Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Ballons. Einer ist mit Wasser gefüllt, der andere mit Luft. Sie sehen gleich aus, aber wenn Sie darauf drücken, wird sich jeder sehr unterschiedlich anfühlen. So fühlen sich Organe für einen Arzt an. Wenn ein Patient eine Nadelbiopsie, eine Gallenblasenentleerung oder eine Kortisoninjektion in die Wirbelsäule oder einen Venenkatheter benötigt, muss der Arzt, der eine Nadel einführt, in der Lage sein, den Auf- und Abbau des Drucks zu spüren, wenn diese Nadel in die Wirbelsäule eindringt. und punktiert schließlich jedes nachfolgende Gewebe.
„Der Charakter des Gewebes gibt Ihnen ein erzwungenes Feedback, und Ihr Gehirn erkennt dies und kann damit viele verschiedene Dinge interpretieren“, sagt David Han, Professor für Chirurgie und Radiologie am Penn State. "Wenn Sie viele Lebern berührt haben und Sie viele Milzen berührt haben, können Sie manchmal mit geschlossenen Augen erkennen, welche welche ist."
Aber es ist wirklich nicht einfach. Untersuchungen in den letzten 30 oder mehr Jahren haben gezeigt, dass die Komplikationsraten bei der Katheterisierung der Zentralvene zwischen 5 und 21 Prozent liegen. Die Folge sind Infektionen, längere Krankenhausaufenthalte und -kosten oder sogar der Tod. Erfahrene Ärzte sind viel besser darin, auch weil es viel Übung erfordert. (In vielen Fällen hilft die Ultraschallführung, aber selbst mit einem visuellen Hinweis ist es einfach, ein bisschen zu weit zu gehen und in das falsche Gewebe zu gelangen.)
Wie lernen Mediziner diese Technik? In einigen Fällen gibt ein Mannequin, das bestimmten Geweben ähnelt, Rückmeldung. Die Schüler schauen jedoch häufiger einem erfahrenen Arzt zu und probieren es dann aus. "Ich bin wirklich gut darin", sagt Han. "Also habe ich jemanden neben mir, der lernen will, wie man es macht, und ich beuge mich über ihre Schulter und sage, versuch das oder das."
Ein Forscherteam der Penn State University hatte eine andere Idee. Unter der Leitung von Han veröffentlichten sie 2017 Forschungsergebnisse, die einen Roboter beschreiben, der das Ende einer Nadel hält und ein mechanisches Feedback liefert - während der Schüler die Nadel in einen Klumpen aus Silikon drückt, drückt der Roboterarm zurück. Im Gegensatz zu einem Mannequin kann es so programmiert werden, dass es verschiedenen Kraftkurven folgt, die dem Druckprofil einer Nadel entsprechen, die in verschiedene Gewebe gleitet, und sogar verschiedene Körpertypen darstellt. "Was Sie können möchten, ist, dass die Mitarbeiter ihre Kompetenz in einer simulierten Umgebung unter Beweis stellen, bevor Sie ihnen die Steuerung übergeben", sagt Han.
Einige der anderen Forscher, mit denen Han zusammengearbeitet hatte, hatten jedoch eine weitere Einsicht: Sie konnten ein Werkzeug herstellen, das dasselbe tun würde, ohne Roboter, und das zu einem weitaus günstigeren Preis. Anstelle eines Roboterarms würde die Kraftrückmeldung durch einen Mechanismus bereitgestellt, der in einer simulierten Spritze untergebracht ist. Die Forscher reichten in diesem Jahr eine vorläufige Patentanmeldung ein und erhielten vom Penn State College of Engineering einen Zuschuss für die Entwicklung des Geräts als Unternehmen.
„Wir könnten diese Kräfte ein bisschen einfacher erzeugen, wenn diese im Wesentlichen aus Material bestehenden Risse in diesen Patronen unsere haptische Kraft erzeugen würden“, sagt Jason Moore, Associate Professor für Maschinenbau, der das Team leitete. "Und dann könnten wir dem Benutzer noch viele Rückmeldungen darüber geben, wie sie das Einsetzen der Nadel durchgeführt haben."
Obwohl die vorläufige Patentanmeldung mehrere Mittel zur Drucksimulation beschreibt (einschließlich elektromagnetischer Felder, Magnete, Reibung, Hydraulik usw.), hat sich die Gruppe für eine Version entschieden, die durch eine Reihe von Membranen im Spritzenkörper betätigt wird. Beim Drücken gegen eine Oberfläche zieht sich die Nadel in den Körper der Spritze zurück. Dabei stößt es der Reihe nach an die Membranen. Jeder deformiert sich und bricht schließlich, genau wie menschliches Gewebe. Durch Variation der Konfiguration, Dicke und des Materials der Membranen simuliert das Gerät verschiedene Kraftprofile, ohne dass ein teurer Roboterarm erforderlich ist.
Die Mitarbeiter von Han, Moore und Moore, Associate Professor für Ingenieurdesign Scarlett Miller und Associate Professor für Anästhesiologie Sanjib Adhikary, sind nicht die einzigen, die an Geräten für die Ausbildung von Studenten in ultraschallgeführten Injektionen arbeiten. „Jeder versucht, verschiedene Mittel und Wege zu finden, um das Erscheinungsbild zu verbessern oder es benutzerfreundlicher zu gestalten“, sagt Adhikary. "Aber niemand hat den Heiligen Gral."
Im Jahr 2015 veröffentlichte ein Unternehmen namens Blue Phantom ein ausgeklügeltes Trainingsmodell für Kniegelenkspritzen mit simuliertem Oberschenkel, Schienbein, Patella und Schleimbeutel - das kostet jedoch 3.800 USD und ist nur zum Üben von Spritzen in das Knie nützlich. Es gibt sogar DIY-Lösungen mit mit Gelatine gefüllten Luftballons mit Gummischlauchgefäßen. David Gaba, Professor für Anästhesiologie in Stanford, baut seit mehr als 30 Jahren Nadelinjektionssimulatoren, darunter Kunststofftrainer für Lendenwirbelinjektionen. Er verwendet sogar Schweineschultergewebe als Ersatz für den Menschen.
"Nur weil etwas durch eine Computer / Hardware-Kombination simuliert werden kann, um die Haptik darzustellen, bedeutet dies nicht zwangsläufig, dass es Wunder des Lernens oder Könnens vollbringt", sagt Gaba. "Sofern es keine eindeutigen Beweise dafür gibt, dass ein bestimmtes Gerät einen großen Unterschied ausmacht, entscheidet letztendlich der Markt darüber, ob ein bestimmter technischer Fortschritt im Vergleich zu anderen Ansätzen Beine hat."
Es muss noch ein Gleichgewicht geben, betont Han. Entfernen Sie zu viel vom Realismus und die Schüler verbinden das Übungswerkzeug nicht richtig mit der Realität. Aber jedes computergestützte Gerät kann wertvolle und quantitative Rückmeldungen - eine Art Zeugnis - über die Leistung der Schüler liefern, die die Technik erlernen.
Während sie auf ein marktfähiges Gerät hinarbeiten, bauen Moore, Miller und Adhikary einen Beschleunigungsmesser in die Patrone ein, der zusammen mit einer benutzerdefinierten Software eine ähnliche Rückmeldung zum Einschubwinkel und zum Kraftprofil liefert. Ihr Prototyp, einschließlich Sensor und austauschbarer Patrone, kostete sie rund 100 US-Dollar.
"Die Idee ist es wert, weiterverfolgt zu werden, insbesondere wenn sie für 100 US-Dollar verkauft werden kann", sagt Paul Bigeleisen, Professor für Anästhesiologie an der University of Maryland. Das Spritzgießen und die weite Verbreitung, möglicherweise über Schulen und Ausbildungskrankenhäuser, könnten die Stückkosten jedoch noch weiter senken.
"Wenn wir diesen neuen Medizinstudenten oder sehr frühen zukünftigen Ärzten ermöglichen können, ihre Handbewegungen sehr gut zu beherrschen, sehr gleichmäßig zu sein, könnte dies einen positiven Einfluss auf ihre Fähigkeiten haben, viel weiter unten auf der Straße?", Sagt Moore.
Das ist die Hoffnung, fügt er hinzu.
