Aufgrund der zunehmenden komplexen Verzahnung zwischen Operateur und technischen Komponenten bei Hirntumoroperationen, werden innovative Trainingslösungen und standardisierte Evaluationsmethoden in der neurochirurgischen Facharztausbildung angestrebt. Phantombasierte Trainingssysteme können die derzeitige Ausbildung sinnvoll ergänzen, indem sie eine risikoarme Umgebung außerhalb des Operationssaal schaffen. Dabei können praktische und theoretische Komponenten der Hirntumorchirurgie in wiederholbaren Trainingseinheiten ohne Risiko für den Patienten miteinander verbunden werden. Innerhalb eines EFRE (Europäischer Fond für regionale Entwicklung) geförderten Kooperationsprojektes mit der Firma Phacon GmbH wurde ein Prototyp eines solchen Trainingssystems entwickelt. Das enthaltene Kopfphantom besteht aus einer dreiteiligen Konstruktion mit wieder verwendbarem Basissystem und Adapter in Kopfform, sowie einem austauschbaren Modul für die einmalige Verwendung je Trainingseinheit. Eine zweiarmige Kamera zeichnet Trackingdaten auf, während ein Laptop inklusive zugehöriger Software als Navigationsplattform dient. Die Grundlage für die Navigation bilden reale MRT Patientendatensätze, die entsprechend auf die Anatomie des Kopfphantoms adaptiert wurden. Ein Trainingslauf deckt die chirurgische Planung des optimalen Zugangsweges, die Kopflagerung, die Einstellung der Trackingkameras, die Registrierung des Kopfphantoms, sowie die navigierte Kraniotomie mit realen OP-Instrumenten ab. Der entwickelte Prototyp wurde hinsichtlich seiner Anwendbarkeit in der neurochirurgischen Facharztausbildung in einer ersten Proof-of-Concept- Studie evaluiert, wobei fünf Assistenzärzte verschiedenen Ausbildungsgrades jeweils ein komplettes Training auf dem gleichen Patientendatensatz durchführten. Anschließend war ein Fragebogen zur Bewertung der einzelnen Systemkomponenten auszufüllen. Die Auswertung der Fragebögen ergab im Mittel das Resultat gut für die Phantomkonstruktion und die verwendeten Materialien. Der Lerneffekt bezüglich der navigierten Planung wurde genauso wie der Effekt auf das Sicherheitsgefühl des Operateurs vor Ausführung der ersten eigenständig durchgeführten Kraniotomien als sehr gut eingeschätzt. Konstruktive Verbesserungsvorschläge wurden nach Studienabschluss bereits umgesetzt [23]. In einer zweiten Evaluationsstudie lag der Fokus auf potentiell erreichbaren Lernkurven durch wiederholte Trainingseinheiten auf verschiedenen Datensätzen. Dazu führten neun Assistenzärzte verschiedener Ausbildungsgrade jeweils drei Trainings auf Datensätzen mit differenten Tumorlokalitäten durch. Während des Trainings wurden durch einen Facharzt die einzelnen Ausführungsschritte beobachtet und bewertet. Insgesamt konnten in einem Trainingsdurchlauf 23 Punkte erreicht werden, welche für Kriterien wie Tumoridentifikation, Kopflagerung, Registrierungsgenauigkeit, Schonung vordefinierter Risikostrukturen, Planungs- und Ausführungsgenauigkeit, Tumorerreichbarkeit und Hautnaht vergeben wurden. Für alle Schritte wurde die benötigte Zeit aufgezeichnet. Im Mittel wurde ein Punktanstieg zwischen dem ersten und dem dritten Training von 16.9 auf 20.4 Punkte verzeichnet. Die mittlere Zeit bis zur Kraniotomie verbesserte sich von rund 29 Minuten auf rund 21 Minuten zwischen dem ersten und dem dritten Trainingsdurchlauf. Die benötigte Zeit bis zur Hautnaht sank im Mittel von rund 38 Minuten auf rund 27 Minuten zwischen dem ersten und dem dritten Training. Signifikante Korrelationen wurden zwischen Zeit bis zur Kraniotomie und Trainingsanzahl (p < .05), zwischen Zeit bis zur Hautnaht und Trainingsanzahl (p < .05) sowie zwischen erreichter Punktzahl und Trainingsanzahl (p < .01) gefunden. Die Ergebnisse beider Studien weisen darauf hin, dass das entwickelte Trainingssystem einen vielversprechenden Ansatz für die Ergänzung der derzeitigen Facharztausbildung in der Neurochirurgie darstellt. Durch die risikoarme Simulationsumgebung können theoretische und praktische Aspekte der Hirntumorchirurgie sinnvoll verbunden werden. Dem Assistenzarzt wird die Möglichkeit gegeben, sich mit den komplexen Strukturen von eigenständig durchgeführten Kraniotomien vertraut zu machen und damit die anfängliche Lernkurve in die Trainingsumgebung zu verlagern. Hinterfragt werden muss, inwieweit es das Trainingssystem ermöglicht, die chirurgischen Fähigkeiten so zu verbessern, dass diese auch in die reale OP-Umgebung unter realen Bedingungen übertragbar sind und wie diese potentielle Verbesserung zu messen ist [3]. Natürlich unterscheidet sich das haptische Feedback am Trainingsphantom gegenüber der realen menschlichen Anatomie. Weiterhin sind die psychologische Situation und der Erwartungsdruck im OP-Saal nicht mit einer Trainingsumgebung vergleichbar. Es ist daher nicht einfach, ein geeignetes Messinstrument für die Übertragbarkeit des Lerneffektes auf reale OP-Bedingungen zu finden. Nichts desto trotz konnten die beiden durchgeführten Studien bereits zeigen, dass eine Trainingsumgebung Vorteile gegenüber der Situation im OP-Saal bietet. Gerade die Anfangszeit der Facharztausbildung ist größtenteils durch Assistieren im OP-Saal gekennzeichnet, was den Lerneffekt bezüglich autonomer Entscheidungen und Schlussfolgerungen aus begangenen Fehlern begrenzt. Am Phantom hingegen kann die direkte Konsequenz, beispielsweise am Ergebnis der Nichterreichbarkeit des Tumors, direkt erfahren werden. Die theoretischen Konzepte für die Kopflagerung des Patienten in Abhängigkeit von der Tumorlokalisation können als übertragbar auf die OP-Situation angesehen werden, wenngleich das haptische Feedback am Phantom ein anderes ist. Der dadurch erreichbare Lerneffekt bietet das Potential, Lagerungen häufiger selbstständig durch den Assistenzarzt im OP-Saal vorbereiten zu lassen. Die Handhabung des Navigationssystems ist ebenfalls sehr nahe an den technischen Bedingungen im OP-Saal und trägt damit zu einem besseren Verständnis bei. Gegenüber virtuellen Systemen bieten phantom-basierte Trainingssysteme den Vorteil des taktilen Kopfphantoms welches mit realen Instrumenten bearbeitet werden kann und damit eine realistische Hand-Auge-Koordination während des Trainings gewährleistet. Die geringeren Investitionskosten für die Anschaffung ermöglicht auch kleineren Kliniken, eine Simulationsumgebung in die Facharztausbildung zu integrieren. Nachteilig gegenüber virtuellen Systemen ist die auf einmalige Verwendung begrenzte Modulverfügbarkeit, welche permanent laufende Kosten und Materialverlust verursacht. Das vorgestellte Trainingssystem soll nicht als Konkurrenzprodukt zu virtuellen Systemen, sondern vielmehr als sinnvolle Ergänzung innerhalb der verfügbaren Trainingsmethoden verstanden werden. Die derzeitige und zukünftige Weiterentwicklung des Systems fokussiert sich auf die Implementierung des automatisierbaren Evaluationskonzeptes basierend auf vordefinierten, verschiedenen Master-Zugängen, sowie auf die Simulation von Risikostrukturen und Einbezug entsprechender Verletzungen in das Evaluationskonzept. Die getrackten Instrumente während der Simulation können so zusammen mit den vordefinierten Zugangswegen die zukünftige Basis für ein essentielles objektives Trainingsfeedback bilden. Auch in der Entwicklung befindet sich die Umsetzung des Ultraschall-Simulationstools, welches eine finale transdurale Identifikation des Tumors bei korrekt ausgeführter Kraniotomie ermöglichen soll. Aus den intraoperativ akquirierten Patienten-Ultraschalldaten können aufgrund des getrackten Ultraschalldummy’s die korrespondierenden Ultraschallschichten berechnet und visualisiert werden. Dadurch bekommt der Trainierende den Eindruck einer realen Ultraschalluntersuchung und kann die Handhabung und Koordination einer Ultraschallaufnahme sowie die Orientierung im resultierenden Ultraschallvolumen trainieren. Generell haben phantom-basierte Trainingssysteme durch effektive Trainingseinheiten das Potential, die neurochirurgische Facharztausbildung zu bereichern und hinsichtlich Risikomanagement, Patientensicherheit und OP-Verfügbarkeit zu verbessern.

Aufgrund der zunehmenden komplexen Verzahnung zwischen Operateur und technischen Komponenten bei Hirntumoroperationen, werden innovative Trainingslösungen und standardisierte Evaluationsmethoden in der neurochirurgischen Facharztausbildung angestrebt. Phantombasierte Trainingssysteme können die derzeitige Ausbildung sinnvoll ergänzen, indem sie eine risikoarme Umgebung außerhalb des Operationssaal schaffen. Dabei können praktische und theoretische Komponenten der Hirntumorchirurgie in wiederholbaren Trainingseinheiten ohne Risiko für den Patienten miteinander verbunden werden. Innerhalb eines EFRE (Europäischer Fond für regionale Entwicklung) geförderten Kooperationsprojektes mit der Firma Phacon GmbH wurde ein Prototyp eines solchen Trainingssystems entwickelt. Das enthaltene Kopfphantom besteht aus einer dreiteiligen Konstruktion mit wieder verwendbarem Basissystem und Adapter in Kopfform, sowie einem austauschbaren Modul für die einmalige Verwendung je Trainingseinheit. Eine zweiarmige Kamera zeichnet Trackingdaten auf, während ein Laptop inklusive zugehöriger Software als Navigationsplattform dient. Die Grundlage für die Navigation bilden reale MRT Patientendatensätze, die entsprechend auf die Anatomie des Kopfphantoms adaptiert wurden. Ein Trainingslauf deckt die chirurgische Planung des optimalen Zugangsweges, die Kopflagerung, die Einstellung der Trackingkameras, die Registrierung des Kopfphantoms, sowie die navigierte Kraniotomie mit realen OP-Instrumenten ab. Der entwickelte Prototyp wurde hinsichtlich seiner Anwendbarkeit in der neurochirurgischen Facharztausbildung in einer ersten Proof-of-Concept- Studie evaluiert, wobei fünf Assistenzärzte verschiedenen Ausbildungsgrades jeweils ein komplettes Training auf dem gleichen Patientendatensatz durchführten. Anschließend war ein Fragebogen zur Bewertung der einzelnen Systemkomponenten auszufüllen. Die Auswertung der Fragebögen ergab im Mittel das Resultat gut für die Phantomkonstruktion und die verwendeten Materialien. Der Lerneffekt bezüglich der navigierten Planung wurde genauso wie der Effekt auf das Sicherheitsgefühl des Operateurs vor Ausführung der ersten eigenständig durchgeführten Kraniotomien als sehr gut eingeschätzt. Konstruktive Verbesserungsvorschläge wurden nach Studienabschluss bereits umgesetzt [23]. In einer zweiten Evaluationsstudie lag der Fokus auf potentiell erreichbaren Lernkurven durch wiederholte Trainingseinheiten auf verschiedenen Datensätzen. Dazu führten neun Assistenzärzte verschiedener Ausbildungsgrade jeweils drei Trainings auf Datensätzen mit differenten Tumorlokalitäten durch. Während des Trainings wurden durch einen Facharzt die einzelnen Ausführungsschritte beobachtet und bewertet. Insgesamt konnten in einem Trainingsdurchlauf 23 Punkte erreicht werden, welche für Kriterien wie Tumoridentifikation, Kopflagerung, Registrierungsgenauigkeit, Schonung vordefinierter Risikostrukturen, Planungs- und Ausführungsgenauigkeit, Tumorerreichbarkeit und Hautnaht vergeben wurden. Für alle Schritte wurde die benötigte Zeit aufgezeichnet. Im Mittel wurde ein Punktanstieg zwischen dem ersten und dem dritten Training von 16.9 auf 20.4 Punkte verzeichnet. Die mittlere Zeit bis zur Kraniotomie verbesserte sich von rund 29 Minuten auf rund 21 Minuten zwischen dem ersten und dem dritten Trainingsdurchlauf. Die benötigte Zeit bis zur Hautnaht sank im Mittel von rund 38 Minuten auf rund 27 Minuten zwischen dem ersten und dem dritten Training. Signifikante Korrelationen wurden zwischen Zeit bis zur Kraniotomie und Trainingsanzahl (p < .05), zwischen Zeit bis zur Hautnaht und Trainingsanzahl (p < .05) sowie zwischen erreichter Punktzahl und Trainingsanzahl (p < .01) gefunden. Die Ergebnisse beider Studien weisen darauf hin, dass das entwickelte Trainingssystem einen vielversprechenden Ansatz für die Ergänzung der derzeitigen Facharztausbildung in der Neurochirurgie darstellt. Durch die risikoarme Simulationsumgebung können theoretische und praktische Aspekte der Hirntumorchirurgie sinnvoll verbunden werden. Dem Assistenzarzt wird die Möglichkeit gegeben, sich mit den komplexen Strukturen von eigenständig durchgeführten Kraniotomien vertraut zu machen und damit die anfängliche Lernkurve in die Trainingsumgebung zu verlagern. Hinterfragt werden muss, inwieweit es das Trainingssystem ermöglicht, die chirurgischen Fähigkeiten so zu verbessern, dass diese auch in die reale OP-Umgebung unter realen Bedingungen übertragbar sind und wie diese potentielle Verbesserung zu messen ist [3]. Natürlich unterscheidet sich das haptische Feedback am Trainingsphantom gegenüber der realen menschlichen Anatomie. Weiterhin sind die psychologische Situation und der Erwartungsdruck im OP-Saal nicht mit einer Trainingsumgebung vergleichbar. Es ist daher nicht einfach, ein geeignetes Messinstrument für die Übertragbarkeit des Lerneffektes auf reale OP-Bedingungen zu finden. Nichts desto trotz konnten die beiden durchgeführten Studien bereits zeigen, dass eine Trainingsumgebung Vorteile gegenüber der Situation im OP-Saal bietet. Gerade die Anfangszeit der Facharztausbildung ist größtenteils durch Assistieren im OP-Saal gekennzeichnet, was den Lerneffekt bezüglich autonomer Entscheidungen und Schlussfolgerungen aus begangenen Fehlern begrenzt. Am Phantom hingegen kann die direkte Konsequenz, beispielsweise am Ergebnis der Nichterreichbarkeit des Tumors, direkt erfahren werden. Die theoretischen Konzepte für die Kopflagerung des Patienten in Abhängigkeit von der Tumorlokalisation können als übertragbar auf die OP-Situation angesehen werden, wenngleich das haptische Feedback am Phantom ein anderes ist. Der dadurch erreichbare Lerneffekt bietet das Potential, Lagerungen häufiger selbstständig durch den Assistenzarzt im OP-Saal vorbereiten zu lassen. Die Handhabung des Navigationssystems ist ebenfalls sehr nahe an den technischen Bedingungen im OP-Saal und trägt damit zu einem besseren Verständnis bei. Gegenüber virtuellen Systemen bieten phantom-basierte Trainingssysteme den Vorteil des taktilen Kopfphantoms welches mit realen Instrumenten bearbeitet werden kann und damit eine realistische Hand-Auge-Koordination während des Trainings gewährleistet. Die geringeren Investitionskosten für die Anschaffung ermöglicht auch kleineren Kliniken, eine Simulationsumgebung in die Facharztausbildung zu integrieren. Nachteilig gegenüber virtuellen Systemen ist die auf einmalige Verwendung begrenzte Modulverfügbarkeit, welche permanent laufende Kosten und Materialverlust verursacht. Das vorgestellte Trainingssystem soll nicht als Konkurrenzprodukt zu virtuellen Systemen, sondern vielmehr als sinnvolle Ergänzung innerhalb der verfügbaren Trainingsmethoden verstanden werden. Die derzeitige und zukünftige Weiterentwicklung des Systems fokussiert sich auf die Implementierung des automatisierbaren Evaluationskonzeptes basierend auf vordefinierten, verschiedenen Master-Zugängen, sowie auf die Simulation von Risikostrukturen und Einbezug entsprechender Verletzungen in das Evaluationskonzept. Die getrackten Instrumente während der Simulation können so zusammen mit den vordefinierten Zugangswegen die zukünftige Basis für ein essentielles objektives Trainingsfeedback bilden. Auch in der Entwicklung befindet sich die Umsetzung des Ultraschall-Simulationstools, welches eine finale transdurale Identifikation des Tumors bei korrekt ausgeführter Kraniotomie ermöglichen soll. Aus den intraoperativ akquirierten Patienten-Ultraschalldaten können aufgrund des getrackten Ultraschalldummy’s die korrespondierenden Ultraschallschichten berechnet und visualisiert werden. Dadurch bekommt der Trainierende den Eindruck einer realen Ultraschalluntersuchung und kann die Handhabung und Koordination einer Ultraschallaufnahme sowie die Orientierung im resultierenden Ultraschallvolumen trainieren. Generell haben phantom-basierte Trainingssysteme durch effektive Trainingseinheiten das Potential, die neurochirurgische Facharztausbildung zu bereichern und hinsichtlich Risikomanagement, Patientensicherheit und OP-Verfügbarkeit zu verbessern.:Inhaltsverzeichnis 1 Abkürzungsverzeichnis 1 2 Bibliografische Zusammenfassung 2 3 Einführung 4 3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3.2 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3.3 Systemaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.3.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3.2 Datensätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.3.3 Software und Trainingsablauf . . . . . . . . . . . 12 3.4 Qualitative Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.5 Quantitative Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4 Publikation 1 - A neurosurgical phantom-based training system with ultrasound simulation 23 5 Publikation 2 - Evaluation of a novel phantom-based neurosurgical training system 31 6 Zusammenfassung 39 7 Literaturverzeichnis 44 8 Anlagen 48 8.1 Selbstständigkeitserklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 8.2 Lebenslauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.3 Publikationsliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 8.4 Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.5 Fragebogen Quantitative Studie . . . . . . . . . . . . . . 54 8.6 Fragebogen Qualitative Studie . . . . . . . . . . . . . . . 56

Vacuum assisted delivery (VAD) is a common procedure used in the final stage of labor in the situation of a difficult natural delivery. Since the only biomechanical studies concerning the clinical safe traction force were conducted during 70s using simplified models to mimic the fetal head, concerns remain regarding the side effects of this medical intervention when applying high levels of traction forces. For experimental evaluation of VAD, a tissue-mimicking accurate fetal head phantom, having the same skull and brain dimension as a newborn, as well as, proper mechanical and acoustic properties of materials, can be used as a useful resource in terms of establishing safe levels of traction forces. The goal of this project is to develop a realistic patient-specific fetal head phantom that will be used to investigate the relation between applied traction force and imposed brain deformation in VAD in an experimental setting. A realistic fetal head phantom was developed using geometry accurate segmented meshes of pediatric skull and brain from a CT fetal head dataset. The fetal skull was 3D printed while the segmented mesh of the brain was used to create a fetal brain mold. The fetal brain phantom was developed using a PVA and graphite solution (10% and 3% mass concentration), whereas the sutures and fontanels, the scalp and the cerebrospinal fluid were mimicked using silicone, surgical latex and water, respectively. All the tissue-mimicking materials used corresponded with the biomechanical properties of the fetal head tissues. After the construction of the fetal head phantom, grey-scale long- and short- axis ultrasound images as well as the fetal brain phantom elasticity map were obtained. Furthermore, using sonomicrometry crystals, the reference strain values during manual hand pressure and VAD experimental procedures were acquired. The results showed negative strain values (compression) reaching 15% in the manual pressure experimental procedure, and higher positive strain values (stretching) reaching over 40% in the VAD experimental procedure. However, due to experimental limitations only one measurement using clinically realistic levels for both vacuum pressure (65 kPa) and traction force (70 N) was achieved. The developed fetal head phantom has potential to provide trustful biomechanical evidence to guide safe vacuum assisted delivery as well as to provide useful resource in terms of defining the clinical effective force of the vacuum extractor (VE). / I slutskedet av svåra vaginala förlossningar är assistans med sugklocka vanligt förekommande. Eftersom de enda biomekaniska studierna om kliniskt säkra dragkrafter genomfördes under 70 -talet med hjälp av förenklade modeller för att efterlikna fostrets huvud, finns det fortfarande oro om vilka skador användandet av sugklocka kan leda till när höga dragkrafter används. För att kunna fastställa en säker nivå av dragkrafter skulle en modell av fosterhuvudet, med realistiska dimensioner samt liknande mekaniska och akustiska egenskaper som en nyfödd, kunna användas.  Målet med detta projekt är att utveckla en realistisk patientspecifik modell av fosterhuvudet och sedan använda den för att experimentellt undersöka sambandet mellan applicerad dragkraft och hjärndeformation.  En realistisk fosterhuvudsmodell utvecklades från segmenterade datortomografibilder på ett fosterhuvud. Skallbenet tillverkades med en 3D-skrivare medan hjärnans gjöts i PVA och grafit (10% och 3% masskoncentration) i en 3D-utskriven form. Suturerna och fontanellerna, skalpen och cerebrospinalvätskan efterliknades med silikon, kirurgisk latex respektive vatten. Alla vävnadsimiterande material som användes motsvarade de biomekaniska egenskaperna hos ett fosters huvud.  När modellen var färdigkonstruerad togs ultraljudsbilder i gråskala i både lång- och kortaxel. Även hjärnmodellens elasticitet mättes med ultraljudsbaserad skjuvvågselastografi. Sonomikrometri –kristaller användes för att samla in referensvärden på hjärndeformation vid manuellt handtryck och experimentell rekonstruktion av förlossning med sugklocka. Resultaten visade att negativ deformation (kompression) på 15% i experimentella rekonstruktionen av förlossning. På grund av experimentella begränsningar uppnåddes dock endast en mätning med kliniskt realistiska nivåer för både vakuumtryck (65 kPa) och dragkraft (70 N).  Den utvecklade fosterhuvudsmodellen har i vidare studier potential att tillhandahålla tillförlitliga biomekaniska bevis för att vägleda säker vakuumassisterad förlossning samt för att definiera kliniska effektiva krafter i en sugklocka.