Simulation von Herzkatheterinterventionen bei Kleinkindern

Interventionelle Verfahren stellen seit vielen Jahren ein stetig wachsendes Gebiet in der Therapie angeborener Herzfehler dar. Dennoch existiert bis heute ein Mangel an adäquaten Ausbildungsmethoden um junge Mediziner erfolgreich und risikoarm an die Verwendung dieser Therapien heranzuführen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Simulationsumgebung zum Training von Herzkatheterinterventionen bei Kleinkindern. Neue Lösungsmöglichkeiten für die physikalische Simulation medizinischer Instrumente (Katheter) im Zusammenspiel mit dem schlagendem Herzen werden vorgestellt. Der gezeigte Ansatz kombiniert hohe Geschwindigkeit in der Berechnung mit einer realistischen Bewegungssimulation und kann unabhängig von Topologie und Form umliegender Gefäße angewandt werden ohne dabei zugunsten der Performanz auf Freiheitsgrade verzichten zu müssen. Der präsentierte Ansatz basiert auf einem quasistatischen Modell und einer effizienten Energieminimierung. Ein Verfahren zur Deformation des schlagenden Herzens mittels einer in Echtzeit berechenbaren pseudoinversen Free Form Deformation Technik wird gezeigt und besprochen. Weiterhin wird ein schnelles, deskriptives Simulationsverfahren für Kontrastmittelfluss vorgestellt, sowie eine Vielzahl grafischer Verfahren zur Nachbildung realistischanmutender Bildgebungsverfahren implementiert und ausgewertet. Es wird im Rahmen dieser Arbeit mittels eines voll funktionsfähigen Prototypen gezeigt, dass mit heutigen Rechnern eine vollständig realistische Simulation von Herzkathetereingriffen bei Kleinkindern möglich ist

Design and evaluation of a 3D printed multi vessel model for particle embolization training

Einleitung: Die Ausbildung von Assistenzärzten in der interventionellen Radiologie erfolgt aktuell hauptsächlich mit dem „master-apprentice system“. Dabei werden erste praktische Erfahrungen meist direkt am Patienten erworben. Gerade bei komplexen Prozeduren, wie z.B. der Embolisation mit Partikeln, kann dies unter Umständen mit einem erhöhten Risiko für den Patienten einhergehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein Trainingsmodell entwickelt, mit dem Partikelembolisationen simuliert und trainiert werden können. Methodik: In Experteninterviews mit erfahrenen interventionellen Radiologen zu den möglichen Anforderungen an ein Trainingsmodell wurden Modellanforderungen und Lernziele festgelegt. In einem zweiten Schritt wurde ein physisches Modell mit Hilfe von CAD Software entwickelt, entworfen und mittels 3D-Drucker gedruckt. In Rücksprache mit erfahrenen Interventionalisten wurde über mehrere Iterationen hinweg ein funktionsfähiges Modell entworfen, mit dem Partikelembolisationen zuverlässig trainiert werden können. Dieses Modell wurde durch eine Gruppe von Experten (n = 6) getestet und anhand eines Fragebogens evaluiert. Zusätzlich fand eine Bewertung durch Studierende (n = 10) ohne Erfahrung mit Partikelembolisationen im Rahmen eines Trainings statt. Ergebnisse: Das finale Modell erfüllt alle im Expertengespräch definierten Modellanforderungen. Die Evaluation durch die Expertengruppe deutet darauf hin, dass alle definierten Lernziele durch ein Training mit dem erstellten Modell erreicht werden können. Der Einschätzung der Experten zufolge ist das Modell gut geeignet, um wichtige Teilschritte, sowie Komplikationen einer Partikelembolisation zu vermitteln. Das Modell kann aus Expertensicht daher sehr gut in der Ausbildung eingesetzt werden. Dies konnte im Training mit den Studierenden erfolgreich bestätigt werden, da diese sich nach bereits einem Training mit dem Modell in fünf Punkten signifikant verbessert haben. Diskussion: Das Trainingsmodell ist laut Expertenevaluation und bestätigendem Training mit Studierenden dazu in der Lage, die Grundlagen der Partikelembolisation erfolgreich zu vermitteln. Ein Training mit dem Modell ist kostengünstig und zeiteffizient, da es unabhängig von Patientenverfügbarkeit jederzeit ausgeführt werden kann. Ein breiter Einsatz in der Ausbildung von Assistenzärzten der interventionellen Radiologie könnte den Ausbildungsstandard erhöhen, die Ausbildung homogener gestalten und letztlich auch die Patientensicherheit erhöhen.Background: The training of residents in the field of interventional radiology mainly relies on the „master-apprentice system“. The first practical operations of residents are mostly carried out on patients themselves. Complex tasks especially, like particle embolization procedures, bear a risk for the patient’s safety. For this study, a physical training model was developed which is capable of simulating particle embolization and meant for training of particle embolization procedures. Methods: Model requirements as well as learning objectives for an efficient training were identified in an interview with interventional radiology experts. A first model was then designed and developed using CAD software and finally printed using a 3D-printer. With the feedback of the experts, the model was refined over several iterations until a fully functional model, capable of simulating particle embolization, could be printed. This final model was evaluated by a group of experts (n = 6) by training and through a questionnaire. Additionally, a group of medical students (n = 10) without any experience in the field of particle embolization evaluated the model in a training program. Results: The final model fulfils all defined model requirements. The evaluation through the expert group indicates that all learning objectives can be reached by training with the model. Subjectively, the experts think the model is well suited to be used in the residency program of interventional radiologists, teaching important steps of particle embolization as well as complications. These observations were proven by the training program with the medical students as they significantly increased their subjective score. Conclusion: According to the experts of interventional radiology, the model is capable to teach the basics of catheter handling as well as particle embolization. Training with the model is time and cost efficient, as it does not depend on patient availability or consent. It can be performed independently at any time. A broad availability of the model in interventional radiology residency programs could possibly increase the standards of the program, homogenise the training and ultimately increase patient safety. These possible advantages of the use of our model should be subject of further studies

Multimediales Lernen in der medizinischen Ausbildung: Möglichkeiten, Nutzung, Grenzen

Multimediales Lernen gewinnt in der medizinischen Ausbildung zunehmend an Bedeutung. Eine Analyse vorhandener Lernprogramme auf CD-ROM und im Internet zeigt, dass das aktuelle Angebot breit und vielfältig ist. Jedoch gibt es auch Reserven, beispielsweise hinsichtlich der Interaktivität und der Interdisziplinarität der Lernsysteme. Im Rahmen einer Befragung von Studierenden der Medizin wurde deutlich, dass Lernprogramme auf CD-ROM insgesamt nur selten, im Internet so gut wie gar nicht genutzt werden. Neben der Einstellung der Studierenden zum multimedialen Lernen scheinen dabei insbesondere praktische Probleme mit der geringen Nutzung in Zusammenhang zu stehen. Ein entscheidendes Hindernis ist die fehlende Information über entsprechende Angebote. Nur ein kleiner Teil der Studenten weiß über Lernprogramme durch Lehrende. Dies hängt nach den Ergebnissen der hier vorgestellten Dozentenbefragung unter anderem damit zusammen, dass eine Vielzahl der Lehrenden keine Lernprogramme kennt. Kennen die Dozenten jedoch Lernprogramme, dann empfehlen sie diese in der Regel auch ihren Studierenden. Hauptgrund für die Nichtempfehlung von multimedialen Lernangeboten trotz deren Kenntnis ist nach Meinung der Dozenten vor allem die fehlenden Vorteile vieler Lernprogramme gegenüber "klassischen" Lernmaterialien wie z.B. Büchern. Eine Befragung von Lernprogramm-Entwicklern und Lehrenden zeigt darüber hinaus, dass bei der Entwicklung von Lernprogrammen und deren Nutzung durch die Studierenden zahlreiche Probleme auftreten. Zum einen ist zur Erstellung ein erheblicher finanzieller und personeller Aufwand nötig. Entscheidend ist zudem, dass die Prüfungsrelevanz der multimedialen Angebote oftmals nicht gegeben ist, die Programme also an den Bedürfnissen der Studierenden vorbeigehen. Weiterhin führt die mangelnde Implementierung bzw. curriculare Einbindung der Lernprogramme häufig dazu, dass die Nutzung der entsprechenden Angebote hinter den Erwartungen zurück bleibt. Eng damit verbunden ist auch das Problem der fehlenden Nachhaltigkeit vieler Projekte, das die langfristige Nutzung der entwickelten Lernsysteme erschwert. Ber der künftigen Entwicklung und dem Einsatz medizinischer Lernprogramme sind diese Probleme zu berücksichtigen und langfristige Konzepte der Universitäten und Hochschulen zur nachhaltigen Nutzung erforderlich

Gestaltungs- und Einsatzkonzeption multimedialer (interaktiver) Lehr- und Lernumgebungen für den Einsatz im Bildungswesen Mosambiks - Prototypische Lösung für die Informatikgrundausbildung

This report begins with the presentation of "the state of the art" as well as the foreseen trend in the education system in Mozambique and analyses the present situation in the area utilizing media opportunities for teaching and/or learning. Basing on this analysis, the prevailing problems and the aims (this might need research) of the study shall then be identified and formulated (chapter 1 and 2). The necessity to carry out the study is grounded by the worldwide stormy developments utilizing modern information technology. These developments do also apply to Mozambique as the pre-studies show. A flashback on the history of teaching-/learning system as well as on present solutions utilizing new media and new information as well as communication technology shall be discussed in the third chapter. To this end, the study shall contribute to identify the lacking of previous concepts as well as to introduce an orientation as to the current world sustainable system. The software for training on the market at present show (without doubt) that they reflect developers' imaginations (knowingly or unknowingly) as to what learning and teaching actually is and how this process take place. Basing on this knowledge, it is worth to work out the starting point as to teaching-/learning methodology before working out a conception. In addition, it shall be made clear (in the course of analysis) that the dominating criterion for customizing a teaching-/learning system is that system or its form that has been realised. The contribution of this report, further, is to make the definition of the media more precise by adding new terminology that shall be discussed and viewed from different viewpoints. This shall in turn contribute to a clear and sound understanding of the media. In the past years, a series of different teaching and methodologies concepts on the design of computer-based teaching-/learning environment were developed and discussed. Among them is the so called "anchored instruction" of the cognition and Technology Group based at Vanderbilt University and the Cognitive Apprenticeship developed by Collins, Brown and their co-workers. This shall be dealt with in the fourth chapter. On that basis, and taking other factors into consideration, such as design, functionality, applications scenarios, boundary conditions as well as user backgrounds, a more effective teaching-/learning environment can be predicted and consequently a concrete design proposal can be derived. The guidelines strived as to the design of context-sensitive multimedia teaching and learning environment shall not only be treated intuitive, but implemented technically in a prototype. In so doing they can then be evaluated and adopted. The so evaluated guidelines and other relevant design proposals that can find use in other areas with respect to the demand of the study as a whole shall make the results of this report. The fifth chapter shall describe the development and evaluation of prototype-art "e-Aula" solutions basing on the developed and grounded conception. The conception constitutes of a hybrid solution in the form of training software that supports both freelance as well as classroom learning. This training technology solution is called teaching-/learning environment and it is being characterised through its feature that it embodies two system interfaces having functions (learning environment and teaching arrangement) that basically refer to the same data collection (media) that can be accessed by the in different ways. This function rates "e-Aula" at a relatively higher position in comparison with a number of learning systems. The sixth chapter shall then summarise the important findings of the report and recommend areas for further research. Appendix: e-Aula Suite 1.0 (1,26 MB) Usage: Referat Informationsvermittlung der SLUBMit der Arbeit wurde Ein Konzept für eine Hybridlösung in Form von Bildungssoftware entwickelt begründet und evaluiert, mit der sich einmal erzeugte digitale didaktische Medien sowohl für selbstständiges und unterrichtliches Lernen in sog. "Multimedia Learning Environments" als auch für das Lehren über sog. "Teaching Arrangements" nutzen lassen. Anlage: e-Aula Suite 1.0 (1,26 MB) Nutzung: Referat Informationsvermittlung der SLU

Konzeption und Realisierung einer webbasierten Lernumgebung für die Signal- und Mustererkennung

Abstract The present paper concentrates on a learning software for signal and pattern recognition which is flexible in use and practically oriented. The main goal of such software is to organize and realize virtual, web-based practical trainings. In order to achieve this goal, a concept for a web and browser-based learning environment called "Virtual Laboratory for Signal and Pattern Recognition" (vPSM) is developed and prototyped within the framework of this paper. The main focus of the present paper is developing a concept for and implementing a prototype of interactive and virtual devices which can be used to hold practical trainings, for self-study based on self-controlled and explorative learning, and to enhance lectures. A learning environment for signal and pattern recognition is conceptualized based on the fundamental learning theory, on the essentials of computer supported learning environments, on the state-of-the-art analysis, on the field specific demands, and on the current situation of the institute. Special attention is given to the didactics, to various structural aspects regarding topic distribution, and to the order in which the topics are to be worked on. The primary focus here is placed upon conceptualizing the virtual devices, the different user actions, and the tasks. The absolute mark of quality for learning and for a learning environment is that the learning objects are interactive. This factor is decisive for developing and implementing especially the interactive devices. The learning environment is augmented by the availability of learning content to supplement lectures and exercises, by interactive experimental surroundings, by a collection of exercises and information, and by help systems. At the same time, various interfaces are available to implement results from continuing scientific work. By integrating the computer algebra system "Mathematica" via a Java-API, a powerful tool for mathematical operations and for creating manifold types of presentations (auditory, visual) is also available. When the technical realization is described, an insight is given into the technologies used, into the database based functions (role and task concept), and into the integration of the mathematical tools. The present paper concludes with a discussion regarding the obtained results and the considerations regarding the further development of the learning environment vPSM.Die vorliegende Arbeit stellt sich der Herausforderung nach einer flexibel einsetzbaren, praxisverbundenen Lehrsoftware für die Signal- und Mustererkennung mit dem Kernanliegen, die Organisation und Durchführung eines virtuellen, webbasierten Praktikums zu ermöglichen. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Konzept für eine web- und browserbasierte Lernumgebung „Virtuelles Praktikum für die Signal- und Mustererkennung" (vPSM) entwickelt und prototypisch realisiert. Im Zentrum der Arbeit stand die Konzeption und prototypische Implementierung von interaktiven Bedienelementen – den virtuellen Geräten, die sich kontextunabhängig sowohl für die Durchführung von Praktika, für das Selbststudium - auf der Basis selbstgesteuerten, explorierenden Lernens - und zur Ergänzung der Lehrveranstaltungen einsetzen lassen. Ausgehend von den lerntheoretischen Grundlagen, den Grundlagen computerunterstützter Lernumgebungen, der „State-of-the-Art"-Analyse, den fachspezifischen Anforderungen und der aktuellen Ausgangssituation am Fachgebiet wurde ein Konzept für eine Lernumgebung für die Signal- und Musterkennung entwickelt. Dabei wurde speziell auf die didaktische Konzeption, verschiedene Strukturierungskonzepte bezüglich der thematischen Stoffaufteilung und bezüglich der Bearbeitungsabfolge eingegangen. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Konzeption der virtuellen Geräte, die verschiedenen Nutzeraktionsformen und die Aufgabenkonzeption gelegt. Bei der Entwicklung und Implementierung, speziell der interaktiven Geräte, war ausschlaggebend, dass die Interaktivität der Lernobjekte ein entscheidendes Qualitätskriterium des Lernens bzw. einer Lernumgebung ist. Ergänzt wird die Lernumgebung durch die Bereitstellung vorlesungs- und übungsergänzender Lehrinhalte, interaktiver Experimentierumgebungen, Aufgaben- und Informationssammlungen und Hilfesysteme. Sie stellt gleichzeitig vielfältige Schnittstellen zur Verfügung, um Ergebnisse aus weiterführenden wissenschaftlichen Arbeiten zu implementieren. Durch die Integration des Computer-Algebra-Systems Mathematica über eine Java-API steht ein mächtiges Werkzeug für die mathematischen Operationen und die Erzeugung verschiedenster Präsentationsmöglichkeiten (auditiv, visuell) zur Verfügung. In Zusammenhang mit der Beschreibung der technischen Realisierung wird ein Einblick in die verwendeten Technologien, die datenbankbasierten Funktionen (Rollen- und Aufgabenkonzept) und die Integration der mathematischen Werkzeuge gegeben. Mit einer Diskussion der erreichten Ergebnisse und Überlegungen zu Weiterentwicklungen der Lernumgebung vPSM schließt die Arbeit ab

Integrierung und Validierung der Hysteroskopie-Simulation mit dem HystSim® im Rahmen von Trainingskursen zur gynäkologischen Endoskopie

In der vorliegenden Studie sollte die Konstruktvalidität eines virtuellen Simulators untersucht werden. Es sollten die Fragen beantwortet werden, ob sich bei Probanden durch temporäres Simulationstraining die hysteroskopischen Fähigkeiten und die Leistung bei der Durchführung einer speziellen Aufgabe verbessern. Zwischen Juni 2014 und Mai 2015 nahmen 57 Absolventen eines Kurses zur minimalinvasiven Chirurgie der Universität Kiel an einem hysteroskopischen Training mit Hilfe des HystSim® teil. Alle Teilnehmer führten als Testaufgabe eine Myomektomie aus. Die Leistungen vor und nach dem Training wurde mit Hilfe des multiparametrischen Scoresystems MMSS beurteilt. Zusätzlich konnten die Probanden laparoskopische Übungen am Schweineherzen durchführen. Die Auswertung zeigte, dass alle Probanden unabhängig von ihrer Vorerfahrung nach dem Training ihre hysteroskopischen Fähigkeiten verbessert hatten (p = 0,015, Effektstärke 0,4). Die Expertengruppe erzielte nach dem Training bessere Scorewerte als die Anfängergruppe (p = 0,002). Beim Durchführen der Myomektomie verbesserten ebenfalls beide Gruppen ihre Leistung statistisch signifikant (Anfänger p = 0,001; Experten p = 0,006, Effektstärke 0,4). In Bezug auf die Parameter Visualisierung und Ökonomie schnitten die Experten zunächst schlechter ab, steigerten aber ihre Leistung und erreichten am Ende des Trainings bessere Werte als die Anfänger (Effektstärke 0,3). Hinsichtlich der Sicherheit steigerten nur die Experten ihre Leistung (Effektstärke 0,3), während das Training nur einen geringen Einfluss auf die Flüssigkeitshandhabung hatte (Effektstärke 0,2). Beim Vergleich der Erfahrungen mit dem HystSim® und einem Tiermodell war der virtuelle Simulator in Bezug auf die Vielfalt der Trainingsmöglichkeiten (p = 0,039) und die Leistungserfassung (p = 0,01) dem Tiermodell überlegen. Das Simulationstraining mit dem HystSim® und die Leistungserfassung mit Hilfe des MMSS erwies sich folglich als klinisch und kritisch relevant sowie motivationsfördernd. Weitere Studien zur Optimierung des MMSS und zur Bedarfsermittlung der notwendigen Trainingsfrequenz bis zum Erreichen eines weit fortgeschrittenen Leistungsstatus sind wünschenswert

Jahresbericht Forschung und Entwicklung 2008

Forschungsjahresbericht 2008 der Hochschule Konstanz Technik, Wirtschaft und Gestaltun