POSITIV - Peter L. Reichertz Institut für Medizinische Informatik

Ein simulationsorientierter Ansatz zum computerunterstützten Training von
Ärzten im Schockraummanagement: POSITIV
U. Scheit 1, O.J. Bott1, K. Dresing2, D. P. Pretschner1, K. M. Stürmer2
Institut für Medizinische Informatik, TU Braunschweig, Fallersleber-Tor-Wall 22, 38100 Braunschweig
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Klinik für Unfallchirurgie, Plastische und Wiederherstellungschirurgie des Klinikums der
Georg-August-Universität Göttingen
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Zusammenfassung
Vor allem junge Ärztinnen und Ärzte, die nur gelegentlich mit der Versorgung Polytraumatisierter konfrontiert werden,
wünschen Trainingsmöglichkeiten, um die Behandlung eines Schwerverletzten im Vorfeld der Realsituation trainieren zu
können. Im Rahmen einer Kooperation mit der Klinik für Unfallchirurgie, Plastische und Wiederherstellungschirurgie des
Klinikums der Georg-August-Universität Göttingen, welche die medizinischen Inhalte sowie das Anforderungsprofil
definiert, und dem Institut für Medizinische Informatik der TU Braunschweig wird das Lehr- und Lernsystem POSITIV
(Polytrauma Simulations-Training interaktiv und verständlich) zum Training von Ärzten im Schockraummanagement
entwickelt. POSITIV basiert auf MOSAIK-M, einem objektorientierten Ansatz zur Modellierung, Simulation und Animation von Informations- und Kommunikationssystemen in der Medizin. Während einer Sitzung mit POSITIV steuert der Arzt
als Entscheidungsträger im Schockraummanagement die simulierte Versorgung eines polytraumatisierten Patienten. Dabei werden multimedial dargebotene Informationen zum Fall als Entscheidungsgrundlage dargeboten. Die Entscheidungen werden bewertet und dienen der Kontrolle des Lernerfolgs.
Fragestellung
Die Qualität der klinischen Versorgung des Schwerverletzten wird in besonderem Maße durch das Schockraummanagement des verantwortlichen Arztes bestimmt. Auf der Basis verschiedener Informationen zum Verletzten muß der Arzt
schnell und kompetent die weiteren diagnostischen und therapeutischen Maßnahmen einleiten [1]. In Krankenhäusern
der Grund- und Regelversorgung nimmt die Versorgung polytraumatisierter Patienten eine sekundäre Stellung ein. Das
hat zur Folge, daß Ärzte dort in der Versorgung Schwerverletzter bzw. im Schockraummanagement wenig trainiert sind.
Auch während der Ausbildung wird der angehende Arzt (Unfallchirurg, Chirurg u.a.) erst später alleinverantwortlich die
Versorgung und das Management des Schwerverletzten übernehmen.
Es besteht der Bedarf nach Lehr- und Lernsystemen, die den ärztlichen Mitarbeiter in das Schockraummanagement bei
der Behandlung polytraumatisierter Patienten einführen. Der Versuch, an Entscheidungsbäumen (Algorithmen) die Ve rsorgung und das Management von polytraumatisierten Verletzten zu trainieren, wird häufig gefordert [2]. Die Autoren
sind der Meinung, daß die Ablaufdiagramme in der realen Situation im Schockraum nicht parat oder zu komplex sind. Es
muß versucht werden, den Arzt möglichst wiklichkeitsnah zu trainieren. Das System POSITIV (Polytrauma SimulationsTraining interaktiv und verständlich) ermöglicht dies, basierend auf der Simulation konkreter Fälle, wobei der Lernende
die Simulation durch seine Entscheidungen steuert.
MOSAIK-M, ein Werkzeug zur Modellierung und Simulation von Informationssystemen
POSITIV wird auf der Basis von MOSAIK-M entwickelt (s. Abb. 1), einem Vorgehensmodell und Werkzeug zur Modellierung, Simulation und Animation von Informations- und Kommunikationssystemen in der Medizin [3]. Der Begriff Informationssystem wird in MOSAIK-M definiert als das Teilsystem eines sozio-technischen Systems, in dem alle informationsverarbeitenden Prozesse und die an ihnen beteiligten menschlichen und maschinellen Handlungsträger in ihrer informationsverarbeitenden Rolle enthalten sind. In MOSAIK-M ist diese Definition in entsprechende Beschreibungsmittel
in: Muche, R.; Büchele, G., Harder, D.; Gaus, W. (Hrsg.): Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie GMDS '97. 42. Jahrest agung der GMDS in Ulm, September 1997., München: MMV Medizin 1997, S. 159-164
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zur Modellierung von Informationssystemen umgesetzt worden. Neben der Beschreibung der Aufbauorganisation und
der zugrundeliegenden Informationsstrukturen erlaubt MOSAIK-M die Beschreibung der Ablauforganisation auf der
Grundlage hierarchischer Petrinetze. Die resultierenden Modelle können simuliert, die Simulationsläufe mittels einer Animationskomponente visualisiert werden.
Auch die Behandlung polytraumatisierter Patienten in der Schockraumphase kann bei Konzentration auf die dem Schockraummanagement zugrundeliegenden Informationsprozesse als Informationssystem im Sinne der genannten Definition
verstanden und mit MOSAIK-M modelliert werden. Die Modellbildung schafft hierbei ein vereinfachtes Abbild des interessierenden Realweltausschnitts, in diesem Fall das des Notfalloperationsbereichs. Mit Hilfe der Simulation können die
dynamischen Aspekte des Schockraummanagements dargestellt werden.
Um MOSAIK-M für die Entwicklung eines Lehr- und Lernsystems heranzuziehen, sind allerdings einige Erweiterungen
insbesondere im Zusammenhang mit der Integration und Präsentation multimedialer Informationen, sowie der Beschreibung und interaktiven Umsetzung von Entscheidungssituationen notwendig.
Die Architektur von POSITIV
Ein Lehr- und Lernsystem besteht aus einer Wissenskomponente und einer Analysekomponente [4]. POSITIV umfaßt
zudem ein Autorensystem zur Ergänzung der Wissenskomponente (s. Abb. 1). Die Wissenskomponente von POSITIV
umfaßt eine Grundmenge von Standardprozeduren und eine Sammlung von Fallbeispielen. Die Menge der Standardprozeduren definiert sich aus abgrenzbaren diagnostischen und therapeutischen Verfahren der Behandlung von Schwerverletzten, die einmal veranlaßt Routinegemäß durchgeführt werden. Ein Beispiel ist das Messen des arteriellen Blutdrucks.
Ein Fallbeispiel definiert eine sinnvolle Abfolge dieser Standardprozeduren für einen konkreten Fall und beinhaltet Entscheidungssituationen für den Lernenden, die der Autor anhand der klinischen Erfahrung und der wissenschaftlichen
Erkenntnisse unter Angabe richtiger, möglicher und falscher Alternativen hinterlegt. Es umfaßt zudem Informationen
über den sich verändernden Zustand des Patienten, z.B. kontinuierliche Werte über den Blutdruck oder das EKG. Die
Fallbeispiele bilden den primären Lerngegenstand des Systems, die Standardprozeduren den sekundären.
POSITIV: Polytrauma Simulations-Training interaktiv und verständlich Beide
Analysekomponente
Wissenskomponente
Autorensystem
Interaktionskomponente Fallbezogene Netze
Fall-, Prozedureditor
Bewertungskomponente Prozedurbezogene Netze Fall-, Prozedurbrowser
Multimediale Falldaten
Interaktionseditor
Simulationskomponente Modellkomponente
Simulationssteuerung
Aufbauorganisation
Ablauforganisation
Informationsstrukturen
Werkzeugkomponente
Netzeditor
InformationssystemBrowser
Animationseditor
Bestandteile der Wissenskomponente
werden in MOSAIK-M mittels spezieller Petrinetze beschrieben. Ein solches Petrinetz beschreibt für einen menschlichen oder maschinellen Akteur einen Handlungsablauf und definiert
dessen Auslöser, sowie Eingangs- und Ausgangsparameter. Entsprechend der Zweiteilung
MOSAIK-M: Modellierung, Simulation und Animation von Informations- und
Kommunikationssystemen in der Medizin
der Wissenkomponente
Abb. 1: Architektur von POSITIV, aufbauend auf MOSAIK-M
in POSITIV wird in
Prozedurbezogene Netze
und Fallbezogene
Netze unterschieden. Die Prozedurbezogenen Netze bilden eine Bausteinbibliothek und können bei der Integration weiterer Fallbeispiele verwendet werden. Hierbei beschreibt der Autor basierend auf einem Fallbeispiel die Reihenfolge der
Standardprozeduren und definiert die Entscheidungssituationen für den Lernenden (s. Abb. 2). Des weiteren werden die
Ergebnisse der Standardprozeduren für das Fallbeispiel als multimediale Objekte zur Präsentation während der Simulation hinterlegt.
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Durchführung und Analyse einer Sitzung mit POSITIV
Aufgabe der Analysekomponente ist die Ermittlung und Bewertung des Wissensstandes des Lernenden. In POSITIV
werden einzelne Sitzungen zur Bewertung herangezogen. Der Ablauf einer Sitzung beginnt mit der Auswahl eines Falles,
der durch einführende Informationen vorgestellt wird. Die Aktivitäten sämtlicher Beteiligten des Schockraumteams werden nun schrittweise simuliert. Ausgenommen ist der für das Schockraummanagement verantwortliche Arzt, dessen Rolle
der Lernende einnimmt. Dieser muß anhand der bis her bekannten Informationen über den Patienten dessen Zustand
interpretieren und das weitere Vorgehen festlegen, d.h. er wird in unregelmäßiger Folge zu Entscheidungen oder Interpretationen aufgerufen oder greift durch Aktivierung von Standardprozeduren selbst in die Simulation ein z.B. in Folge eines
bedrohlich veränderten Vitalparameters.
Durch die Entscheidung zur Durchführung einer oder mehrerer Maßnahmen initiiert der Lernende deren Ausführung, d.h.
die entsprechenden Prozedurbezogenen Netze werden vom Simulationssystem interpretiert. Die Ausführung der Maßnahmen wird zeit- und mitarbeiterorientiert dargestellt. Handelt es sich um diagnostische Maßnahmen, präsentiert das
System dem Lernenden deren Resultate, z.B. Laborwerte, Röntgenbilder etc. in Form multimedialer Dokumente.
Spezifikation
Die Beschreibung einer Entscheidungssituationen in eiAutor
Bausteine des Autorensystems
Prozedurbezogene Netze
Multimediale Falldaten
Interaktionskomponenten
Autorensystem
nem Fallbezogenen Netz umfaßt die Entscheidungsart
(Auswahl einer Interpretation oder einer Maßnahme, sowie Kopplung beider Arten), den Entscheidungstyp
Auswahl
wählt
Fallbezogenes Netz
(1 aus n, m aus n), die möglichen Entscheidungsfehler mit
Benutzer
interpretiert
Bewertung und Fehlerkommentar sowie ggf. weiterführen-
Schockraumagiert über
Multimediale Falldaten
simulation
Eingangs- präsentiert
Interaktionskomponente
parameter
ruft auf
Simulation
Kontrolle
kann der Lernende aufgefordert werden, den Zustand des
Patienten zu interpretieren. Er muß nun aus einer Liste von
Alternativen eine mögliche Interpretation auswählen und
Bewertung
diese mit der zugehörigen Befundkombination in Bezie-
fließt ein in
hung setzen. Wählt der Lernende eine oder mehrere fal-
fließt ein
in
Erläuterung der korrekten Entscheidung. Beis pielsweise
Auswertungskomponente
steuert
Beurteilung Gesamtbewertung
de Informationen zur Entscheidungsunterstützung und zur
Einzelbewertung
sche Möglichkeiten aus, wird er darauf aufmerksam ge-
Abb. 2: Zusammenspiel der Komponenten von POSITIV
macht. In einem Dialogfenster wird begründet, warum
seine Auswahl nicht korrekt ist. Gerade die Wirkung dieser
unmittelbaren Rückmeldung ist entscheidend für den Erfolg des Lehr- und Lernsystems [5].
Der Lernende muß einen Entscheidungsschritt so oft wiederholen, bis er sich der Situation angemessen verhalten hat.
Unter didaktischen Gesichtspunkten wäre es nicht sinnvoll, einen einmal falsch eingeschlagenen Weg weiter zu verfolgen und erst mit Verzögerung auf den Fehler aufmerksam zu machen. Dies würde zur Verunsicherung und Frustration
und zum Einprägen fehlerhafter Vorgehensweisen führen, da der Kontext der fehlerbehafteten Entscheidung durch die
Verzögerung nicht mehr im notwendigen Umfang präsent ist.
Zur Bewertung des Lernfortschritts werden bei jeder falschen Auswahl Fehlerpunkte gesammelt. Zum Abschluß der
Simulation eines konkreten Falls steht eine Leistungsstatistik zur Verfügung, in der die Fehler quantitativ und auch qualitativ bewertet werden. Zudem steht ein Protokoll über den gesamten Übungsverlauf zur Ve rfügung.
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Ergebnisse
An Programme für den computerunterstützten Unterricht stellen sich folgende Anforderungen [6]:
1. Das Programm muß viel Interaktion enthalten, um den Lernenden aktiv einzubeziehen. Der Computer als Wissensvermittler muß sich deutlich von einem Buch unterscheiden.
2. Das assoziative Denken soll gefördert werden, so daß aus bereits bekannten neue Zusammenhänge deutlich werden.
3. Das Programm sollte auf unterschiedliche Lerntypen abgestimmt sein, so daß ein rasch Lernender nicht unterfordert
oder ein langsam Lernender nicht überfordert wird.
4. Es muß so gestaltet sein, daß es auch nach mehrmaligem Benutzen für den Lernenden noch interessant ist.
5. Das Programm muß den Lernweg beurteilen.
6. Es muß es jederzeit möglich sein, das Programm zu unterbrechen. Beim Wiedereinstieg an dieser Stelle sollte der Lernende einen Überblick über den Kontext erhalten.
POSITIV erfüllt diese Anforderungen. Durch häufige Konfrontation des Lernenden mit Entscheidungssituationen innerhalb des Simulationslaufs ist ein hohes Maß an Interaktion gewährleistet. Die Integration multimedialer Dokumente dient
der Darstellung und Verdeutlichung der Situation. Zudem können hierdurch reale Falldaten (z.B. Fotos, Röntgenbilder,
EKG-Aufzeichnungen, Herztöne etc.) zu Interpretationsaufgaben herangezogen werden. Des weiteren steht neben der
zeitorientierten textuellen Darstellung der Aktivitäten des medizinischen Personals ein bewegtes Animationsbild der
Abläufe im Schockraum zur Verfügung.
Verschiedene Fallbeispiele, zum einen Fälle mit Vorgehen nach einem Behandlungsstandard, oder auch Fälle, die ein
davon abweichendes Vorgehen erfordern, stellen unterschiedliche Schwierigkeitsgrade zur Verfügung und gestalten das
System sowohl für den angehenden als auch den erfahrenen Arzt interessant. Es ist dem Lernenden möglich, vorab auszuwählen, ob er eine detaillierte oder eine verkürzte Darstellung der Prozedurbezogenen Netze wünscht. Mit der detaillierten Darstellung kann der Lernende seine Kenntnisse über Behandlungsprozeduren vertiefen bzw. verfestigen, oder er
beschränkt sich bei der verkürzten Darstellung allein auf die Entscheidungssituationen des Einzelfalls.
Nach Abschluß der Simulation eines Falls kann der Lernende eine Beurteilung über seinen Lernweg abfragen. Er erhält
neben dem Simulationsprotokoll seiner Sitzung eine Liste seiner Entscheidungen mit ihrer Bewertung. Der Lernende kann
auch vor Beendigung der Simulation das Programm jederzeit abbrechen. Beim Wiedereinstieg stehen ihm Information
über den bisherigen Ablauf und über alle Zwischenergebnisse zur Verfügung.
Diskussion
POSITIV ist ein Lehr- und Lernsystem zum Training des Arztes im Schockraummanagement. Primäres Lernziel ist die
Festigung und Anwendung bereits erlernten Wissens um Standardprozeduren und deren Anwendung bei der Versorgung polytraumatisierter Patienten. Es dient zur Ergänzung und sollte zusätzlich zur Hospitation im Schockraum in Kombination mit weiteren Lehr- und Lernmitteln, wie z.B. Büchern, Zeitschriften, Seminaren und Videos eingesetzt werden.
Ein multimediales Lehr- und Lernsystem mit Simulations- und Animationskomponenten ist für das Training des Schockraummanagements besonders geeignet, da die Behandlungsabläufe realistisch dargestellt werden können. Es ist dem
Lernenden möglich, sich in die Situation hineinzuversetzen. Er ist gefordert, auf der Basis realer Daten Entscheidungen
zu treffen und erhält die Ergebnisse der veranlaßten Vorgänge als Bestätigung und Grundlage weiterer Entscheidungen.
Die Darstellung komplexer Handlungsabläufe und Verdeutlichung der Auswirkungen getroffener Entscheidungen ist in
dieser interaktiven Form mit dem Papiermedium oder durch Filme nicht möglich.
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Literatur
1. Stürmer, K.M., Dresing, K.: „Schockraummanagement für den Schwerverletzten“, in: Nast-Kolb, Waydas, Schweiberer
(Hrsg.): Hefte zu „Der Unfallchirurg“, Springer Berlin, Heidelber, Nr. 253, 1996, S. 38-66.
2. Nast-Kolb, D., Waydhas, C., Kanz, K.G., Schweiberer,L.: „Algorithmen für das Schockraummanagement beim Polytrauma“, in: „Unfallchirurg“, Nr. 97, 1994, S. 292-304.
3. Bott, O.J./ Penger, O.-S./ Terstappen, A.: „MOSAIK-M - Ein Ansatz zur Modellierung, Simulation und Animation von
Informations- und Kommunikationssystemen in der Medizin“, in Pretschner, D.P. (Hrsg.): Medizin-Informatik, Hildesheimer Informatikberichte 7/96, S. 27-35.
4. Tober, K.: „Autorensysteme und Hypertextsysteme: Zwei Modelle für den Einsatz des Computers im Lernbereich“ in
Seidel, C. (Hrsg.): Computer Based Training, Göttingen: Verlag für angewandte Psychologie 1993.
5. Seidel, C.: „Psychologische Gesichtspunkte beim computerunterstützten Lernen“ in Küffner, H./ Seidel, C. (Hrsg.):
Computerlernen und Autorensysteme, Stuttgart: Verlag für angewandte Psychologie 1989.
6. Janotta, H.: „CBT - Computer-Based-Training in der Praxis“ Landsberg/Lech: Verlag mo derne Industrie 1990
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