[Evaluation of surgical coordination]

 Joachim H. Schneider ¹
Frank Granderath ¹
Dominik Kowalsky
Alfred K?nigsrainer <sup>1

1</sup> Universit?t T?bingen, Klinik f?r Allgemeine, Viszeral- und Transplantationschirurgie, T?bingen, Deutschland

Abstract

The eye-hand coordination is important in the use of monitors performing successfully diagnostic and therapeutic procedures. It is necessary to interpret the screen on the monitor anatomical correctly in order to coordinate instruments without the intention of depth. The T?binger Skills Trainer (TST) was manufactured not only for great cohorts of students but also to evaluate manual skills without great numbers of controllers. Younger and senor students and younger surgeons were studied. Mistakes and time duration were registered by the PC. In the group of the students mistakes and time durations were decreased in the second trial. Therefore the measuring of the training effect is objective. In the third group the training with both hands showed a diminished time space but an increase of the mistakes. The T?binger Sills Trainer was fully accepted by students and is reliable to use it for medical education.

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Einleitung und Fragestellung

Nahezu alle medizinischen Fachbereiche setzen in Diagnostik und Therapie Monitore ein, die anatomische Strukturen und instrumentelle Fertigkeiten bei ver?nderter Tiefenwahrnehmung als 2D-Bild zu visualisieren haben. Unter diesen Bedingungen ist die Augen-Hand-Koordination – sei es beim F?hren eines Ultraschallkopfes oder h?herwertiger endoskopisch-interventioneller Verfahren- essentiell. Ein Training findet daf?r in der fr?hen Ausbildung von Medizinern kaum Ber?cksichtigung. Die fehlende direkte Sicht auf das Arbeitsfeld macht es nicht nur notwendig, die Wirklichkeit als Bild korrekt zu interpretieren, sondern den instrumentellen Einsatz von Sonden, Punktionsinstrumenten oder operativem Werkzeug gegebenenfalls unter Verzicht auf haptische Wahrnehmung und fehlendem Geweber?ckkoppelung sicher zu beherrschen. Entscheidungsfindung und die Augen-Hand Koordination sind dabei nach Spencer [1] die wichtigsten Gr??en, die ?ber das Erreichen eines diagnostischen oder therapeutischen Zieles unter Vermeidung von Komplikationen am Patienten entscheiden. In der Medizinausbildung wurde diesem Trend durch Entwicklung zahlreicher physikalischer, virtueller oder in Echtzeit konstruierter Trainingsmodelle [2] Rechnung getragen [3]. Denn es besteht ?ber die von Pollok [4] und anderen [5] formulierte Tatsache weitgehendst ?bereinstimmung, dass die Beschreibung der Durchf?hrung einer Prozedur nicht gleichbedeutend mit der Schwierigkeit ihrer faktischen Durchf?hrung ist.

Da die Novellierung der Approbationsordnung f?r ?rzte und ?rztinnen auch die Pr?fung praktischer Fertigkeiten vorsieht, stellt sich die Frage, wie eine solche Evaluation basisorientiert f?r gro?e Kohorten von Studenten, ohne den Einsatz einer Vielzahl von Dozenten durchzuf?hren ist? Unter "praktischen Fertigkeiten“ soll hier die Kompetenz definiert werden, die kognitives Wissen mit erfolgsorientierter manueller Geschicklichkeit zu verbinden wei?. Auch wenn es ein g?ngiges Prinzip ist, durch Bewertung Qualit?t zu steigern [6], so liegt der Schwerpunkt in der Ausbildung von Medizinern vornehmlich darin, durch Testierung Trainingseffekte zu verbessern. Die Bewertung hat in diesem Zusammenhang Kontrollfunktion. Das Aufzeigen von St?rken und Schw?chen hat motivierenden Charakter, zumal dann, wenn sich Lernerfolge bei entsprechendem Versuchsdesign im Moment der Entstehung dokumentieren und darstellen lassen. Die computergest?tzte Evaluation eines Trainingserfolges hat den weiteren positiven Aspekt, gerechter zu beurteilen, weil physikalische Beurteilungsparameter wie Zeit und Fehlerquote unabh?ngig von der subjektiven Sicht eines jeweiligen Dozenten erhoben werden k?nnen. Ein so gestaltetes Bewertungssystem ist pr?ziser, verl?sslicher und praktikabler [7].

Um die u.a. von Darzi [8] und Satava [9] international abgestimmten Standards in der Medizinerausbildung f?r praktische Bef?higungen umsetzen zu k?nnen, wurde im Skillslab der Klinik ein einfacher Geschicklichkeitstrainer computergest?tzt mit einer Software so kombiniert, dass messbare Leistungskontrollen von manuellen Fertigkeiten durch objektive physikalischen Parameter an gr??eren Studentenkollektiven f?r die medizinische Basisausbildung mit geringem Dozentenaufwand akquiriert werden k?nnen.

Material

Der Geschicklichkeitstrainer

Wir entwickelten f?r das Wochenpraktikum im 5. klinischen Semester (WS 05/06) einen Geschicklichkeitstrainer, der in seiner Basiskonstruktion eine Weiterentwicklung des Karlsruher Endoskopietrainers darstellt. Der Aufbau des Trainers besteht aus einer Grund- und Deckplatte. Auf der Grundplatte sind der Mikroprozessor und die Einschubhalterung von Modulen installiert. Da der T?binger Geschicklichkeitstrainer (siehe Abbildung 1 [Abb. 1]) modular aufgebaut ist, lassen sich im weiteren Fortgang der Entwicklung h?herspezialisierende Aufgabenstellungen, mit unterschiedlichen Modulen dieses einen Grundmodells realisieren. Drei Kippschalter erm?glichen die Auswahl unterschiedlicher Tests. Die Deckplatte verh?llt den direkten visuellen Kontakt des Auges mit dem jeweiligen Modul und tr?gt in der Grundausstattung die ?ber Gummiplatten eingef?hrten Trainingsst?be, die ein- und beidh?ndig aktiviert werden k?nnen. Notwendigerweise ist auf der Deckplatte die Standardoptik montiert, die in diesem Fall starr fixiert ist, um Studenten bei anf?nglichem Trainingsstand das einh?ndige oder im fortgeschrittenen Stadium die bimanuelle Arbeit am Trainer ohne Assistenz zu erm?glichen. Der Einsatz eines Mikroprozessors l?sst es zu, in "real time“ physikalische Gr??en wie die ben?tigte Zeit und die dabei gemachten Fehler individuell und als Gruppenleistung festzuhalten. Rechtsseitig sind die Verbindungskabel zum Monitor und PC so montiert, dass sie anwenderfreundlich dem Trainierenden nicht zus?tzliche Aufmerksamkeit rauben.

Das Grundmodul

Das Grundmodul ist dem Querschnitt eines menschlichen Magens nachempfunden, in dessen sch?sself?rmigem Grund 15 Leuchtdioden unterschiedlicher Farben eingelassen sind. Jede kreisrunde Leuchtdiode besteht peripher aus einem Hohlstab und in seinem Zentrum aus einem Eisenkern, der mit dem ?u?eren Hohlstab durch eine Plexiglasscheibe getrennt ist. Der Gesamtdurchmesser der Diode betr?gt 5mm. (siehe Abbildung 2 [Abb. 2]) Ein Mikroprozessor steuert zufallsgeneriert das Aufleuchten eines Plexiglasringes der Leuchtdioden in roter und gr?ner Farbe. Sobald der Student mit Hilfe des Trainingsstabes die Leuchtdiode punktgenau trifft, l?scht der Mikrocontroller das Licht dieser Leuchtdiode und erhellt zufallsbedingt eine der ?brigen anderen 14 Dioden. Die Aufgabe der Studenten besteht darin, nicht nur das Ziel genau mit Hilfe eines zweidimensionalen Monitorbildes anzusteuern, sondern die gestellten Aufgaben in einer bestimmten Zeit zu absolvieren. Um das Training zu vereinfachen, sind die Trainingsst?be f?r die rechte und linke Hand wahlweise roten und gr?nen Leuchtdioden zugeordnet, die vom Testteilnehmer allerdings auch in umgekehrter Handhabung angesteuert werden k?nnen. Beim beidh?ndigen Arbeiten ist die Aufgabe erst dann gel?st, wenn die Leuchtdiode mit beiden Testst?ben simultan Kontakt hat. Das Zeitintervall vom Ab- und Anschalten der n?chsten Diode wird vom Prozessor registriert, ebenso wie die inkorrekte Ber?hrung des ?u?eren Hohlstabes, die zu einer Fehlermeldung an das Auswertesystem f?hrt.

Der Mikroprozessor

Als Mikrocontroller wird ein sogenannter "Atmel Butterfly Board“ der Firma Atmel verwendet. Das Steuerungsprogramm wurde in C geschrieben und nach dem Kompilieren direkt in Maschinensprache auf den Mikroprozessor ?bertragen. Der Mikrocontroller kommuniziert mit einem eingebauten LCD Display (low cristal display) und einer Ausgabe ?ber der seriellen Schnittstelle eines PC?s.

Das Auswerteprogramm

?ber eine serielle Schnittstelle werden die digitalisierten Daten vom Mikrocontroller in eine PC-Software eingelesen, die die Fehler und Zeitdifferenzen der LCDs f?r einzelne Studienteilnehmer und der jeweiligen Gruppe festh?lt und summiert. Die Speicherung und Auswertung dieser speziellen Datei erfolgt in einer Exeldatei.

Studienkollektiv

Der Geschicklichkeitstrainer wurde bei drei Studienkollektiven durchgef?hrt: In Gruppe I wurden Studenten des 5. klinischen Semester, in Gruppe II PJ Studenten und in Gruppe III ?rzte und ?rztinnen in der chirurgischen Weiterbildung zusammengefasst. Ingesamt wurden 125 Teilnehmer in die Studie eingeschlossen. In der Gruppe I befanden sich 108 Studienteilnehmer, in Gruppe II 10 Studenten im Praktischen Jahr und in Gruppe III 7 junge ?rzte und ?rztinnen in der chirurgischen Weiterbildung. Studenten des 5. Semesters stellten die Zielgruppe der Studie dar, w?hrend die PJler und Jung?rzte und ?rztinnen in der Weiterbildung wegen ihres fortgeschritteneren Ausbildungsstandes als Kontrollgruppen mit weniger Teilnehmern geplant waren.

Methoden

Das Training der Studenten am Geschicklichkeitstrainer war Teil des Lehrplanes im Wochenpraktikum des 5. klinischen Semesters, das im Skills Lab der Klinik durchgef?hrt wurde. ?ber die an der Stirnseite eingelassenen Kippschalter des Trainers wurden den Studienteilnehmern zwei unterschiedliche Aufgaben angeboten: das einh?ndige und beidh?ndige Arbeiten. Zur Feststellung eines m?glichen Trainingseffektes wurden die jeweiligen Aufgaben zwei Mal hintereinander durchgef?hrt. Dabei wurde daf?r Sorge getragen, dass Trainingsteilnehmer einer Gruppe in der gleichen Reihenfolge w?hrend zweier Durchg?nge trainierten, um neben der Gruppen- auch individuelle Evaluation der Lernleistung zu erm?glichen.

Zur Auswertung kamen die oben erw?hnten Variablen:

1. die Zeitdauer vom Aus- bis zum Anschalten einer Leuchtdiode,
2. die Fehlerquote, die beim Ber?hren des peripheren Hohlstabes einer jeden Leuchtdiode gez?hlt wurde.

Die Lernf?higkeit wurde als Minderung der Zeitdauer oder Vermeidung von Fehlern bei gleichbleibenden Untersuchungsbedingungen definiert.

Alle Studienteilnehmer erhielten von einem Dozenten eine kurze Einf?hrung in das System.

Die Akzeptanz des Geschicklichkeitstrainers und des Trainingsprogramms wurde nach Beendigung der ?bungen mit Hilfe eines Evaluationsbogens erfragt.

Statistische Auswertung

Alle Daten wurden als Mediane dargestellt. Nicht paarige Gruppen der jungen und ?lteren Studenten sowie der ?rzte wurden mit dem Mann-Whitney U-Test miteinander verglichen. Die Daten der mit und ohne Trainingseffekt gemessenen Studienteilnehmer (im ersten und zweiten Durchgang) wurden mit dem Wilcoxon Test statistisch ausgewertet. Ein p-Wert <0.05 wurde als signifikant bewertet. Alle der statistischen Berechnungen wurden mit dem kommerziell erh?ltlichen PC gesteuerten JMP System durchgef?hrt.

Ergebnisse

1. Fehlerh?ufigkeit im Vergleich der drei Gruppen bei einh?ndiger Bedienung des Geschicklichkeitstrainers

Der Vergleich der H?ufigkeit der Fehlerquoten zeigt keinen signifikanten Unterschied in den drei Gruppen im ersten Durchgang. (p=0,8) Die Senkung der Fehlerh?ufigkeit im zweiten Durchgang in allen drei Kohorten ist dabei nicht einheitlich und betr?gt in Gruppe eins 41; in Gruppe zwei 34 und in Gruppe drei 18%. Auch wenn Abnahme der Fehler im zweiten Durchgang in der dritten Gruppe am geringsten ist, so liegt das Fehlerniveau deutlich unter dem der anderen Gruppen. Ein signifikanter Unterschied ergab sich zwischen dem ersten und zweiten Durchgang. (p<0,05) (siehe Abbildung 3 [Abb. 3]).

2. Die Zeitdauer im Vergleich der drei Gruppen bei einh?ndiger Bedienung des Geschicklichkeitstrainers

Die Zeitdauer zur Beendigung der gestellten Aufgabe ist im ersten Durchgang in den drei Gruppen nicht signifikant verschieden (p=0,3). Die Reduzierung der Zeitdauer im zweiten Durchgang betr?gt in Gruppe eins: 18 (p < 0,05) in Gruppe zwei: 36 (p< 0,05) und in Gruppe drei: 46%. (p<0,003)

Aus der Synopse von Fehlern und Zeit zeigt sich bei allen drei Gruppen bei einh?ndiger Ausbildung am T?binger Geschicklichkeitstrainer der Lerneffekt durch den geminderten Zeitbedarf, bei dem weniger Fehler bei gleichem Trainingsaufbau gemacht wurden (siehe Abbildung 4 [Abb. 4]).

3. Fehlerh?ufigkeit im Vergleich der drei Gruppen bei beidh?ndiger Bedienung des Geschicklichkeitstrainers

Die Fehlerh?ufigkeit des Trainings der Hand-Augenkoordination mit zwei H?nden zeigt im Vergleich der Gruppen einen signifikanten Unterschied der Gruppe I im Vergleich mit Gruppe II 40%; (p<0,05) und der Gruppe III 35% (p<0,05). Der Vergleich der Trainingseffekte beim 2. Durchgang zeigt in Gruppe I eine Minderung der Fehlerquote von 10 % (p<0,05). In Gruppe II 12% (0,05). In Gruppe III stieg die Fehlerquote im zweiten Durchgang in Abweichung aller ?brigen Gruppen und vorangegangenen Trainingseinheiten um 45%. (p=0,08) (siehe Abbildung 5 [Abb. 5]).

4. Zeitdauer im Vergleich der drei Gruppen bei beidh?ndigem Training mit dem Geschicklichkeitstrainer

Die Analyse des Zeitbedarfs beim beidh?ndigen Arbeiten am Geschicklichkeitstrainer zeigt im Gruppenvergleich signifikante Unterschiede auch im ersten Durchgang. (p<0,01) (siehe Abbildung 6 [Abb. 6]). Der Vergleich des zweiten Durchganges zeigt nur zwischen Gruppe I und II einen signifikanten Unterschied. (p<0,003) Und der Vergleich beiden Durchg?nge zeigt eine nicht signifikante Minderung des Zeitbedarfs. (p= 0,08). In der Zusammenschau von Zeitbedarf und Fehlerquote zeigen Studenten und PJ-ler ?hnliche Trainingeffekte in beiden Testverfahren (einh?ndig und beidh?ndig). In der Gruppe der ?rzte f?hrt die Zeitverk?rzung allerdings zu einer Erh?hung der Fehlerquote im zweiten Durchgang bei beidh?ndigem Training.

5. Ergebnis des Auswertebogens ?ber die Akzeptanz eines Geschicklichkeitstrainers in der Basisausbildung f?r Medizinstudenten

Die Frage, ob ein solches Geschicklichkeitstraining sinnvoll sei, wurde von 98% der Studierenden bejaht. Die Selbsteinsch?tzung, ob das Training ihnen "geholfen“ habe, wurde ?berwiegend vorsichtig mit "etwas“ angegeben. Die technische Ausf?hrung wurde gut bis sehr gut eingesch?tzt, insbesondere fand die Software hohe Akzeptanz.

Diskussion

Der T?binger Geschicklichkeitstrainer wurde entwickelt, um praktische Fertigkeiten mit gr??eren Studentengruppen personalsparend zu trainieren und ?ber physikalische Bewertungsparameter zu einer objektiven Leistungsanalyse zu gelangen. Dabei st?tzt sich diese Untersuchung auf den Trend Trainingsmodelle und Simulatoren in der Lehre f?r Studenten einzusetzen [10]. Die vorgelegte Studie konnte zeigen, dass bei Wiederholung der gestellten Aufgaben die Parameter Zeit und Fehlerh?ufigkeit in der Gruppe der Studenten und PJ-ler zwischen 20 und knapp 50% gesenkt werden konnten. Das Absinken des Zeitbedarfs und der Fehlermenge wurde als Zeichen des Lerneffektes (im zweiten Durchgang) gewertet. Das Ausbleiben dieses Ergebnisses bedeutet bei Multivarianz der Aufgabe allerdings nicht zwingend den fehlenden Lerneffekt. So konnte u.a. in der Gruppe ?rzte die Zeit im zweiten Durchgang gemindert sein, daf?r wurden aber erheblich mehr Fehler im gleichen Durchgang verursacht. F?r die letztgenannte Gruppe bedeutet dies den Nachweis einer positiven Korrelation zwischen Zeitdauer und Fehlerh?ufigkeit. Ein rasches Tempo der Durchf?hrung des Trainings f?hrte in dieser Studie damit nicht generell zu einer erh?hten Fehlerzahl. Eine Erkl?rung f?r dieses Ph?nomen kann der unterschiedliche Trainingszustand manueller Fertigkeiten in den untersuchten Gruppen sein, der sich besonders stark bei schwereren Aufgaben wie dem beidh?ndigen Training zeigte. So war die Gruppe der PJ-Studenten im beidh?ndigen Training allen anderen Gruppen signifikant ?berlegen und l?ste die Kohorte der ?rzte, die das Studiendesign als Kontrollgruppe vorgesehen hatte, als Referenzgruppe unerwartet ab. Eine weitere Erkl?rungsm?glichkeit mag der unterschiedliche Motivationsgrad von Studenten und ?rzten in der Weiterbildung sein. ?rzte oder ?rztinnen, die bereits ?ber operative oder interventionstechnische Erfahrung verf?gen, gehen m?glicherweise anders mit modellhaften Geschicklichkeitsaufgaben um, als hochmotivierte, ihre eigenen F?higkeiten erst selbsttestenden Studenten.

Es hat sich gezeigt, dass der sogenannte "fulcrum effect,“ der sich beim Einf?hren von Kathetern ?ber die Haut als Infusionskatheter oder als Drainagen am Thorax und Abdomen nachweisen l??t, indem sich eine Umkehr der Bewegungsrichtung einstellt, sobald ein Instrument um einen invariablen Punkt gedreht wird, ein durchaus geeigneter Effekt ist, die Augen-Hand Koordination zu testen. Wird n?mlich die Hand nach rechts gef?hrt, so bewegt sich die Spitze des Katheters oder im Fall unserer Studie des Trainingsstabes nach links. Der "fulcrum effect“ wies in unserer Studie diskriminante Validit?t auf und f?hrte zu einer guten Unterscheidbarkeit von Trainierten und Untrainierten. Der "fulcrum effect“ eignet sich weiter dazu, die Lernf?higkeit praktischer Fertigkeiten zu testen, da er schnell erlernbar zu sein scheint, wie das Absenken der Fehlerquote und die verk?rzte Zeitdauer im Vergleich des ersten und zweiten Durchganges bei ein- und beidh?ndigem Arbeiten aller drei Gruppen nahe legt. Der Vergleich der drei Lernkurven entsprechend der drei untersuchten Gruppen zeigte den h?chsten Lerneffekt in der Gruppe der PJ Studenten. Eine Erkl?rung f?r dieses Ph?nomen konnte mit Hilfe dieses Studienaufbaus nicht sicher gef?hrt werden. Die Selbsteinsch?tzung der Studenten und die Objektivierung des Lernerfolges waren in unsere Studie diskrepant. Die Studenten haben ihre manuellen Fertigkeiten objektiv w?hrend des Trainings verbessern k?nnen, ohne dies allerdings in ihrer Selbsteinsch?tzung nachvollzogen zu haben. Ausdruck dieser Unsicherheit mag sein, dass keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen und zwischen dem ersten und zweiten Durchgang bestanden.

Als nachteilig stellte sich die Wahl der roten und gr?nen Leuchtdioden f?r einen Studenten heraus, der eine Rot-Gr?n-Sehschw?che aufwies und in der Kohorte ?berproportional gro?en Zeitbedarf mit vielen Fehlern kombinierte. Statistisch wurde dieses Handicap durch die Berechnung der Medianwerte eliminiert.

Unbestritten bleibt in dieser Studie auch, dass sie keinen Hinweis f?r die Nachhaltigkeit der gelernten Fertigkeiten liefert, da der zweite Durchgang unmittelbar im Anschluss an den ersten erfolgte. Die Nachhaltigkeit gelernter F?higkeiten aber erst die Garantie f?r ein sicheres Vorgehen am Patienten gew?hrleistet.

Es ist den Autoren dar?ber hinaus v?llig bewusst, dass mit dem Bau und der Entwicklung des T?binger Geschicklichkeitstrainers keine operative Situation simuliert wird, in die weit komplexere psychologische und motorische Faktoren implementiert sind, als an einem mechanischen Modell simuliert werden k?nnen, dennoch kann die Lernkurve operativer Verfahren durchaus durch den Einsatz von Simulatoren verk?rzt werden [11].

Zusammenfassend hat sich der T?binger Geschicklichkeitstrainer als ein zuverl?ssiges Trainingsger?t erwiesen, das neben einer hohen Akzeptanz durch Medizinstudenten auch die Evaluation manueller Fertigkeiten gro?er Kohorten mit wenigen Dozenten einfach bewerkstelligte.

Danksagung

Danksagung: Diese Arbeit basiert im Wesentlichen auf Ideen und der Initiative von Herrn Prof. P. Schweizer, dessen Input vor allem die chirurgischen Disziplinen in der T?binger Medizinausbildung seit Jahren ma?geblich pr?gt.

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Literatur

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[2] K?hnapfel U. Ein virtual-reality Trainingssystem f?r Laparoskopie. Biomed Jour. 1998;51:4-7.
[3] Issenberg SB, McGaghie WC, Petrusa ER, Lee Gordon D, Scalese RJ. Features and uses of high-fidelity medical simulations that lead to effective learning: a BEME systematic review. Med Teach. 2005;27(1):10-28.
[4] Pollok AV. How do we measure surgical competence. Eur J Surg. 1960;162(5):355-360.
[5] Scott DJ, Valentine RJ, Bergen PC, Rege RV, Laycock R, Tesfay ST, Jones DB. Evaluating surgical competency with the American Board of Surgery In-Training, Examination, skill testing, and intraoperative assessment. Surgery. 2000;128(4):613-622.
[6] Kopta JA. An approach to the evaluation of operative skills. Surgery. 1971;70(2):297-303.
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[9] Satava RM, Cuschieri A, Hamdorf J. Metrics o for objective assessment: Preliminary summery of surgical skills workshop. Surg Endos. 2003;17(2):220-226.
[10] Grober ED, Hamstra SJ, Wanzel KR, Reznick RK, Matsumoto ED, Sidhu RS, Jarvi KA. The educational impact of bench model fidelity on the acquisition of technical skill: the use of clinical relevant outcome measures. Ann Surg. 2004;240(2):374-381.
[11] Reznick R. Surgical simulation: a vital part or our future. Ann Surg. 2005;242(5):640-641.