrazu je potrebné zariadenie z tekutých kryštálov, ktoré je umiestnené na monitore (uzávierka monitora) alebo v okuliaroch (okuliare uzávierky, pozri obrázok 2) a zaisťuje, aby bol každému oku priradený zodpovedajúci obraz. Na tento účel sa predtým vo výcvikovom stredisku používali okenné okuliare. Momentálne neexistujú žiadne okenice, ktoré by sa dali individuálne nastaviť. Nevýhody týchto okuliarov sú strata jasu, vysoká váha, nepresnosť sedenia, zhoršený výhľad na operačné prostredie a pošmyknutie okuliarov. Obrázok 2: okenice 21

35 videorekordérov SVHS svetelný projektor ultrazvukový generátor + 11 sond CCD endokamera + šošovka laserová endo chirurgia CO 2 pneumatický kompletný vysokofrekvenčný prístroj na rezanie a koaguláciu TEM nástroje vrátane stereoptiky videozáznamník kompletný vrátane svetelného projektora a kamery bez videorekordéra LAP Štandardné sito vrátane insuflátora Litognostický laser na farbenie kameňa Údržba a prevádzkové náklady ročne Tabuľka 1: Náklady na obstaranie endoskopických nástrojov a prístrojov 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: Tvorba fantómových zostáv Prehľad fantómových zostáv Boli implementované nasledujúce fantómové zostavy: Fantómová zostava 1: Štandardizované cvičenia pre 3-D štúdiu. Fantómová podpera 2: Umelá brušná dutina s realistickou farbou a geometriou. Fantómové nastavenie 3: klimatická komora na simuláciu rôznych teplotných a vlhkostných podmienok vnútrobrušného plynu a optiky. Fantómové nastavenie 4: Nastavenie na skúmanie zrazeniny vyhodených častíc tkaniva na endoskopu počas endoskopickej vysokofrekvenčnej aplikácie. Fantómové nastavenie 5: Štandardizované cvičenia pre štúdiu tieňovej optiky. 34

5.5.2 Fantómové nastavenie 1: štandardizované cvičenia pre 3-D štúdiu S cieľom získať merateľné a objektívne údaje vyvinul MICT kurz s 5 štandardizovanými cvičeniami (pozri obr. 8). Boli klasifikovaní podľa stupňa obtiažnosti a na základe bežných chirurgických techník, ako je šitie a uchopenie. Boli definované kontaktné chyby, ktoré boli objektívne zaznamenané elektronickým počítadlom. Foto 8: Kurz s piatimi štandardizovanými cvičeniami. Endoskop s pripojenou videokamerou bol pevne nainštalovaný v držiaku, takže navádzanie kamery nemá žiadny vplyv na výsledok. Opis úloh Úloha 1: Táto úloha predstavuje kontrolované umiestnenie nástroja. Pre túto úlohu leží penová guľa vo výklenku. Penovú guľu by ste mali vybrať a vymeniť bez toho, aby ste sa prístrojom dotkli kovovej základne vybrania. Úloha 2: Táto úloha má uľahčiť cielené odovzdanie z. B. simulujte ihlu. Kovový čap má prechádzať cez priestor, ktorý je vpredu ohraničený tyčami, pomocou pravého nástroja a prevziať ľavým nástrojom bez dotyku s kovovými časťami. 35

38 Obr. 10: Fantómová štruktúra 2a s vloženými orgánmi. Ako základné teleso pre fantómovú oporu 2b bol obstaraný model trupu s odnímateľnými fixovanými orgánmi v hrudníku a bruchu od spoločnosti SOMSO (Coburg). Veľký brušný rez sa uskutočnil pri pokuse na zvieratách na ošípaných. Vo svetle operačného sálu sa potom porovnali farby rôznych orgánov s farbami palety farieb Pantone (3010 farieb) (pozri tabuľku 2). Rovnakým spôsobom bol na klinike skontrolovaný výber farieb pri dvoch operáciách. Orgán 1. meranie () 2. meranie () Farba CCMYKECMYKE základná farba tenkého čreva 176 CEE nádob tenké črevo 1945 CEE základná farba hrubého čreva 4995 CEE nádob hrubé črevo 195 CEE alebo E základná farba pečene 484 CEE pečeňové línie 407 CEE základná farebná slezina E slezinové čiary 407 CEE mezentery tuk E 97 -9 Žalúdok E alebo E Cievy Žalúdok E Peritoneum 698 CEE 97-9 Cievy Peritoneum 709 CEE Tabuľka 2: Farebné porovnanie brušných orgánov otvoreného prasaťa s paletou farieb Pantone pod chirurgickým osvetlením S týmito farebnými špecifikáciami boli brušné orgány fantómovej abutmentu 2b novo namaľované a anatomicky podrobné . 37

42 5.6.3 Scenáre prenosu súhrnných informácií Nasledujúce možnosti prezentácie súhrnných informácií boli preskúmané a vyhodnotené podľa 7 kritérií (pozri tabuľku 3). Hodnotiaci kľúč: ++ veľmi dobrý + dobrý o uspokojivý - zlé - veľmi zlé nastavenie 1 detail kvality obrazu obrázok ++ prehľad kvality obrazu obrázok ++ orientácia + priradenie ľavý/pravý prístroj + úsilie o prehľad vnímania obrázok - nastavenie miestnosti 2 detail obrazu kvality + prehľad kvality obrazu obrázok + orientácia o Priradenie ľavý/pravý prístroj + úsilie + obrázok prehľadu vnímania + nastavenie miestnosti 3 Obrázok kvality podrobného obrazu o Obrázok kvality prehľadu obrazu - orientácia - Priradenie ľavý/pravý nástroj - úsilie - obrázok prehľadu vnímania + nastavenie miestnosti 4 Obrázok kvality podrobného obrázka ++ obrázok prehľadu kvality obrazu o Orientácia - priradenie vľavo/re nástroj - úsilie o vnímanie prehľadný obraz - miestnosť o

43 Nastavenie 5 Podrobný obrázok kvality obrazu ++ Prehľad kvality obrazu Obrázok ++ Orientácia o Rozdelenie ľavého/pravého nástroja o Úsilie - prehľad vnímania Obrázok - miestnosť o Nastavenie 6 Detailný obrázok kvality obrazu + prehľad kvality obrazu Obrázok ++ Orientácia + pridelenie ľavého/pravého nástroja + úsilie - prehľad vnímania Obrázok + miestnosť o Nastavenie 7 Detailný obrázok kvality obrazu ++ Prehľad kvality obrazu Obrázok ++ Orientácia - Rozdelenie ľavého/pravého nástroja + úsilie - Vnímanie prehľadného obrázka o Tabuľka miestností 3: Vyhodnotenie možností zobrazenia podrobných a prehľadných obrázkov. Pre bežné klinické použitie sa javí ako optimálne nastavenie 6. Možno aj bez prídavného horného monitora. Realizácia v experimentálnom a klinickom použití Pri experimentálnom a vedeckom klinickom použití sme všetky tri endoskopické obrázky zobrazili na 22 samostatných videomonitoroch. Ľavý prehľadný obraz bol viditeľný na monitore 1, detailný obraz na monitore 2 a pravý celkový prehľad na monitore 3. 42

44 Obr. 12: Detailná a prehľadná optika usporiadaná obraz v obraze do celkového obrazu s pomerom strán 4: 3. Tri obrázky získané pri klinickom použití sa superponovali vo video laboratóriu (pozri obrázok 12). Fúzia týchto dvoch prehľadových snímok do vhodného celkového prehľadného obrazu nebola možná z dôvodu optického skreslenia a rotácie prehľadových kamier proti sebe. Hriadeľ podrobnej optiky je tiež vidieť vyššie na prehľadných obrázkoch. Detailný obraz je tu usporiadaný tak, že pokrýva túto chirurgicky nezaujímavú oblasť. 5.7 WP 6: Rozlíšenie a analýza zorného poľa Videokamery rôznej kvality sa použili klinicky aj pri pokusoch na zvieratách. Spoločnosť MICT už technicky testovala rôzne fotoaparáty a merala najmä rozlíšenie, vernosť farieb a vykreslenie kontrastu. 43

70 Univerzálna optika v experimentoch na zvieratách Univerzálna optika s ohrevom, 2 izolačné kanály, 2 sacie/zavlažovacie kanály (pozri obr. 16 a obr. 26). MGB s plynovou výbojkou HTI 400 W. Svetelný projektor Storz s plynovou výbojkou. 30 laparoskop, MGB, vonkajší priemer 5 mm. Elektronický PID regulátor s agregátom v kryte na reguláciu vykurovania. 3-čipová kamera Lemke endoskop. Videorekordér SVHS. 10 mm trokar. Obrázok 26: Implementácia univerzálnej optiky Vyššie uvedené komponenty boli použité laparoskopicky na ošípaných (približne 35 kg). Najskôr sa uskutočnil podrobný diagnostický všestranný pohľad s alebo bez tieňových efektov, potom nasledovali uchopovacie cvičenia, pokusy o zahmlievanie a krvácanie a nakoniec anastomóza tenkého čreva end-to-end. 69

Na kongrese v spolupráci s výskumným centrom dokázalo 88 MICT účinne demonštrovať inovatívny charakter systému ARTEMIS pomocou endoskopického navádzacieho systému prostredníctvom živej telekomunikácie medzi Karlsruhe a Trondheimom. Obrázok 30: Limity pozemskej kabeláže ATM. Pôvodne sa plánovalo realizovať telemanipuláciu prostredníctvom prevodu ATM. Po preskúmaní všetkých možností bolo konečne zrejmé, že linky bankomatov z Karlsruhe cez Kolín nad Rýnom a Göteborgom do Osla sú možné, ale že nie je možné žiadne spojenie bankomatov z Osla do Trondheimu (obr. 30). 87