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Der Einsatz mobiler Bildverstärkersysteme (BV) - gelegentlich auch als Bildwandler, hauptsächlich aber aufgrund der wie ein C gestalteten Konstruktion, an der Röntgenquelle und Bildverstärker befestigt sind, als C-Bogen bezeichnet - ist heute aus Unfallchirurgie und Orthopädie nicht mehr wegzudenken. Insbesondere in der Versorgung unfallchirurgischer Patienten ist der C-Bogen essentielles Werkzeug im OP. Der Operateur ist während der Operation darauf angewiesen, dass das Pflegepersonal den mobilen Bildverstärker in die korrekte Position über dem Operationsgebiet bringt. Der Operateur selbst ist steril und kann die Positionierung des C-Bogens nicht vornehmen. Lasersysteme können die Positionierung und Einstellung des C-Bogens erleichtern. Dennoch erfolgt die Einstellung häufig unter Strahlung, z.B. bei der Feinjustierung, und ist aufgrund der vielen Einstellmöglichkeiten (siehe Abbildung 1 [Abb. 1]) des C-Bogens nicht trivial. Zahlreiche Einstellungen sind zudem auch für den Erfahrenen nicht einfach auszuführen, wie z.B. Acetabulum, Becken, Fersenbein (Brodén-Projektion) oder Wirbelsäule.

Durch technische Entwicklungen konnte die vom C-Bogen ausgehende Strahlenbelastung für Patient, OP-Personal und Operateur zwar deutlich gemindert werden, abhängig ist die Strahlungsexposition aber nicht zuletzt vom Geschick des Bedieners des C-Bogens, d.h. von dessen Ausbildung und Erfahrung. Bisher erfolgt die Ausbildung am C-Bogen durch Einweisung am Gerät und theoretische Erörterung der richtigen Einstellung z.B. anhand von Lehrbüchern [1]. Das initiale Trainieren am Patienten ohne Vorkenntnisse verbietet sich aufgrund der Strahlenexposition. Es stellt sich somit die Frage, ob das Training der Handhabung und richtigen Einstellung des C-Bogens in verschiedenen Operationsszenarien durch ein C-Bogen-Simulationssystem als Teil eines CBT-Systems (Computer Based Training) unterstützt werden kann.

virtX ist ein Programmsystem, das aus einer 3D-Simulation eines OP-Saals mit C-Bogen, OP-Tisch und virtuellem Patienten sowie einer Röntgenbildsimulation besteht. In der 3D-Simulation kann der Benutzer den virtuellen C-Bogen zum OP-Tisch bzw. zum Patienten bewegen, wobei er alle Gelenke und Schienensysteme des C-Bogens sowie die Position des C-Bogens im Raum mittels Maus und Schaltflächen steuert. Weitere Schaltflächen, die denjenigen eines realen C-Bogens entsprechen, aktivieren die üblichen Funktionen des C-Bogens wie Einzelbilderstellung, Starten des Durchleuchtungsmodus, Einstellung der Blende, Zoom, etc. (siehe Abbildung 2 [Abb. 2]).

virtX wurde mit der Entwicklungsumgebung Visual Studio .NET 2003 der Firma Microsoft [2] in der Programmiersprache C++ entwickelt. Die grundlegende Programmstruktur entspricht dem Document-View Prinzip der Microsoft Foundation Classes (MFC), deren Klassen hauptsächlich in diesem Projekt verwendet wurden. Für die Darstellung der 3D-Szenen und für das Volume-Rendering von virtusMED wurde TGS Open Inventor 4.0 zusammen mit VolumeViz 4.0 [3] eingesetzt. Open Inventor ist eine objektorientierte Programm-Bibliothek für die Entwicklung von 3D-Graphikprogrammen. VolumeViz ist eine Erweiterung für Open Inventor, welche Klassen und Methoden für das Volume Rendering bereitstellt.

Die Röntgenbildsimulation beruht auf dem virtusMED-System [4], [5], wobei auf einen CT-Datensatz Sum-intensity Volume Rendering, basierend auf 3D-Texturen, durchgeführt wird [6]. Dabei nutzt virtusMED die openGL-Unterstützung moderner Grafik-Hardware. Um den Bildverstärker zu simulieren, wird eine virtuelle Kamera in einer 3D-Szene verwendet, in welcher sich der CT-Volumen Datensatz befindet. Auf der Grundlage der Ausrichtung dieser Kamera in Bezug auf den CT-Datensatz wird so eine perspektivische Sicht auf das Volumen rekonstruiert, welche das eigentliche Röntgenbild simuliert.

Die Simulationskomponente des virtX-Systems ist eingebettet in ein aufgabenorientiertes Trainingssystem. Ausgehend von einer an typischen OP-Abläufen orientierten Aufgabe aus einem Aufgabenkatalog hat der Trainierende bestimmte Einstellungen des C-Bogens vorzunehmen. Dazu bekommt er textuelle und bildliche Hinweise, welche Körperregion anzusteuern und wie der C-Bogen einzustellen ist, welchen Qualitätskriterien das resultierende Bild zu genügen hat und, anhand eines allgemeinen Beispiels, wie die angestrebte Aufnahme aussehen sollte. Nach Start der Aufgabe zeichnet virtX die Zeit auf, die der Trainierende benötigt, um die Aufnahme zu erzeugen und gibt ihm auf Wunsch über eine stilisierte Ampel permanent Rückmeldung in wieweit die gewünschte Ausrichtung schon erreicht ist (Rot: weit entfernt, Gelb: schon im Toleranzbereich, Grün: ideale Ausrichtung erreicht). Weiterhin wird die vom Trainierenden virtuell erzeugte Strahlendosis aufgezeichnet (siehe auch Abbildung 2 [Abb. 2]: 8). Der Trainierende erhält unmittelbar nach Beendigung der Aufgabe eine Rückmeldung, in welchem Verhältnis seine persönliche Bearbeitungszeit, die virtuell erzeugte Strahlendosis und die erreichte Einstellung zu von Experten vorgegebenen Zielgrößen stehen.

Für das Erstellen der Aufgaben steht ein Autorensystem zur Verfügung, welches das Erstellen der erklärenden Texte und Bilder, das Aufzeichnen der Zielgrößen und das Verknüpfen geeigneter, über ein DICOM-Interface importierter CT-Datensätze, mit dem virtuellen Patienten (einem Oberflächenmodell) erlaubt. Diese Verknüpfung erfolgt über das Definieren von Volumina im Raum, denen beliebig viele CT-Datensätze samt Parameter zugewiesen werden können (siehe Abbildung 3 [Abb. 3], in dem Oberflächenmodell und CT-Datensatz dem Visible Human Project entstammen [7]). Gerät nun eines dieser Volumina während der Ausrichtung des virtuellen C-Bogens in den virtuellen Strahlengang so wird der entsprechende CT-Datensatz in virtusMED geladen. Die Parameter von allen CT-Volumina sowie von allen weiteren aufgabenspezifischen Werten werden vom Autorensystem in einer XML-Datei hinterlegt und können anschließend jederzeit in virtX eingeladen werden.

Zusätzlich zur rein virtuellen Simulation ist deren Verknüpfung mit einem realen C-Bogen möglich (siehe Abbildung 4 [Abb. 4]). Durch entsprechende Positionierung des Empfängers eines elektromagnetischen Tracking-Systems auf der Röntgenquelle des C-Bogens und des Senders auf einem OP-Tisch in fester Beziehung zu einem Patienten-Dummy (z.B. einer Styropor-Puppe) sind Position und Orientierung des realen C-Bogens in Bezug auf den Patienten-Dummy festzustellen. Durch Registrierung des virtuellen Patienten mit dem Patienten-Dummy kann so die Bewegung des C-Bogens auf die virtuelle OP-Umgebung umgerechnet werden. Erzeugt der Trainierende nach Einstellung des realen C-Bogens mit virtX ein Einzelbild oder aktiviert er den Durchleuchtungsmodus simuliert virtX die Röntgenbilderstellung mit dem realen C-Bogen. Auf diese Weise entstehen zwei Trainingsmodi: ein rein virtueller Modus (V-Mode), der ohne einen realen C-Bogen auskommt, und ein kombiniert virtuell-realer Modus (V/R).

Das virtX-System ist auf einem dreitägigen Kurs für OP-Personal evaluiert worden. 120 Teilnehmer hatten Gelegenheit, mit virtX zu trainieren. Dabei wurde sowohl im V-Modus, als auch im V/R-Modus gearbeitet. Zudem konnte in einem dritten, vom V/R-Modus unter Ausblendung der virtuellen OP-Umgebung abgeleiteten „realen“ Modus der Trainingserfolg geprüft werden. Für alle drei Trainingsmodi standen unterschiedliche Aufgaben zur Verfügung. Nach dem Training erhielten die Teilnehmer einen Fragebogen, auf dem neben Angaben zur Person (Alter, Geschlecht, Beruf, Berufserfahrung, Erfahrung mit C-Bögen, Erfahrung PC) Fragen zu den persönlichen Erfahrungen bzw. zur persönlichen Einschätzung des virtX-Systems gestellt wurden. Diese Fragen konnten auf einer Likert-Skala mit „Trifft voll zu“, „Trifft eher zu“, „Neutral“, „Trifft eher nicht zu“, „Trifft nicht zu“ sowie mit „Keine Einschätzung“ beantwortet werden. Zusätzlich waren freitextliche Kommentare möglich, was an virtX gut gefallen und was nicht gefallen hat und was verändert werden sollte, sowie ein abschließender allgemeiner Kommentar.

Insgesamt gaben 79 Teilnehmer einen ausgefüllten Fragebogen ab. Das Alter der 62 weiblichen und 15 männlichen Teilnehmer (2 Fragebögen ohne diesbezügliche Angabe) lag bei durchschnittlich 34 ± 9 Jahren. 77 Teilnehmer gaben als Beruf Pflegekraft, einer zusätzlich Chirurg und zwei „Sonstiges“ an. Die Berufserfahrung lag bei durchschnittlich 8,3 ± 7,6 Jahren. 18 Personen (23%) gaben an, gelegentlich mit einem C-Bogen zu arbeiten, während 61 (77%) regelmäßig mit einem C-Bogen arbeiteten. Zu ihrer PC-Erfahrung befragt gaben 3 Teilnehmer (4%) an, keine Erfahrung zu haben, 33 (43%) gaben an, gelegentlich, 41 (53%) regelmäßig mit einem PC zu arbeiten.

Die Auswertung der Einzelfragen führte zu folgenden Ergebnissen, wobei die Einzelfragen im Schnitt von 99% der Teilnehmer beantwortet worden sind (Min.: 76, Max.: 79):

83,3% der Befragten waren der Meinung, dass der Einsatz von virtX eine sinnvolle Ergänzung zur herkömmlichen Ausbildung am C-Bogen ist. 10,3% der Befragten hatten hierzu eine neutrale Einstellung und 5,1% waren nicht dieser Meinung (bei 1,3% ohne Einschätzung).

Die Einführung in das virtX-System erachteten 77,2% als ausreichend, 15,2% standen dieser Frage neutral gegenüber und 5,1% empfanden die Einführung als eher nicht ausreichend (keine Einschätzung: 2,5%).

91% der Befragten waren der Meinung, dass die simulierte Röntgenbilderstellung hilfreich ist, um die Arbeitsweise des C-Bogens zu verstehen. 5,1% hatten hierzu eine neutrale Einstellung und 2,6% waren nicht dieser Meinung bei 1,3 % ohne Einschätzung.

Ähnlich hoch (84,2%) war der Anteil der Befragten, die eine Verknüpfung des virtuellen Trainings mit dem realen C-Bogen als hilfreich beurteilten (V/R-Modus). 10,5% standen dieser Frage neutral gegenüber und 5,3 % waren nicht dieser Meinung.

Den verwendeten Patienten-Dummy aus Styropor empfanden 89,7% als ausreichend, um sich orientieren zu können (7,7% neutral, 2,6% stimmten dem eher nicht zu).

71,8% empfanden die vorgegebenen fünf 3D-Sichten auf den OP-Saal bzw. den OP-Tisch und den C-Bogen als ausreichend, um den virtuellen C-Bogen sicher positionieren zu können. 7,7% standen dieser Frage neutral gegenüber, 15,4% waren nicht dieser Meinung (keine Einschätzung: 5,1%).

52,6% der Befragten schätzten bereits das rein virtuelle Üben (V-Modus) als hilfreich ein, das korrekte Einstellen des C-Bogens zu erlernen. 25,6% standen dieser Frage neutral gegenüber und 20,5% waren nicht dieser Meinung (bei 1,3% ohne Einschätzung).

Mit der Steuerung des virtuellen C-Bogens kamen 79,7% gut zurecht, 8,9% standen dieser Frage neutral gegenüber und 6,3% waren nicht dieser Meinung (keine Einschätzung: 5,1%).

Schlussendlich waren 74,7% der Befragten der Meinung, dass die Ausstattung eines C-Bogens mit einem Trainingssystem wie virtX sinnvoll wäre, um dem OP-Personal die Einarbeitung in das Gerät zu erleichtern (neutral antworteten 15,2% und 7,6% waren nicht dieser Meinung, keine Einschätzung gaben 2,5%).

Die Ergebnisse der Befragung zeichnen ein positives Bild der Akzeptanz des virtX-Systems als Ergänzung zur herkömmlichen Ausbildung am C-Bogen. Viele Teilnehmer hoben hervor, dass diese neue Möglichkeit der Röntgenbildsimulation eine Lücke in der bisherigen, sehr theoretisch ausgerichteten Ausbildung am C-Bogen schließt. Hervorzuheben ist, dass die Beurteilung des Nutzens des virtX-Systems für die Ausbildung im V/R-Modus, d.h. bei Verknüpfung mit einem realen C-Bogen, deutlich höher ausfällt als die Bewertung der rein auf die virtuelle OP-Umgebung abzielenden Variante (V-Modus). Der V/R-Modus erfordert allerdings zusätzlich zum C-Bogen die Investition in ein entsprechendes elektromagnetisches Tracking-System, was die Kosten für das ansonsten auf Standard PC-Komponenten mit geeigneter Grafik-Hardware aufbauenden System erhöht. Zudem ist die Einrichtung des Trainingssystems durch die notwendigen Kalibrierungsmaßnahmen im V/R-Modus aufwändiger.

Die Ergebnisse der Befragung zeigen noch geringfügigen Verbesserungsbedarf in der Zusammenstellung der 3D-Sichten auf die OP-Szenerie an. Vor allem die Sicht vom Bildverstärker auf den Patienten (s. Abbildung 2 [Abb. 2], Sicht 3), ergänzt um den Laserstrahl zur Unterstützung der Positionierung, wirkte auf die Teilnehmer zum Teil verwirrend. Die Steuerung des virtuellen C-Bogens stellte für die größtenteils PC-erfahrenen Benutzer keine wesentliche Hürde dar. Hierbei ist allerdings anzumerken, dass jeder Benutzer eine persönliche Einweisung erhalten hat und von einem Mitarbeiter während der Aufgabendurchführung betreut wurde.

Ein System wie virtX zum Training der Handhabung eines C-Bogens zu nutzen ist in drei Szenarien denkbar. Erstens im persönlichen Umfeld des Trainierenden, z.B. installiert auf dem heimischen PC, wobei aus Kostengründen nur eine rein virtuelle Version in Frage kommen dürfte. Zweitens durch Anbieter von Aus- und Weiterbildung in speziellen Ausbildungszentren oder im Rahmen von Kursen vor Ort in Kliniken. Drittens in Kliniken zur hausinternen Weiterbildung. Die beiden letzten Szenarien könnten vom kombinierten virtuell-realen Modus profitieren. Die direkte Ausstattung eines C-Bogens mit virtX würde insbesondere dem dritten Szenario entgegen kommen. Die Befragung zeigt auf, dass letzteres von den Teilnehmern mehrheitlich als sinnvoll erachtet wird.

Die durchgeführte und auf Fragebögen gestützte Evaluation kann nur ein erster Schritt sein, den potentiellen Nutzen eines CBT-Systems wie virtX zu untersuchen. Sie war vor allem hilfreich, potentielle Verbesserungsmöglichkeiten zu identifizieren. Weitere, hierauf aufbauende Studien sind notwendig und in Arbeit, um den Lerneffekt des virtX-Systems im Vergleich zur herkömmlichen Ausbildung zu untersuchen. Zudem sind weitere Arbeiten in Bezug auf den Einsatz beweglicher Patienten-Dummies mit Rückmeldung zum virtuellen Patienten geplant, um das Training noch realitätsnäher zu gestalten. Auch erscheint das System im V-Modus geeignet für E-Learning via Internet.

Die Ergebnisse der Befragung lassen zusammenfassend die Schlussfolgerung zu, dass virtX durch die Röntgenbildsimulation auf der Grundlage beliebiger CT-Aufnahmen, sein problemorientiertes Aufgabenkonzept und die mögliche Kombination mit einem realen C-Bogen eine sinnvolle Erweiterung der bisherigen Ausbildungskonzepte für den C-Bogen darstellt.

Wir danken den Firmen Siemens Medical Solutions, Erlangen und Maquet, Rastatt für die Unterstützung des Projekts.