Development and Validation of a Low-Cost Three-Dimensional-Printed Simulator for Bronchial and Pulmonary Vascular Reconstruction Training.

Im Operationssaal ist die Fehlermarge nicht existent. Chirurgen müssen komplexe Manöver beherrschen, wie etwa das Wiederverbinden von Atemwegen und Blutgefäßen innerhalb des Brustkorbs, wo der Platz begrenzt und das Gewebe empfindlich ist. Traditionell beruhte das Erlernen dieser Fähigkeiten auf dem Beobachten von Experten, dem Üben an tierischem Gewebe oder dem Arbeiten mit menschlichen Leichen. Obwohl diese Methoden wertvoll sind, haben sie erhebliche Nachteile: Tiermodelle sind teuer und ethisch komplex, Leichen sind knapp und können nicht wiederverwendet werden, und das Zuschauen bei einem Experten führt nicht immer dazu, dass man selbst in der Lage ist, die Aufgabe auszuführen. Um diese Lücke zu schließen, haben sich medizinische Ausbilder der Simulation zugewandt und künstliche Umgebungen geschaffen, in denen Auszubildende Fehler machen und lernen können, ohne ein Risiko einzugehen. Die Herausforderung bestand darin, Modelle zu schaffen, die sich wie echtes menschliches Gewebe anfühlen und verhalten, ohne dabei ein Vermögen zu kosten oder die Produktion in spezialisierten Fabriken zu erfordern.

Ein Forscherteam aus Spanien hat diese Herausforderung angegangen, indem es ein neues, erschwingliches Trainingswerkzeug für die Thoraxchirurgie entwickelt hat. Sie entwickelten einen Simulator, der speziell für die komplexe Aufgabe der Rekonstruktion der Bronchien und der Lungenarterien konzipiert wurde. Das Gerät wird durch einen zweistufigen Herstellungsprozess gefertigt, der die Präzision des 3D-Drucks mit dem realistischen Gefühl von medizinischem Silikon kombiniert. Zuerst nutzte das Team eine Computersoftware, um die exakten Formen der Atemwege und Blutgefäße zu entwerfen. Anschließend druckten sie starre Formen dieser Gebilde mit einem Standard-Kunststoffdrucker. Sobald die Formen bereit waren, gossen sie flüssiges Silikon in diese ein. Als das Silikon hart wurde, entstanden flexible, langlebige Repliken der menschlichen Anatomie, die genau wie echtes Gewebe genäht und manipuliert werden konnten. Das gesamte Setup, einschließlich einer Plattform, die den engen Raum eines Brustkorbs nachbildet, kostete in der Herstellung etwa 114 Euro, was es für Krankenhäuser und Trainingszentren mit begrenzten Budgets zugänglich macht.

Um zu testen, ob dieses kostengünstige Gerät tatsächlich als Lehrmittel funktionierte, luden die Forscher 36 Teilnehmer ein, es zu benutzen. Die Gruppe setzte sich aus Medizinstudierenden mit Grundausbildung, Assistenzärzten mitten in ihrer Facharztausbildung und erfahrenen Thoraxchirurgen zusammen, die diese komplexen Operationen seit Jahren durchführen. Jeder Teilnehmer wurde gebeten, spezifische Aufgaben am Simulator auszuführen, wie etwa das Vernähen der Atemwege und Blutgefäße mittels Einzelknopfnaht und fortlaufender Naht. Sie führten diese Aufgaben auf zwei Arten durch: erstens an einem flachen Tisch, an dem sie vollen Zugang zum Modell hatten, und zweitens durch die eingeschränkte Plattform, die die enge, schwierige Sicht einer tatsächlichen Operation simulierte. Die Forscher maßen, wie lange die Aufgaben zur Bearbeitung benötigten und ob die Nähte erfolgreich waren, während sie die Teilnehmer auch baten, die Realitätsnähe des Modells und dessen Nutzen für das Lernen zu bewerten.

Die Ergebnisse zeigten, dass der Simulator erfolgreich zwischen den verschiedenen Erfahrungsstufen unterschied. Wenn die Aufgaben in einer offenen, uneingeschränkten Umgebung durchgeführt wurden, konnten fast alle die Naht vollziehen. Wenn die Teilnehmer jedoch durch die eingeschränkte Plattform arbeiten mussten, zeichnete sich ein klares Muster ab. Die erfahrenen Chirurgen absolvierten die schwierigen Aufgaben mit einer wesentlich höheren Erfolgsquote als die Assistenzärzte, die wiederum besser abschnitten als die Medizinstudierenden. Beispielsweise gelang beim Versuch einer fortlaufenden Naht an dem Blutgefäß innerhalb der eingeschränkten Plattform nur 7,7 Prozent der Studenten, verglichen mit 70 Prozent der Assistenzärzte und 92,3 Prozent der erfahrenen Chirurgen. Diese Fähigkeit, die Leistung von Novizen von der von Experten zu unterscheiden, ist ein entscheidendes Anzeichen dafür, dass der Simulator ein valides Instrument zur Bewertung der Geschicklichkeit ist. Es deutet darauf darauf hin, dass das Gerät anspruchsvoll genug ist, um die wahre technische Kompetenz des Anwenders offenzulegen.

Über die reine Prüfung der Geschicklichkeit hinaus untersuchte die Studie auch, wie sich das Training auf die Leistung auswirkte. Wenn die Teilnehmer den Simulator wiederholt verwendeten, wurden sie signifikant schneller. Die durchschnittliche Zeit zur Durchführung eines Verfahrens sank von über 960 Sekunden beim ersten Versuch auf etwa 858 Sekunden beim zweiten Versuch. Die dramatischsten Verbesserungen zeigten die weniger erfahrenen Teilnehmer, die mit dem Training schnell an Geschwindigkeit gewannen, während die Experten, die bereits schnell waren, geringere Zuwächse verzeichneten. Dies zeigt, dass der Simulator gezieltes Üben ermöglicht, bei dem Repetition zu spürbaren Verbesserungen der Effizienz führt. Die Teilnehmer bewerteten den Simulator auch hinsichtlich seiner Realitätsnähe sehr positiv. Sie stimmten zu, dass sich die Textur des Silikons wie echtes Gewebe anfühlte und dass das Modell für die Lehre und Bewertung chirurgischer Fertigkeiten geeignet war. Selbst die erfahrensten Chirurgen, die oft die kritischsten Richter solcher Werkzeuge sind, fanden den Simulator als eine realistische Darstellung der von ihnen täglich durchgeführten Eingriffe.

Die Forscher merkten an, dass der Simulator zwar hervorragend geeignet ist, um den mechanischen Akt des Nähens zu üben, aber nicht jeden Aspekt der menschlichen Biologie replizieren kann. Das Silikon blutet nicht, es hat keinen Blutfluss und es heilt oder entzündet sich nicht wie lebendes Gewebe. Dies sind Einschränkungen, die die Autoren anerkennen, da das Gerät für den Erwerb technischer Fertigkeiten und nicht zur Simulation der vollständigen physiologischen Reaktion eines Patienten konzipiert ist. Trotz dieser Einschränkungen kommt die Studie zu dem Schluss, dass dieser Ansatz eine praktische und reproduzierbare Möglichkeit bietet, Chirurgen auszubilden. Durch die Kombination von 3D-gedruckten Formen mit wiederverwendbarem Silikon hat das Team ein System geschaffen, das günstig genug ist, um häufig verwendet zu werden, und robust genug, um wiederholter Nutzung standzuhalten. Diese Arbeit legt nahe, dass qualitativ hochwertige chirurgische Ausbildung nicht unverhältnismäßig teuer sein muss und dass zugängliche Werkzeuge eine entscheidende Rolle bei der Vorbereitung der nächsten Generation von Chirurgen auf die komplexen Herausforderungen der Thoraxrekonstruktion spielen können.