Jaksa László Gyakorlóeszköz tervezése laparoszkópos sebészeti készségek fejlesztéséhez konzulensek: Dr. Kiss Rita, Pammer Dávid Budapest, 2015
Köszönetnyilvánítás A dolgozat megírásában segítettek, ezért köszönettel tartozom: Dr. Kiss Rita egyetemi tanárnak konzulensi segítségéért, Pammer Dávid doktorandusznak konzulensi segítségéért és az eszköz gyártásában való közreműködésért, Dr. Jaksa László főorvosnak tervezési javaslataiért és a mérések során nyújtott segítségért, Manhertz Gábor doktorandusznak és Szakály Norbert tanszéki mérnöknek a programozásban nyújtott segítségükért. 1
Tartalom Fejezet Oldal 1. Bevezetés... 3 2. Laparoszkópos készségek fejlesztése és tesztelése... 5 2.1. A laparoszkópos technika hatása a vizuális érzékelésre... 7 2.2. Az alapvető laparoszkópos készségek... 8 2.3. Laparoszkópos készségek mérése... 8 2.4. Egy jó értékelő eszköz jellemzői... 9 3. Virtuális valóság szimulátorok... 10 3.1. Jelenleg a piacon elérhető,... 10 vagy fejlesztés alatt álló virtuális valóság szimulátorok 3.2. A virtuális valóság szimulátorok előnyei és hátrányai... 12 a fizikai rendszerekkel szemben 4. Tervezés, gyártás, szerelés és mérés... 14 4.1. A tervezés és a szerelés lépései... 14 4.2. Mérési eredmények feldolgozása... 19 5. Konklúzió... 22 6. Az eszköz fejlesztési lehetőségei... 22 7. Referenciák... 23 2
1. Bevezetés A sebészeti szimulációt egyidősnek tekinthetjük magával a sebészettel, hisz gyakorlatilag minden gyakorlásra lehetőséget adó berendezés egyben szimulátornak is tekinthető. Minden szimulátort a valóság megközelítésének mértéke jellemez. Virtuális valóságot teremtő sebészeti szimulátor fejlesztése először 1993-ban merült fel, az első ilyen jellegű prototípus 1997-ben épült meg, majd 2002-ben fogadták el hiteles sebészeti oktatóeszköznek. Jelenleg is folyó kutatások célja egy olyan ideális szimulátoros tananyag kidolgozása, amely a sebészek oktatását hatékonyabbá teszi [1]. Egy hiteles, készségfejlesztésre alkalmas szimulátor építése több tudományterület tudásanyagát is igénybe veheti. A virtuális valóság felépítése magában foglalja a biomechanikai modellalkotást, az ütközéskezelő algoritmusok fejlesztését, grafikus megjelenítő technológiákat, és sok esetben a haptikus megoldásokat egyaránt. Az orvostudomány oldaláról fontos a laparoszkópia, és az ahhoz tartozó műveletek pontos definiálása, a kulcsfontosságú műtéti készségek kiválasztása, a mérési és fejlesztési módszerek kidolgozása. A sebészeti készségek fejlődéséért felelős tanulási folyamatok megértéséhez kognitív és oktatás módszertani ismeretek is szükségesek. Ezt az interdiszciplinaritást az 1. ábra szemlélteti. 1. ábra: A sebészeti szimulációban szerepet játszó tudományterületek Venn-diagramja [1] 3
4 Egy korábbi kutatásban a laparoszkópos gyakorlóeszközök hatékonyságát cholecystectomia (epehólyag eltávolítása) esetén vizsgálták. Elemezték, hogy a gyakorlóeszközök használatával hogyan változnak a műtéthez szükséges pszichomotoros képességek. 24 sebész rezidenst, akik még soha nem végeztek laparoszkópos műtétet, két csoportba (csoportonként 12 fő) osztottak. A műtéttel kapcsolatos elméleti tudnivalók elsajátítása után az első csoport a műtétre laparoszkópos szimulátorral is gyakorolt, a második csoport nem. Három hónap elteltével az első csoport egy része további három hónap tréningen vett részt. A szimulátoros gyakorlás tizenkét, a műtét során használatos mozdulatot utánzó gyakorlat tízszeri ismétléséből állt. A vizsgálathoz kialakított három csoport (kontroll, egyszer gyakorolt, kétszer gyakorolt) teljesítményét szimulátor használata és a valós műtét végzése közben is egy általuk felállított szempontrendszer szerint értékelték. Az egyszer vagy kétszer gyakorolt csoportok teljesítménye szignifikánsan jobb volt, mint a kontrollcsoport teljesítménye, de szignifikáns különbséget nem találtak az egyszer és kétszer gyakorolt csoportok között. Ezek alapján megállapították, hogy a laparoszkópos gyakorló szimulátorok alkalmasak a műtétek biztonságos elvégzéséhez szükséges pszichomotoros készségek kockázatmentes fejlesztésére. [2]
2. A laparoszkópos készségek fejlesztése és tesztelése A laparoszkópos műtétek a páciens hasfalán ejtett apró metszéseken keresztül történnek, amelyeken keresztül a hasüregbe sebészeti eszközöket és fényforrással ellátott kamerát (laparoszkópot) vezetnek (2. ábra). A műtétek elvégzéséhez elegendő munkateret a hasüreg felfújásával biztosítják, a nyomáscsökkenést a hasfalon létrehozott nyílásokba helyezett trokárokkal akadályozzák meg, amelyeken keresztül a sebészeti eszközök hasüregbe vezetése is biztonságosan megoldható. Az endoszkópot is az egyik trokáron keresztül vezetik be, majd a kamera képét egy általában a műtőasztal felett vagy mellett elhelyezett képernyőn jelenítik meg. A sebész a képernyőt nézve tájékozódik a hasüregben. A páciens hasfala laparoszkópos műtét során kevésbé károsodik, így a felépülés gyorsabb, kevesebb fájdalommal jár, ami csökkenti a kórházban töltött időt, és a költségeket is. A műtéti hegek is kisebbek, esztétikusabbak. Az endoszkóp használata lehetővé teszi a szabad szemmel nehezen látható anatómiai területek részletesebb megjelenítését [1]. Grasper Grasper 2. ábra: A laparoszkópos műtétek alapelve [12] 5
A laparoszkópos műtétek a sebészek részéről egészen más mozgásmintát igényelnek, mint a hagyományos, nyitott műtétek. A munkateret nem közvetlenül, hanem egy képernyőn keresztül látják. Ez a mélységérzékelést nehezíti, a pontos tájékozódás nagyban függ a sebész gyakorlottságától, és egyéb képességeitől is. A laparoszkópot jellemzően az orvosi végzettséggel rendelkező másodoperatőr, asszisztens kezeli, ami fokozott kommunikációt igényel az asszisztens és a sebész között. A laparoszkópos sebészeti eszközök (3. ábra) hosszabbak, mint a nyitott műtéti eszközök, így a haptikus információ is kevesebb. A manőverezés is nehezebb, mert a trokár forgáspontot képez az eszköz szárán, az eszköz végének elmozdulása mindig ellentétes irányú lesz, mint a markolat elmozdulása. A koordinációt tovább nehezíti, ha az laparoszkóp nem a sebész szemszögéből néz a munkatérre. [1] fogók laparoszkóp trokárok optikai kábel a) b) 3. ábra: a) laparoszkópos eszközök és trokárok b) laparoszkópos műtét A laparoszkópos és a nyitott műtétek közti különbségeket az 4. és 5. ábrák szemléltetik. 4. ábra: A hagyományos, nyitott műtétek folyamatábrája [1] 6
5. ábra: A laparoszkópos műtétek folyamatábrája [1] Összefoglalóan a laparoszkópos műtétek kifinomult technikát és megfelelő környezetben végzett gyakorlást igényelnek. A gyakorlás egyik eszköze lehet egy sebészeti szimulátor. Sebészeti szimulátor tervezésekor az elsődleges feladat a szimulátor céljának meghatározása. Minden szimulátornak meg kell felelnie két alapvető kritériumnak: Egyrészt egy kockázatmentes, a valóságot megfelelő pontossággal, de közelítésekkel modellező gyakorlókörnyezetet kell létrehoznia; másrészt alkalmasnak kell lennie a célzott készségek objektív értékelésére. 2.1 A laparoszkópos technika hatása a vizuális érzékelésre A hagyományos nyitott sebészethez képest a laparoszkópos sebészetben nem csak a mechanikai érzékelés más, hanem munkatér látványa is változik: [1] A hasüreg térbeli (3D) környezetét a sebész síkban (2D), egy monitoron megjelenítve látja. [1] A laparoszkóp elhelyezkedésétől függően a szervek nagyítva, részletesebben láthatóak a nyitott műtéteknél jellemző szabad szemmel való vizsgálathoz képest. [1] A síkbeli megjelenítés következtében a természetes emberi mélységérzékelés nem valósulhat meg, de a sebésznek térbeli környezetben kell tájékozódnia. Ebben a síkbeli képről is leolvasható, térbeliségre utaló információk segítik. A képi információk - pl.: a szervek mérete, részletessége, átfedése és a parallaxis információk pl. a laparoszkóp elmozdulása miatt a képen bekövetkező szögváltozások segítségével, és a hasüreg anatómiájának ismeretével a térbeli tájékozódás sík kép esetén is lehetséges, de megfelelő szintű anatómiai tudást, térlátást és gyakorlást igényel. Több tanulmány [1] is korrelációt fedezett fel a hétköznapi térbeli érzékelést és tájékozódást célzó teszteken nyújtott teljesítmény és a sebészeti ügyesség között. 7
2.2 Az alapvető laparoszkópos készségek Vizuális térérzékelés: A monitor 2D képe alapján a sebésznek képesnek kell lennie a hasüreg 3D környezetében tájékozódni. Haptikus érzékelés: A laparoszkópos eszközök hosszú szára megnehezíti a haptikus érzékelést, ami sok gyakorlás árán fejleszthető, és a szervek óvatos mozgatásának képességét alakítja ki. Ez a képesség objektíven nehezen mérhető. Kamerakezelés: Endoszkópot használva a sebész más távolságokból és más szögekből látja a hasüreg anatómiáját, mint nyitott műtéteknél. Ez műtéttől és pácienstől függően könnyítheti és nehezítheti is a tájékozódást. Kéz-szem koordináció: A sebész nem a munkateret, hanem az azt megjelenítő monitort nézni, tehát fizikailag nem oda néz, ahol a munkát végzi. Ehhez hozzáadódik a trokár forgáspontot képző hatása és az endoszkóp nézőpontjának változtathatósága. Ezek együttes hatásának leküzdéséhez a sebésznek fejlett mozgáskoordinációval kell rendelkeznie. Megragadás és húzás: A szövetek óvatos kezelése és manipulációja kulcsfontosságú. Kezek függetlenítése: A legtöbb manőver során a két kéznek különböző, nem szimmetrikus mozdulatokat időben egymással párhuzamosan kell végeznie. Gyakran a két kézben két különböző eszköz van. Vágás: Az egyik kéz (jellemzően a bal) egy fogóval eltart egy útban levő szövetrészt, a másik kéz egy vágó eszközzel elvág egy, a bal kéz által hozzáférhetővé tett szövetrészt. Varrás: A szövetek varrásakor a nyitott műtétekhez képest a kevesebb mozgási szabadságfok áll rendelkezésre, továbbá a fonál csúszós, nehezen kezelhető természete megnehezíti a csomózást. Ezek együttesen speciális képesség kialakulását igénylik. 2.3 A laparoszkópos készségek mérése Közvetlen szakértői megfigyelés: A kezdő sebészeket műtét vagy gyakorlás közben idősebb, tapasztaltabb sebészek figyelik, értékelik. Ez a módszer szubjektivitása miatt a 2.2. fejezetben definiált készségeket nem tudja pontosan mérni. Ügyességelemző rendszerek (dexterity analysis systems): Ezek a rendszerek a mozdulatokat elektromágneses, optikai vagy mechanikai szenzorokkal követik, majd az adatok alapján elemzik az elvégzett manővereket. Fizikai szimulátorok (physical simulators): Egyszerű, könnyen megfigyelhető és értékelhető feladat végrehajtásához épített szerkezetek. A részletesebb elemzés érdekében az előző pontban említett ügyességelemző rendszerekkel is kombinálhatók. Virtuális valóság szimulátorok (virtual reality simulators): Napjainkban gyorsan fejlődő szimulátor-típus, amely alkalmas alapvető készségek gyakorlására, vizsgálatára, az 8
eredmények értékelésére. Vélhetően a közeljövőben nemcsak egyes mozdulatok, mozdulatsorok, hanem teljes műtétek gyakorlására és értékelésére is alkalmassá válhatnak. A szakértői felülvizsgálathoz hasonlóan az azonnali visszajelzés és értékelés lehetőségének a biztosítása is elengedhetetlen. A 6. ábrán a laparoszkópos gyakorló eszközök három példája látható. b) c) 6. ábra: Három ügyességelemző berendezés:[1] a) ICSAD, Imperial College London b) Blue Dragon, University of Washington c) CELTS szimulátor 2.4 Egy jó értékelő eszköz jellemzői Egy laparoszkópos sebészeti készségeket értékelő eszköznek a következő követelményeknek kell megfelelnie: Megbízhatóság: Adott felhasználó eredményét különböző gyakorlási alkalmak között hasonlónak kell minősítenie, feltéve, hogy az alkalmak között nem történt egyéb gyakorlás. Az ilyen eszközök megbízhatóságát 0 és 1 közötti értékkel szokás jellemezni: 0 esetén az eszköz nem megbízható, 0,5 esetén éppen elfogadható, 0,8 körül már megfelelően megbízható. Hitelesség: Kifejezi, hogy az eszköz által ténylegesen mért jellemző és valóság közötti korrelációt. A hitelesség az egyik legfontosabb jellemző. Építő visszajelzések: Az eszköznek a felhasználóval a hibáit, és a fejlesztést igénylő területeket ismertetnie kell. Használhatóság: Az eszköznek műszakilag megvalósíthatónak kell lennie. Rugalmasan kell kezelnie a célfunkciók különböző altípusait, és átfogó képet kell adnia a vizsgált jellemzőkről. Az eredményeknek könnyen rendszerezhetőnek és követhetőnek kell lennie. 9
3. Virtuális valóság szimulátorok A virtuális valóságot (virtual reality, VR) modellező szimulátorok a fizikai modellekkel szembeni előnye, hogy a számítógépes rendszerek rugalmasságával, átprogramozhatóságával és bővíthetőségével rendelkeznek. A szimulátorok fő részei: számítógép, ami a szimulációt elvégzi, kontroller, amit a felhasználó kezel, ezzel kapcsolatot létesítve a számítógéppel, monitor, ahol a felhasználó a virtuális valóságot, és abban aktivitásának eredményét látja. A virtuális valóság (a továbbiakban VR) szimulátorok a szimuláció bonyolultsága és valósághűsége alapján további kategóriákba sorolhatóak: precíziós tárgyelhelyezést célzó rendszerek többnyire hallgatók használják, egyszerű manipulációs rendszerek, bonyolult manipulációs rendszerek, integrált rendszerek, pl.: teljes cholecystectomia (epehólyag-eltávolítás) szimulációja. A VR szimulátorok aszerint is kategorizálhatók, hogy a sebészeti szimulációs berendezések fejlődésének melyik generációjához, korszakához tartoznak: az első generációs VR szimulátorok a páciens adatai alapján generált virtuális térben való tájékozódást és mozgást tették lehetővé, a második generációs szimulátorokban a virtuális belső szervekkel már mechanikai interakció is létesíthető, a jelenleg fejlesztés alatt álló következő (harmadik) generációnál a virtuális páciens bizonyos műveletekre adott fiziológiai reakciói is szimulálhatóak. 3.1 Jelenleg a piacon elérhető, vagy fejlesztés alatt álló virtuális valóság szimulátorok: MIST-VR: (7. ábra) Ez az első VR szimulátor. A műtéti környezet egy kevéssé valósághű absztrakcióját jeleníti meg munkatérként. Ennek ellenére a szimulátor megfelelő gyakorló- és képességfelmérő eszköznek bizonyult. 7. ábra: MIST-VR [4] 10
LapSim: (8. ábra) Egyszerűsített laparoszkópos műtéti környezetet biztosít az alapvető készségek gyakorlásához, de összetettebb, specializáltabb manőverek gyakorlására is lehetőséget ad. 8. ábra: LapSim [5] ProMis: (9. ábra) Ez egy hibrid szimulátor, egyszerre használja fizikai és virtuális valóságot. Valódi laparoszkópos eszközöket alkalmaz, melyek mozgását két kamerával figyeli, ezáltal az eszközök mozgása követhető. A követett eszközöket virtuális térben megjelenítve virtuális gyakorlófeladatok elvégzését teszi lehetővé. 9. ábra: ProMis [6] Vest-One: (10. ábra) Ez a szimulátor az alapvető ügyességi feladatokat erővisszacsatolással egészíti ki. A laparoszkópos cholecystectomia közelítő szimulációjára is képes. ReachIn Laparoscopic Trainer (RLT): Szintén erővisszacsatolást használ, valamint az előzetesen felvett mozdulatsorok visszajátszására is alkalmas. 10. ábra: Vest-One [7] XiTact LS500: (11. ábra) Ugyancsak egy erővisszacsatolással ellátott szimulátor. LapMentor: (12. ábra) A jelenleg elérhető egyik legfejlettebb rendszer, amely valósághű szimulációval már varrási gyakorlatokat is tartalmaz. 11. ábra: XiTact LS500 [8] 11
SIMENDO: (13. ábra) A MIST-VR-hez hasonlóan az alapkészségek fejlesztésére koncentrál, a munkatér erős absztrakcióját alkalmazva. 12. ábra: LapMentor [9] 13. ábra: SIMENDO [10] SimSurgery SEP: (14. ábra) Részletes és valósághű VR szimulátor. Komoly analitikai háttérrel rendelkezik, amely a kiértékelést is segíti. A laparoszkópos sebészeti szimulációban fizikai eszközök mozgásának rögzítésére elsőként használ elektromágneses jeladókat. Vágási gyakorlatokat is tartalmaz, de erővisszacsatolással nem rendelkezik. 14. ábra: SEP [11] 3.2 A virtuális valóság szimulátorok előnyei és hátrányai A következőkben a VR rendszerek előnyei a fizikai rendszerekhez viszonyítva: kevesebb felszerelést igényelnek, egyszerre sok tényezőt mérhet a rendszer, azonnali visszajelzést adnak és értékelik a teljesítményt, a felhasználó külső megfigyelő nélkül is gyakorolhat és fejlődhet, a külső megfigyelő elhagyásával a gyakorlás költségei is csökkennek. A szimulátorok használata a sebészeti oktatásban további előnyökkel jár. Az állatokon való gyakorlással vagy az éles körülmények közti tapasztalatszerzéssel szemben a szimulátorok használata nem jár kockázattal, nem merülnek fel etikai kérdések. A VR szimulátoroknak hátrányai is vannak. A fő probléma a korlátozott interakció a szövetekkel és szervekkel. A sebészeknek ezen a téren jellemzően magasak az elvárásaik, melyeket a jelenlegi mechanikai szimulációk és erővisszacsatolást alkalmazó rendszerek nehezen elégítenek ki. A szimulátorok többsége drága, ezért nem minden intézmény engedheti meg magának, hogy komoly VR rendszerekkel képezze a sebészeket. 12
Egy másik kutatás [3] célja egy alacsony költségű, könnyen felépíthető és otthoni használatra is alkalmas laparoszkópos gyakorlóeszköz megépítése volt. Egy műanyag tároló dobozra többrétegű rugalmas réteget erősítettek, ami a hasfalat reprezentálta. Ebbe a rugalmas anyagba elhasznált, normál laparoszkópos trokárokat vezettek. A trokárokon keresztül a műtéti eszközök a doboz belsejébe vezethetőek. Egy hajlékony csőben egy 1,3 megapixeles USBwebkamerát, és egy 1,25 W teljesítményű halogén fényforrást helyeztek el, majd vezettek be a doboz oldalán, egy furaton keresztül. Ez modellezte a laparoszkópot. A prototípus a 15. ábrán látható. számítógép sebészeti eszközök műanyag doboz laparoszkóp 15. ábra: az alacsony költségű gyakorlóeszköz használat közben [3] A gyakorlóeszköz a kereskedelmi forgalomban kaphatóakhoz képest jelentősen kisebb költségű. Több tanuló sebész is lehetőséget kapott a gyakorlásra, elmondásuk szerint magabiztosabbá váltak több mozdulat végrehajtásában is, külön kiemelve a trokárok behelyezését. Ez a prototípus bizonyítja, hogy az eredményes otthoni gyakorláshoz magas költségű felszerelés vásárlása nélkül is elő lehet teremteni a megfelelő körülményeket. A költségek alacsonyan tartása számomra is fontos szempont a tervezés során. 13
4. Tervezés, gyártás, szerelés és mérés 4.1 A tervezés és a szerelés lépései A saját tervezésű laparoszkópos gyakorló szimulátor megépítésének első lépése a mechanika elvi felépítése. Ide tartozik a laparoszkópos eszköz és a páciens kapcsolatáról egy egyszerű mechanikai modell felállítása. A laparoszkóp hasfalon történő bejutását lehetővé tevő nyílást fenntartó trokár a belévezetett eszközzel együtt két szögkoordinálta változása szerint képes elfordulni, ezért ezt a kapcsolatot egy kardáncsuklóval az eszköz a trokáron át tengelyirányban oda-vissza is mozgását egy teleszkóppal modelleztem. A szerkezeti elemek 3D nyomtatással PLA-ból (politejsav), illetve lézervágással PMMA-ból (polimetil-metakrilát, plexi) készültek (16. ábra). a) b) c) d) e) 16. ábra: a) kardáncsulkó b) teleszkóp prototípusa c) Arduino Uno mikrokontroller d) szimulátorkar CAD modellje e) a CAD modell alapján 3D-nyomtatással készült alkatrészek 14
A két szögelfordulás és az egy egyenes elmozdulás méréséhez a szerkezetbe épített potenciométereket használtam. A csúszkás potenciométerek csúszkájának elmozdulása, és a tekerő potenciométerek forgórészének elfordulása egyenesen arányos a potenciométer ellenállásának megváltozásával. Az ebből fakadó feszültségváltozások mérése Arduino Uno mikrovezérlővel történt, és annak programozási környezetét, az Arduino IDE-t használtam. Az adatok feldolgozása és a szimuláció a National Instruments LabVIEW környezetében történt. A kardáncsukló középső elemébe, melyen mindkét megengedett elfordulás tengelye átmegy, két forgó potenciométert építettem, melyek forgástengelyei illeszkednek a kardáncsukló forgástengelyeire (17. a) ábra). Forgó részükön egy tengelyirányú bevágás van (17. d) ábra), amibe egy fémlemezt helyezve, fémlemezt a kardáncsukló középső elemébe építve (17. b) és c) ábrák) alakzárással valósítom meg, hogy a potenciométerek elfordulásai kövessék a kardáncsukló tengelyei körüli elfordulásokat (17.e) és f) ábrák). A potenciométer statikus részét a kardáncsukló egyik villájához rögzítettem. A kardáncsukló egyik szögelfordulása megfelelő nullpontot választva arányos lesz a potenciométeren eső feszültséggel. A kardáncsukló másik szögelfordulása és annak mérése hasonló módon biztosított. A forgó potenciométerek beszerelésének lépéseit a 17. ábra mutatja. a) b) c) d) e) f) 17. ábra: a forgó potenciométer beszerelésének lépései a) a kardáncsukló alsó és középső elemei b) az alakzáró fémlap helye c) fémlap behelyezve d) a forgó potenciométer bevágása e) potenciométer behelyezve f) az alakzárás megvalósult 15
A hosszanti elmozdulás mérésére alkalmas csúszkás potenciométer egy teleszkópba került beépítésre (18. c) ábra). A potenciométer csúszkájának elmozdulása a potenciométeren eső feszültséggel egyenesen arányos. A potenciométer csúszkáját a teleszkóp külső részéhez (18. b) ábra), a testét pedig a teleszkóp belső részéhez (18. a) ábra) rögzítem. Ennek módja a 18. ábrán látható. A laparoszkópos sebészeti eszközök markolata legtöbbször pisztoly- vagy ollószerű kialakítású. Ezt a kialakítást az egyszerűség kedvéért egy, a teleszkópra merőleges, annak hossztengelye körül elfordulni képes egyenes markolattal közelítettem (18. d) ábra). a) b) c) d) 18. ábra: a) csúszkás potenciométer beszerelése a teleszkóp belső részébe b) a teleszkóp külső része c) a markolat csapágyházának csatlakoztatása d) a markolat elhelyezkedése 16
A mechanikai szerkezet terveit az Autodesk Inventor 2015 CAD programmal készítettem. A szerkezethez tartozó szoftver célja az volt, hogy megjelenítsen egy pár, a laparoszkópos műtéti elrendezésnek megfelelően mozgó pálcát a monitoron, ezzel érzékeltetve a térbeli mozgás síkbeli lekövetésének nehézségét. Az ehhez szükséges 2x3 szabadsági fokot - karonként két forgó és egy csúszó potenciométer feszültségét - az Arduino 6db (2x3) analóg inputján át, soros kommunikációt használva juttattam el az őket feldolgozó LabVIEW programnak. Az Arduinora feltöltött, Arduino IDE-ben megírt program (19. ábra) az egyes potenciométereket az Arduino analóg input pinjeihez rendeli hozzá, majd soros kommunikációt indít a mikrokontroller és a számítógép között. A program loop része az aktuális feszültségértékeket 50 ms-onként a megfelelő analóg input pinekről olvassa le, melyek a potenciométerek állásától függően 0 és 5V között lehetnek. Ezután a feszültségértékekkel arányosan 0 és 1023 közti számokat ír a soros vonalra. Ezek a számok egy sorban szerepelnek, egymástól betűvel elválasztva. Erre a számok későbbi szétválasztása miatt van szükség. 19. ábra: Az Arduinon futó program A mikrokontroller programozása után a soros kommunikáción keresztül érkező adatokat egy LabVIEW VI (Virtual Instrument) dolgozza fel. Az adott ciklusban érkező string típusú adatot az abban található betűk alapján háromfelé választja (a betűket elvetve), majd a megmaradó három számot double típusúvá konvertálja. A típuskonverzió után a számokat megfelelő konstansokkal szorozza, osztja, és eltolja, hogy azok geometriai értelmet nyerjenek. Ezután koordinátageometriai számításokat végez, és az eredményt - a virtuális laparoszkópos eszköz hegyének pozícióját síkba leképezve megjeleníti. Ezt a pontot egy megadott fix ponttal összekötve, és a mozgó pont pozícióját 50 ms-onként újraolvasva megjeleníthető az eszköz csak vitruálisan létező, hasüregben elhelyezkedő végének mozgása. A VI felvevő funkciót is tartalmaz, mellyel a célfájl megadása után, a felvevő kapcsoló benyomásától annak felengedéséig felvehető a megtett mozdulatokhoz pályájához tartozó ponthalmaz. A 20. b) ábrán a VI blokkdiagramja, a 20. a) ábrán a VI front panelje látható. A dolgozat megírásakor a bal oldali szimulátorkart még gyártották, így ez a VI csak a jobb oldali kar adatait dolgozza fel. 17
a) 20. a) ábra: a szimulációt végrehajtó LabVIEW VI front panelje használat közben 18
b) 4.2 Mérési eredmények feldolgozása 20. b) ábra: a szimulációt végrehajtó VI blokkdiagramja A szimulációs VI által felvett ponthalmazokat tartalmazó fájlok feldolgozása egy újabb VI-al történik (22. b) ábra). A VI a megadott fájlt beolvassa, majd kapott tömb megfelelő szétválasztása és a típuskonverziók elvégzése után a térgörbét megjeleníti. A ponthalmaz X és Y koordinátáit egy XY Graph-al megjelenítve a térgörbét a felvételével azonos környezetben tudom ábrázolni. A térgörbe kifejezés jelen esetben csak közelítés: a szoftver az egymás után következő pontokat egyenesekkel köti össze. A sűrű mintavételezés miatt [dt = 50 ms] ezek az egyenesek rövidek, így ez a megoldás jól közelíti a valós térgörbét. Az X, Y, és Z koordinátákat felhasználva a ponthalmaz egy tetszőlegesen forgatható 3D környezetben is megjeleníthető, így a térgörbe áttekinthetőbb. Az egyik (jobb oldali) szimulátorkar összeszerelése és a hozzá tartozó szoftver megírása után megkértem édesapámat, Dr. Jaksa Lászlót, hogy vezesse végig az eszközt általa gyakran használt laparoszkópos manővereken. A mérés eredményei a 21. ábrán láthatóak. 19
a) b) 21. ábra: Sebész jobb kezének mozdulatai a) vakbélműtétnél az appendix pozícióba állítása b) epeműtét nyitó manőverei 20
A sebész segítségével történt mérés után összehasonlításként a saját kézmozdulataimat is rögzítettem (22. a) ábra). a) b) 22. ábra: a) saját kezűleg felvett térgörbe b) a felvételeket feldolgozó VI 21
5. Összegzés A saját és gyakorlott sebész által generált térgörbéket összehasonlítva jól látható, hogy egy tapasztalt sebész esetén ponthalmazok pontjai jellemzően egyenletesebb távolságokkal követik egymást, mint egy képzetlen személy esetén. A rendszer 50 ms időközönként olvassa le az aktuális koordinátákat, ezért a mérési pontok közti távolságok egyenletessége a kézvezetési pályasebesség egyenletességére is utal. Sejthető, hogy a tapasztalt sebészek egyenletesebb sebességgel vezetik a kezüket, mint a képzetlen személyek. Ez a sejtés bizonyításra vár, hisz egyértelmű következtetés levonásához még nem történt elég mérés sem képzetlen, sem képzett emberekkel, és az elvégzendő gyakorlat sem azonos az eddigi mérések során. Meg kell jegyezni, hogy a rendszer az egyes pontokhoz rendelt sebességek különbségeit figyelve a kézvezetés pályagyorsulásának mérésére is alkalmas. A mérési eredményt torzíthatják a forgó potenciométerek és a kardáncsulkó elfordulása közti holtjátékok, valamint a csúszkás potenciométer és a teleszkóp elmozdulásának holtjátéka. Ezen zavarok mértékét a jövőben vizsgálni kell. 6. Az eszköz továbbfejlesztési lehetőségei Az eszköz teljes anyag- és gyártási költsége hozzávetőlegesen 60000 Ft volt. A mechanikai szerkezet méreteinek optimalizálásával és a 3D-nyomtatott alkatrészek sűrűségének csökkentésével az anyag- és a gyártási költségek is csökkenthetők. A szerkezet bal oldalának legyártása és ügyességi feladatok kidolgozása után az eszköz nem csak a kézvezetés egyenletességének vizsgálatára, hanem laparoszkópos készségek fejlesztésére is alkalmassá válik. A mozdulatsor térgörbéjének felvétele lehetővé teszi, hogy egy adott, lekövetendő mintázat megrajzolása (pl.: kör, spirál, hélix, térbeli 8-as, stb ) közben az eszköz a felhasználó kezei által bejárt pályákat rögzítse, és azokat az előre megszabott pályával összevesse. Ha a felhasználó a kijelölt pályagörbétől egy megadott tűrésnél jobban eltávolodik, a rendszer figyelmeztető jelzést adhat. Az előbb felsorolt gazdasági és technikai indokok alapján az eszközben megvan az a lehetőség, hogy egy Magyarországon is megfizethető, hasznos berendezéssé váljon a sebészeti oktatásban. 22
8. Referenciák Megjegyzés: A hivatkozással el nem látott képek saját készítésűek. [1] de la Orden P. L. Methodologies for the analysis, design and evaluation of laparoscopic surgical simulators, PhD dissertation Presses Universitaires de Louvain, Louvain, 2004 [2] Col PVR Mohan, Brig R Chaudhry, VSM Laparoscopic simulators: Are they useful! In: MJAFI 65: 113-117, 2009 [3] A Novel Home Laparoscopic Simulator Yahya Al-Abed, MD, MRCS, David G. Cooper, MD, FRCS Department of Surgery, Norfolk and Norwich University Hospital, NHS Trust, Norwich, UK In: Journal of Surgical Education 66:1-2, 2009 [4] MIST VR http://image.slidesharecdn.com/rsmithmt32009-124388541199-phpapp02/95/embracinggame-technology-for-medical-education-3-728.jpg?cb=1243867665-2015.10.24. [5] LapSim https://fbcdn-photos-c-a.akamaihd.net/hphotos-ak-xtf1/v/t1.0-0/p480x480/11693980_432628816917622_7563992020853599013_n.jpg?oh=4331db973456 c50e32943fa844f0e35c&oe=56d23ace& gda =1452107744_340c4b04580ee0333001d2 b59b203abf - 2015.10.24. [6] ProMis http://www.intechopen.com/source/html/39043/media/image4.jpeg - 2015.10.24. [7] Vest-One http://iregt1.iai.fzk.de/kismet/vestimg/vsone_ov.jpg - 2015.10.24. [8] XiTact LS500 http://www.virtualsurgery.vision.ee.ethz.ch/uploads/xitact/lapchole_ls500.gif - 2015.10.24. 23
[9] LapMentor http://roboticsol.com/wp-content/uploads/2013/06/lapmentor.jpg - 2015.10.24. [10] SEP http://polhemus.com/_assets/img/sep_image.jpg - 2015.10.24. [11] Simendo http://themakingof.weblog.tudelft.nl/files/2009/11/simendo_i.png - 2015.10.24. [12] Laparoszkópos műtét vázlata http://www.mayoclinic.org/~/media/kcms/gbs/patient%20consumer/images/2013/08/26/10/36 /my00554_im03921_hdg7_laparoscopythu_jpg.png - 2015.10.24. 24