Software für die Operationsplanung

Forscher der Georgia Tech und der Emory University haben ein innovatives Computerprogramm entwickelt, das Herzchirurgen hilft, chirurgische Verfahren zu optimieren, bevor sie den Operationssaal betreten. Mit der bildbasierten Operationsplanungssoftware können Chirurgen ein dreidimensionales Computermodell des Herzens eines Patienten manipulieren. Sobald der Arzt das Modell so verändert hat, dass es die gewünschte Gefäßkonfiguration enthält, die er während der Operation erstellen möchte, führt das Programm mithilfe von numerischer Strömungsmechanik eine Blutflusssimulation durch, die zeigt, wie gut das modifizierte Herz funktioniert.

Ein Forscher, der das bildbasierte Operationsplanungssystem verwendet, manipuliert ein Modell des Gefäßsystems eines Patienten mit Eingabegeräten in Form von Skalpellen. Sobald sein geplantes Design fertiggestellt ist, wird seine Blutflusseffizienz getestet.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Gesamtsystems, das den anspruchsvollen Anforderungen der Planung und Beurteilung kardiovaskulärer Operationen gerecht wird, sagt Ajit Yoganathan , der Hauptforscher des Projekts und stellvertretender Vorsitzender des Fakultät für Biomedizinische Technik an der Georgia Tech und der Emory University. Das Programm wurde entwickelt, um eines der häufigsten und komplexesten bekannten angeborenen Herzprobleme zu testen: einen einzelnen Ventrikeldefekt.

Kinder mit dieser Erkrankung haben statt zwei nur eine Herzkammer (die linke), um sauerstoffreiches und sauerstoffarmes (schmutziges) Blut durch den Körper zu pumpen. Bei gesunden Patienten pumpt die rechte Herzkammer das sauerstoffarme Blut durch die Arterien in die Lunge, während die linke Herzkammer das sauerstoffreiche Blut über die Venen aufnimmt und zu allen Organen des Körpers abschießt.

Die Blutmischung in der einzelnen Herzkammer beeinträchtigt die Durchblutung im ganzen Körper erheblich, sagt Shiva Sharma, eine private Kinderkardiologin. Die Aufgabe des Chirurgen besteht darin, den Kreislauf zu trennen, d. h. das sauerstoffarme Blut direkt und gleichmäßig in die Lunge umzuleiten und gleichzeitig den Strömungswiderstand zu minimieren, eine Operation namens Fontan-Reparatur.

Es ist wichtig, die beste Verbindung zu konzipieren, da zu viel Widerstand den Blutdruck erhöhen und eine Vielzahl lebensbedrohlicher Komplikationen verursachen kann, erklärt Pedro del Nido , Chefarzt der Herzchirurgie am Children’s Hospital of Boston. Chirurgische Verfahren basieren auf der persönlichen Erfahrung eines Chirurgen, auf Experimenten und, ehrlich gesagt, auf einer Menge Versuch und Irrtum. Es gibt keine direkte Möglichkeit zu wissen, ob wir die Dinge besser gemacht haben oder nicht, oder ob eine geringfügige Variation unserer Technik einen kleinen Unterschied macht oder nicht.

Vor der bildbasierten Operationsplanung arbeiteten Chirurgen wie Freihandkünstler, indem sie sich die Anatomie ansahen und dann einen Operationsplan skizzierten, fügt Sharma hinzu.

Das von Yoganathan und seinen Kollegen entwickelte Programm erstellt ein dreidimensionales Computermodell des Herzens mit Daten aus der Magnetresonanztomographie (MRT) des Kindes zu verschiedenen Zeiten im Herzzyklus. Nach dem Betrachten der Bilder und einigen Plänen setzt sich der Chirurg an einen Computer und manipuliert das Modell mit Eingabegeräten, die wie Skalpelle aussehen, erklärt Yoganathan.

Was wir entwickelt haben, ist ein System, mit dem man die Geometrien greifen kann, als ob man sie in den Händen halten würde, und sie dann als dreidimensionale Modelle vor sich drehen, drehen und bewegen lässt, sagt Jarek Rossignac , einer der Entwickler des Systems und Professor am College of Computing der Georgia Tech. Das Ergebnis ist ein neues dreidimensionales Modell, das eine bestimmte Form widerspiegelt, die sich ein Chirurg für die Operation vorstellt.

Das neue anatomisch modifizierte dreidimensionale Modell wird nahtlos exportiert und für eine numerische Strömungsanalyse (CFD) vernetzt. Durch die Verwendung von CFD wird eine Simulation des Blutflusses im neu konfigurierten Herzen erstellt, die vom Chirurgen auf dem Bildschirm angezeigt werden kann. Nachdem mehrere Modellmodelle entworfen und getestet wurden, kann der Chirurg entscheiden, welche Operation sich für den jeweiligen Patienten als optimal erwiesen hat. Bisher wurden die Herzen von fünf Patienten mit dem dreidimensionalen Modell für die Operation entworfen und getestet.

Derzeit wird das System nur von einer kleinen Gruppe von an der Forschung beteiligten Chirurgen verwendet. Yoganathan sagt, dass die Technologie noch drei bis fünf Jahre von der allgemeinen Nutzungsreife entfernt ist und es noch einige Herausforderungen zu meistern gibt. Die Strömungsdynamik sei sehr rechenintensiv und beinhalte komplexe Formeln. Das Zurückwandeln der Geometrien in Rechennetze ist mühsam langsam.

Im Moment lassen die Computeringenieure die Chirurgen das Design zeichnen und dann geben die Ingenieure die Geometrien manuell ein. Es ist ein sehr mühsamer Prozess, sagt Yoganathan. Wir arbeiten an der Entwicklung von Tools, die nach dem Zeichnen der Geometrie das Berechnungsnetz für die Analyse automatisch erstellen, sodass keine Ingenieure beteiligt sind.

Es gibt auch keine präzisen mathematischen Formeln für anatomische Formen, die organisch sind und interessante Material-Eigenschafts-Probleme haben, so dass die Nachahmung ihrer Entwicklung eine Reihe neuer Herausforderungen darstellt, erklärt Rossignac.

Die Forscher wollen benutzerfreundliche Human-Shape-Schnittstellentechnologie , mit dem Chirurgen Formen auf intuitive und effiziente Weise manipulieren könnten; Derzeit brauchen die Chirurgen zwei bis drei Stunden, um das Herz eines Patienten in die von ihm visualisierte Konfiguration zu manipulieren. Laut del Nido sind diese Shape-Editing-Technologien jedoch für jeden, der Computerspiele gemacht hat, ziemlich einfach zu bedienen und intuitiv.

Schließlich wollen die Forscher, dass die Software die optimale Lösung für das Herzproblem bietet.

Eine Gruppe an der Stanford University, geleitet von Charles Taylor , arbeitet auch an bildbasierten OP-Planungssystemen. Vor kurzem eröffnete sein Labor das Center for Simulation in Medicine am Stanford Hospital, um sich auf die chirurgische Planung kardiovaskulärer Eingriffe bei Kindern mit angeborenen Herzfehlern und Erwachsenen mit Arteriosklerose und Aneurysmen zu konzentrieren.

Laut Taylor könnte eine simulationsbasierte Planung kardiovaskulärer Behandlungen zu einer geringeren Morbidität und Mortalität, reduzierten Reoperationsraten und einer kürzeren Zeit im Operationssaal führen.

Letztendlich wird die bildbasierte Operationsplanung einen immensen Einfluss auf chirurgische Eingriffe haben und die Lebensqualität nicht nur von Kindern, sondern auch von Erwachsenen verbessern, sagt del Nido.

verbergen