Key words
education - treatment planning - patient-specific rehearsal - hightech simulation - 3D prints
1. Einleitung
Den Anspruch auf gut ausgebildete Ärzte dürfte jeder Patient zu Recht besitzen. Jede medizinische Behandlung sollte mit der größtmöglichen Sorgfalt und Expertise durchgeführt werden und Komplikationen nicht nur erkannt, sondern auch beherrscht werden. Wie aber werden Ärzte zu Experten auf ihrem Gebiet? Welche Ausbildungsmethoden führen zu diesem hohen Level an Professionalität?
In den meisten (nichtmedizinischen) Ausbildungsberufen folgt auf eine theoretische Wissensvermittlung zunächst eine Phase des praktischen Übens an Trainingsobjekten und Modellen. Erst mit dem Erreichen einer gewissen Expertise darf der Anfänger reale Arbeitsaufträge ausführen. Auch in der Ausbildung von Medizinstudierenden spielen Modelle, Schauspielpatienten und Simulatoren eine immer größere Rolle. Danach, in der fachärztlichen Weiterbildung, steht dagegen zwischen dem vertiefenden theoretischen Wissenserwerb und der praktischen Anwendung am Patienten häufig kein Modell oder Testobjekt mehr.
Dabei wurden die ersten „Simulatoren“ bereits vor über 2500 Jahren entwickelt [1]. Es gibt zahlreiche, meist anekdotische Berichte der letzten Jahrhunderte von anatomischen Modellen aus Wachs, Holz oder Glas sowie mechanischen, teils auch hydraulischen Geräten [2]. Grundsätzlich negiert wird der Nutzen von Simulation in der medizinischen Weiterbildung zwar nicht, dennoch steigt die Akzeptanz und Einsatzhäufigkeit nur sehr langsam. Eine breite Anwendung findet Simulation heute vor allem in der Anästhesie. Nach der Einführung des Mannequins „Rescusci-Anne“ in den 1960er Jahren führten zahlreiche Weiterentwicklungen zum heutigen Standard. Anhand computer- und ferngesteuerter Trainingsszenarien können anästhesiologische Notfälle einzeln oder im Team trainiert werden. Zum Einsatz kommen diese regelhaft im Rettungsdienst, im Medizinstudium und in der ärztlichen Ausbildung [3]. Auch für viele geburtshilfliche, chirurgische und andere minimalinvasive Eingriffe gibt es bereits kommerziell erhältliche Simulatoren [4]
[5]
[6], deren Anwendung aber nur in Einzelfällen bereits in nationale Ausbildungsleitlinien Einzug gehalten hat [7]
[8].
Gerade in der Weiterbildung kann allerdings die Übung an Modellen sowohl auf den ersten Einsatz am Patienten vorbereiten als auch ein nützliches begleitendes Werkzeug zur praktisch angeleiteten Wissensvermittlung darstellen. Simulation als Trainingsmethode eignet sich besonders in der Radiologie hervorragend zur Kompetenzvermittlung, da sowohl diagnostische als auch interventionelle Methoden ohnehin bildbasiert ablaufen. Ein Delphi-Panel unter dänischen Radiologen hat deshalb Themen identifiziert, die geeignet sind mittels Simulation trainiert zu werden. Interventionen betrafen dabei 6 von 13 genannten Prozeduren [9]:
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ultraschallgestützte Biopsien und Feinnadel-Aspirationen
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Punktionen und Drainagen
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Nierenbiopsien und Nephrostomien
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Feinnadel-Biopsien und Punktionen der Brust
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Computertomografisch (CT)-gestützte Biopsien oder Drainagen
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vaskuläre Interventionen inklusive Angiografien.
Im Folgenden soll ein Überblick über Einsatzmöglichkeiten, Schwächen und Stärken von Simulatoren sowohl für nichtvaskuläre radiologische Eingriffe als auch endovaskuläre radiologische Interventionen gegeben werden. [Tab. 1]. enthält relevante Aspekte zu Anwendungsgebieten, Bildgebungsmethoden, Kosten und Realitätsgrad.
Tab. 1
Überblick über Simulatoren, deren Anwendungsgebiete, geschätzte Kosten, Realitätsgrad, den Einsatz von Röntgenstrahlung und die Option patientenspezifischen Trainings. € < 100 Euro, € € < 10 000 Euro, € € € < 50 000 Euro, € € € € > 50 000 Euro; + = sehr gering; ++ = gering, +++ = in einigen Aspekten realistisch, ++++ = in vielen Aspekten realistisch.
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Anwendungsgebiet
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Verfügbare Simulatoren
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Geschätzte Kosten
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Realitätsgrad
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Röntgenstrahlung nötig
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Patientenspezifisches Training möglich
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Nichtvaskuläre
Interventionen
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Ultraschallgestützte Biopsien,
Punktionen und Drainagen
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Gelatine, Styropor
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€
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+
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nein
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nein
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kommerzielle Phantome
(Harz, Kunststoff, Silikon)
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€ €
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++
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nein
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nein
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3D-Druck (Harz, Kunststoff, Silikon)
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€ €
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++
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nein
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ja
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Computertomografiegestützte Biopsien,
Punktionen und Drainagen
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Gelatine, Styropor
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€
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+
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nur bei fluoroskopischer Anwendung
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nein
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kommerzielle Phantome
(Harz, Kunststoff, Silikon)
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€ €
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++
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nein
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3D-Druck
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€ €
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++
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a
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Vaskuläre Interventionen
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Kathetergestützte Angiografien
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kommerzielle Silikonmodelle
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€ € €
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+++
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optional
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nein
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3D-Druck Silikonmodelle
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€ €
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+++
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optional
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ja
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Hightech-Simulatoren
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€ € € €
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++++
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nein
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ja
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2. Simulatoren
2.1 Anwendungen von Simulatoren in der nichtvaskulären Radiologie
2.1.1. Simulation von ultraschallgestützten Methoden
Die Technik diagnostischer Ultraschalluntersuchungen wie auch ultraschallgestützter Interventionen kann an vielerlei Modellen geübt werden: Preisgünstig sind selbstgemachte Gelatinemodelle [10], in die auch kleinere Objekte, wie z. B. Medikamentenkapseln, eingelassen werden können. Bis in den hohen vierstelligen Eurobereich kosten dagegen kommerzielle Phantome unterschiedlicher Organsysteme, gefertigt aus Kunststoff, Harz oder Silikon ([Abb. 1a]) [11]
[12]. Ein Review von Kahr et al. konnte 42 Studien zum Simulationstraining von ultraschallgestützten Prozeduren identifizieren, bescheinigte aber allen methodische Defizite unterschiedlicher Art: Fehlende Kontrollgruppen, fehlende Randomisierung oder die Testung des Erfolgs am selben Modell, wie es im Training verwendet wurde. 2 Studien konnten immerhin in der späteren klinischen Anwendung im Vergleich zu historischen Kontrollgruppen eine Reduktion der Komplikationsraten feststellen [13]. Keine der genannten Methoden ist zudem in der Lage dynamische Untersuchungsaspekte, wie Atembewegungen oder Darmmotilität, zu imitieren.
Abb. 1 Kommerzielles Phantom a für ultraschallgestützte Interventionen, b für computertomografiegestützte Interventionen.
Eine komplexere Trainingsmethode aller perkutanen Punktionen stellt die Nutzung von Mixed-Reality-Methoden dar. Auch hier wird unter Ultraschallkontrolle eine Nadel in ein synthetisches Modell eingebracht. Neben dem 2D-Ultraschallbild sieht der Lernende auf einem zweiten Bildschirm oder mithilfe einer Virtual-Reality-Brille die Nadel zusätzlich innerhalb einer 3D-Simulation der Anatomie z. B. der knöchernen Wirbelsäule, was die Interpretation des Ultraschallbilds erheblich erleichtert [14]
[15]
[16].
2.1.2. Simulation von computertomografiegestützten Methoden
CT-gestützte Interventionen werden bislang vorrangig mit Phantomen in realer Umgebung, also unter Einsatz von Röntgenstrahlung, geübt [17]
[18]. Zur Anwendung kommen auch hier entweder selbst angefertigte oder kommerziell erhältliche Phantome ([Abb. 1b]). CT-Interventionen können grundsätzlich unter Nutzung sequenzieller Schichtbilder oder mittels CT-Fluoroskopie durchgeführt werden. Bei der sequenziellen Technik werden üblicherweise auf Pedaldruck oder Auslösung im Schaltraum 3 Schichten im Abstand weniger Millimeter akquiriert, die jeweils nach der Manipulation des eingebrachten Gerätes zur Kontrolle der Position dienen. Hierzu kann der Interventionalist entweder im Raum bleiben oder diesen kurz verlassen. Sequenzielle CT-Interventionen lassen sich dementsprechend problemlos in einer realen CT-Umgebung üben, ohne dass sich der Trainierende unbedingt der Röntgenstrahlung aussetzen muss.
Die CT-Fluoroskopie erlaubt eine zeitlich höher aufgelöste Bildkontrolle, wie es beispielsweise bei Vertebroplastien von Vorteil ist. Das Punktionsgerät wird dabei unter permanenter gepulster Strahlung eingebracht und der Interventionalist steht während der ganzen Prozedur in nächster Nähe der Gantry [19]. Weil bei entsprechender Expertise mit der CT-Fluoroskopie die Strahlenbelastung für den Patienten gegenüber der sequenziellen CT sogar gesenkt werden kann [20], wäre gerade hierfür ein strahlungsfreier Simulator sinnvoll und wünschenswert. Ein solcher ist in der Literatur allerdings bislang nicht erwähnt. Erst kürzlich beschrieben wurde dagegen eine Punktionstechnik, die zwar auf einer primären CT-Bildgebung beruht, aber zur Einbringung der Geräte eine Tracking-Kamera nutzt [21]. Angewandt wird dieses Verfahren bereits durch Neurochirurgen und Orthopäden im Rahmen navigierter Wirbelsäulenoperationen. Sowohl in der klinischen Anwendung, aber natürlich auch im Training, kann diese Methode den Einsatz von Röntgenstrahlen deutlich reduzieren.
Da alle Modelle für CT-gestützte Interventionen denen der ultraschallgestützten Interventionen gleichen, muss auch hier auf Atemexkursionen oder andere Organbewegungen verzichtet werden.
2.1.3 Einsatz von 3D-Druck-Modellen
Allen bisher genannten Methoden, die ein physisches Punktionsmodell benötigen, gemein ist der Nachteil des Verschleißes der Phantome, die nur für eine begrenzte Anzahl von Punktionen nutzbar sind. Mit 3D-Druckern Modelle aus Kunststoff, Harz oder Silikon selbst anfertigen zu können, eröffnet nicht nur für die Ausbildung von Ärzten, sondern auch bei der Aufklärung von Patienten oder der präinterventionellen Übung spezifischer Fälle neue Möglichkeiten. Durch die inzwischen gesunkenen Kosten für die Anschaffung eines 3D-Druckers wird auch die repetitive Produktion von Modellen zunehmend preisgünstiger. Tubuläre Gefäßmodelle eignen sich zur Übung der Seldingertechnik und der Sondierung von Gefäßen, einzelne Organe zur Übung von Biopsien. Es können dazu DICOM-Datensätze (DICOM = Digital Imaging and Communications in Medicine) aller bildgebenden Modalitäten als Vorlage genutzt werden [22], sodass auch patientenspezifische Eingriffe geübt werden können.
2.2 Anwendungen von Simulatoren in der vaskulären Radiologie
2.2.1 Silikonmodelle
Transparente Silikonmodelle von Arterien oder Venen erlauben die Betrachtung von außen ([Abb. 2a]). So kann das Verhalten von Kathetern, Stents und Coils oder auch die Interaktion von Stentretrievern mit (realen oder synthetischen) Thromben räumlich beobachtet werden. Allerdings ist die Haptik durch die deutlich höhere Reibung der Materialien an den Wänden des Modells nicht mit der Realität vergleichbar. Eine Verwendung der Silikonmodelle unter Röntgendurchleuchtung und mit Einsatz von Kontrastmittel oder opaken Thromben ist möglich, aber dann natürlich mit einer gewissen Röntgenstrahlenbelastung für den Trainierenden (und ggf. den Dozenten) verbunden ([Abb. 2b]). Neben industriell hergestellten Modellen ist auch im vaskulären Bereich der Einsatz abteilungseigener 3D-Drucker beschrieben. Als Lehrmittel in der studentischen Ausbildung werden derartige Modelle zur eindrücklicheren Demonstration, aber auch zur eigenständigen Übung hoch eingeschätzt [23]. Das patientenspezifische Modell erlaubt die Übung des Eingriffs und die Testung verschiedener Materialien, was potenziell zu einer Reduktion sowohl der Interventionsdauer als auch der Materialkosten beitragen kann ([Abb. 2c]).
Abb. 2 a Patientenspezifisches Silikonmodell eines Basilariskopfaneurysmas; b Road-Map-Darstellung des Silikonmodells in der Angiografiesuite mit einliegendem Mikrokatheter; c reale Angiografie des Patienten zu Beginn der interventionellen Behandlung; zur Verfügung gestellt von T. Boeckh-Behrens.
Wu et al. beschreiben die Anwendung eines solchen Modells der gesamten Aorta sowohl unter Röntgendurchleuchtung als auch mithilfe einer Infrarotkamera. Letztere macht die Anwendung unabhängig von der Nutzung der Angiosuite und das Tragen von Schutzkleidung unnötig. Die Autoren konstatieren zudem, dass der Bildeindruck realistischer sei als bei einer direkten visuellen oder videoskopischen Betrachtung der Szene [24].
In flüssigkeitsgefüllten Modellen könnte auch die Vermeidung von Luftembolien und die korrekte Injektion von Kontrastmittel geübt werden. Erfahrungsgemäß ist es aber sehr schwierig, diese Systeme in der Vorbereitung komplett zu entlüften, sodass auf diesen Trainingsaspekt meist verzichtet wird. Einige Pumpen können neben laminarem auch pulsatilen Fluss erzeugen. Es ist jedoch anzunehmen, dass dies nur geringe Auswirkungen auf das Verhalten von Kathetern oder Implantaten hat. Ein größerer Einfluss dürfte bei der Applikation von Flüssigembolisaten oder Partikeln zu erwarten sein. In der einzigen hierzu verfügbaren Publikation zur Simulation von Chemoembolisationen der Leber wird allerdings aufgrund technischer Hindernisse dennoch mit laminarem Fluss gearbeitet [25].
Dass ein Training mit Silikonmodellen die angiografische Performance verbessert, konnte für die diagnostische Neuroangiografie bereits nachgewiesen werden [26]. Andere Autoren beschreiben die Anwendung zum fallspezifischen Training von arteriovenösen renalen Fisteln [27], Milzarterienaneurysmen [28] oder in der Vorbereitung von Aorten-Stentgrafts [29], allerdings ohne Daten zu Trainingseffekten zu präsentieren.
2.2.2 Hightech-Simulatoren
Hightech-Simulatoren wurden in den letzten 2 Jahrzehnten zunächst meist in Kursen verwendet, kommen aber inzwischen zunehmend auch in der klinikinternen Ausbildung zum Einsatz ([Abb. 3]). Dabei werden reale Katheter verwendet, deren Bewegung innerhalb programmierter Szenarien gänzlich strahlungsfrei an Monitoren beobachtet werden können. Die Haptik der Schub-, Zug- und Drehbewegungen bzw. des Widerstandes bspw. in sehr kleinen Gefäßen kommt mittlerweile der Realität relativ nahe. Einzelne Modelle arbeiten auch mit Flüssigkeiten, sodass die Injektionsgeschwindigkeit oder das luftbläschenfreie Arbeiten geübt werden können [30]. Bei Integration des Simulators in eine Angiografiesuite können sogar reale Pedale, Monitore und C-Bögen verwendet werden, um auch deren Benutzung einzuüben. Dies ist insbesondere bei der Anwendung biplaner Angiografieanlagen von Nutzen und ermöglicht es, sich beim ersten Patienten ganz auf die individuelle Prozedur zu konzentrieren [31].
Abb. 3 Hightech-Simulator während des Coilings eines Hirnarterienaneurysmas.
Patientenspezifische Daten können auch hier aus CT- oder MR-angiografischen DICOM-Daten – nach semiautomatischer Segmentation der Gefäße – in STL-Files umgewandelt und in den Simulator integriert werden. Es bedarf dazu nicht notwendigerweise Daten über die vollständige Anatomie von der Punktionsstelle bis zum Zielgefäß. Fehlende Abschnitte können aus einer Auswahl von Templates ergänzt werden. Nielsen et al. identifizierten immerhin 11 Publikationen zu patientenspezifischem Simulationstraining im Vorfeld interventioneller Eingriffe [32]. 5 davon dienten der Vorbereitung von Carotisstentings, 6 der Übung von EVAR (endovaskuläre Aortenreparatur)- bzw. TEVAR (thorakale endovaskuläre Aortenreparatur)-Prozeduren. Dabei konnte in allen Studien die Reduktion von ein oder mehreren der folgenden Parameter beobachtet werden: Gesamtdauer der Prozedur, Durchleuchtungszeit, Anzahl der Serien und Kontrastmittelmenge. Zudem kam es in einigen EVAR-Fällen nach der Simulation auch zu einer Anpassung des geplanten Vorgehens hinsichtlich Zugangsseite oder Größe der Implantate.
Von einer kürzeren Prozedur profitiert über die Reduktion der Strahlendosis nicht nur der Patient, sondern auch der durchführende Arzt und das übrige assistierende oder anästhesiologische Personal. Zudem geht eine längere Interventionsdauer mit einer höheren Rate an periprozeduralen Embolien einher [33]
[34]. Es gibt also bereits klare Hinweise auf einen Benefit des Patienten vom Simulationstraining des Arztes. Der direkte Nachweis einer Senkung der – ohnehin relativ niedrigen Komplikationsraten – ist dagegen deutlich schwerer zu erbringen [35].
Derzeit noch eine klare Limitation stellt die Simulation sehr kleiner oder komplexer anatomischer Strukturen, etwa von zerebralen Aneurysmen oder arteriovenösen Malformationen dar. Dies gelingt weiterhin noch nicht realistisch genug und muss in der Zukunft deutlich verbessert werden. Erst dann kann das Training nicht nur für Anfänger, sondern auch für erfahrene Radiologen einen Mehrwert bieten.
3. Zusammenfassung
Grundsätzlich gibt es viele Anzeichen dafür, dass alle genannten Simulatoren zu einem höheren Verständnis von interventionellen Prozeduren beitragen können. Dem Verschleiß der physischen Phantome kann man heute gut mit 3D-gedruckten Modellen begegnen. Noch keine Lösung gibt es dagegen zum strahlungsfreien Training von fluoroskopischen CT-Punktionen. Ebenso finden sich auch keine Simulatoren für kernspintomografisch gestützte Punktionen.
Am weitesten fortgeschritten ist die Entwicklung von Silikonmodellen und Hightech-Simulatoren für vaskuläre Interventionen. Insbesondere das patientenspezifische Training an Nachbildungen realer Anatomien im Vorfeld von Interventionen erscheint vielversprechend ([Abb. 2]).
4. Ausblick
Die zunehmende Verbreitung von simulationsbasiertem Training in der interventionellen Radiologie sollte nun auch zu multizentrischen Bestrebungen führen den Evidenzgrad der Methoden weiter zu erhöhen. Gerade weil in der Radiologie häufig unter Einsatz von Röntgenstrahlen interveniert wird, sollte der Vorteil genutzt werden, dass über deren – technisch leicht zu messende – Reduktion ein entscheidender Benefit für Patient und Arzt erzielt werden kann. Dies ist sehr viel einfacher nachzuweisen als eine Abnahme der Komplikationen, für die es aufgrund der niedrigen Rate sehr hoher Patientenzahlen bedürfte. Zudem ist Simulationstraining über die Senkung der prozeduralen Dauer gerade in der endovaskulären Schlaganfallversorgung von großem Nutzen. Dass hier der Zeitfaktor einen erheblichen Einfluss auf das Patientenoutcome hat, wird nun erstmals in Norwegen im Rahmen einer landesweiten Studie ausgenutzt, die den positiven Effekt von Simulationstraining auf die nationalen Registerdaten von endovaskulär versorgten Schlaganfallpatienten untersucht [36]. Neben der sporadischen Anwendung von Modellen und Simulatoren in Kursen sollten diese Methoden deshalb auch in strukturierten Curricula der radiologischen Abteilungen verankert werden [31]
[37]. Für das Curriculum der DeGIR-Zertifizierung ist die Nutzung von Simulatoren als Übungs- und Testmodalität bereits vorgesehen.
