Koordination: apl. Prof. Dr. rer. nat. Alwin Luttmann
Das Praxisfeld der Forschungsinitiative sind Handlungen und feinmotorische Bewegungen im Bereich der Medizin, insbesondere bei chirurgischen Tätigkeiten. Derartige Tätigkeiten erfordern eine hohe Genauigkeit der Bewegung; sie werden zunehmend "minimal-invasiv" d. h. bei indirekter Sicht mit Hilfe eines Endoskops unter Nutzung spezieller Operationsinstrumente und oftmals bei ungünstiger Körperhaltung ausgeführt.
Das Ziel der Arbeiten der Forschungsinitiative ist
im Hinblick auf minimal-invasive chirurgische und diagnostische Eingriffe.
Die laufenden und geplanten Arbeiten im Rahmen der Forschungsinitiative betreffen vorwiegend endoskopische Eingriffe in der Urologie. Diese fachliche Ausrichtung hat sich aus früheren Arbeiten entwickelt, bei denen sich ein enger Kontakt zu klinischen Einrichtungen der Urologie und zu einschlägigen Unternehmen ergeben hat. Diese Kontakte haben wesentlich zum Aufbau eines Simulationslabors "Endoskopie" mit einer umfangreichen Geräteausstattung beigetragen, das organisatorisch durch die Projektgruppe Biodynamik betreut wird. Für die fachliche Unterstützung stehen mit dem ehemaligen und dem jetzigen Direktor der Urologischen Klinik im Klinikum Dortmund, Prof. Dr. J. Sökeland und Prof. Dr. M. Truß, kompetente Berater und klinische Kooperationspartner zur Verfügung.
Die folgende Darstellung enthält einen Überblick über die aktuell behandelten Fragestellungen und die geplante Vorgehensweise. Einzelheiten werden in den Forschungsplänen der beteiligten Projektgruppen beschrieben.
Hinsichtlich der Ausführung feinmotorischer Arbeiten können drei Bereiche mit praktischen Problemen und wissenschaftlichen Fragestellungen unterschieden werden:
Endoskopische Operationstechniken erfordern eine Bewegungssteuerung der Operationsinstrumente unter indirekter Sichtkontrolle - meist auf einem Monitor in einer mehr oder weniger großen Entfernung vom Operationsgebiet. Die Original-Bewegung des Instruments im (dreidimensionalen) Raum wird in eine (in der Regel zweidimensionale) Bild-Bewegung auf dem Monitor transformiert. Dadurch ergeben sich Probleme bei der Zielfindung, insbesondere bei der richtigen Einschätzung der räumlichen Tiefe.
Zur systematischen Untersuchung der Tiefenwahrnehmung wurde eine endoskopische Einrichtung aufgebaut, mit der der Einfluss von Fehlerrückmeldungen auf die Einstellgenauigkeit untersucht wurde. Für weitere praxisorientierte, auf die Urologie bezogene Untersuchungen ist es geplant, die bisherige abstrakte Zielmarke realitätsnäher zu gestalten. Damit ist es auch möglich, die Wirkung unterschiedlicher Beleuchtungssituationen auf die Genauigkeit der Zielfindung zu untersuchen.
Der Transformation aufgrund der indirekten Sicht überlagern sich "zeitvariante Werkzeugtransformationen", die sich aus der Übertragung der Handbewegungen des Operateurs auf die Instrumentenspitze ergeben. Diese Transformation hängt vor allem von der zeitlich wechselnden Eintauchtiefe des Instrumentes in eine Körperöffnung ab. Die Grundlagen der Bewegungssteuerung beim Vorliegen derartiger Werkzeugtransformationen sind Ziel systematischer Untersuchungen in der Projektgruppe Transformierte Bewegungen zu den Bewegungsbahnen von Hebelspitze und Hand, die bei Zielbewegungen mit einem verschiebbaren zweiseitigen Hebel, der als Funktionsmodell eines Endoskops angesehen wird, auftreten.
Frühere elektromyographische Feldstudien des IfADo an Operateuren in der Urologie haben bei endoskopischen Eingriffen sehr hohe Muskelaktivitäten und deutliche Ermüdungserscheinungen in der Schultermuskulatur gezeigt. Als mögliche Erklärung kann angenommen werden, dass durch eine muskuläre Co-Kontraktion eine Stabilisierung des Rumpfes erreicht und damit eine stabile Basis für die feinmotorischen Bewegungen der Arme und Hände geschaffen wird.
Eine weitere Ursache hoher Muskelbelastung ergibt sich aus ungünstigen Körperhaltungen, die zum Teil aus der durchzuführenden Tätigkeit, zum Teil aber auch durch die Anordnung der Arbeitsmittel resultieren. Die hohe Muskelaktivität bedingt, dass die am Ende einer Operation mit erhöhten Präzisionsanforderungen durchzuführenden Bewegungen mit ermüdeter Muskulatur erfolgen.
Ein Ziel künftiger Arbeiten ist es, den Einfluss ergonomischer Gestaltungsbedingungen - wie Arbeitshöhe, Sitzhöhe, Anordnung des Monitors, Abstützung der Arme - auf die Muskelaktivität zu untersuchen und Gestaltungsvorschläge abzuleiten, mit denen eine Reduktion der Muskelbeanspruchung und -ermüdung erreicht werden kann.
Für die Nachwuchsausbildung von Operateuren in der Urologie wurden im IfADo verschiedene Übungsmodelle entwickelt: Einerseits steht ein Real-Body-Übungsmodell zur Verfügung, das mit künstlichem Gewebe ausgestattet ist und das die Durchführung realitätsnaher Simulationen von Operationen mit Resektionen von Prostata- und Blasengewebe ermöglicht, andererseits wurde ein Virtual-Reality-Übungsmodell entwickelt, in dem die reale Situation nachgebildet wird und das bisher vorwiegend für computergestützte Simulationen zur Untersuchung von Zielbewegungen im 3D-Raum genutzt wurde.
An dem Real-Body-Übungsmodell soll in Laborversuchen geprüft werden, ob es für das Erlernen der komplexen Bewegungsvorgänge, die im realen Fall unter indirekter Sichtkontrolle über ein Endoskop auszuführen sind, sinnvoll ist, zunächst Teilschritte unter vereinfachten Bedingungen - wie beispielsweise unter direkter Sicht - zu erlernen. Zusätzlich zu den Laboranordnungen wurde für die Anwendung in der Praxis ein gleichartiger Arbeitsplatz mit einem Operationsphantom in der Urologischen Klinik im Klinikum Dortmund eingerichtet, der dort in Kooperation mit dem IfADo aktuell für die Ausbildung der Assistenzärzte genutzt wird und an dem unter realen Einsatzbedingungen Erhebungen zum Lernverhalten zukünftiger Operateure durchgeführt werden.