211service.com
Software voor chirurgische planning
Onderzoekers van Georgia Tech en Emory University hebben een innovatief computerprogramma ontwikkeld om hartchirurgen te helpen bij het optimaliseren van chirurgische procedures voordat ze de operatiekamer binnenkomen. Met de op afbeeldingen gebaseerde software voor chirurgische planning kunnen chirurgen een driedimensionaal computermodel van het hart van een patiënt manipuleren. Zodra de arts het model heeft gewijzigd zodat het de gewenste vasculaire configuratie bevat die hij of zij tijdens de operatie wil creëren, gebruikt het programma computationele vloeistofdynamica om een bloedstroomsimulatie uit te voeren die laat zien hoe goed het gewijzigde hart zal presteren.
Een onderzoeker die het op afbeeldingen gebaseerde chirurgische planningssysteem gebruikt, manipuleert een model van het vasculaire systeem van een patiënt met invoerapparaten in de vorm van scalpels. Zodra zijn beoogde ontwerp voltooid is, zal de efficiëntie van de bloedstroom worden getest.
Het doel van het project is om een compleet systeem te ontwikkelen dat voldoet aan de veeleisende behoeften van de planning en beoordeling van cardiovasculaire chirurgie, zegt Ajit Yoganathan , de hoofdonderzoeker van het project en associate voorzitter van de Afdeling Biomedische Technologie aan Georgia Tech en Emory University. Het programma is ontwikkeld om een van de meest voorkomende en complexe aangeboren hartproblemen te testen: een enkel ventrikeldefect.
Kinderen met deze aandoening hebben slechts één hartventrikel (links), in plaats van twee, om zuurstofrijk en zuurstofarm (vuil) bloed door het lichaam te pompen. Bij gezonde patiënten pompt de rechter hartkamer het zuurstofarme bloed door de slagaders naar de longen, terwijl de linker hartkamer het zuurstofrijke bloed via de aderen ontvangt en het naar elk orgaan in het lichaam spuit.
Het mengsel van bloed in de enkele ventrikel brengt de bloedsomloop door het lichaam aanzienlijk in gevaar, zegt Shiva Sharma, een particuliere kindercardioloog. Het is de taak van de chirurg om de bloedsomloop te scheiden, wat inhoudt dat het zuurstofarme bloed rechtstreeks en gelijkmatig naar de longen wordt geleid terwijl de weerstand tegen de stroming wordt geminimaliseerd, een operatie die Fontan-reparatie wordt genoemd.
Het ontwerpen van de beste verbinding is essentieel omdat te veel weerstand de bloeddruk kan verhogen en een verscheidenheid aan levensbedreigende complicaties kan veroorzaken, legt uit Pedro del Nido , hoofd van de hartchirurgie in het kinderziekenhuis van Boston. Chirurgische procedures zijn gebaseerd op de persoonlijke ervaring van een chirurg, experimenten en, eerlijk gezegd, veel vallen en opstaan. Er is geen directe manier om te weten of we dingen hebben verbeterd of dat een kleine variatie in onze techniek een klein verschil zal maken of niet.
Vóór de op afbeeldingen gebaseerde chirurgische planning werkten chirurgen een beetje als kunstenaars uit de vrije hand, in die zin dat ze naar de anatomie keken en vervolgens een plan voor de operatie schetsten, voegt Sharma eraan toe.
Het programma ontwikkeld door Yoganathan en zijn collega's werkt door een driedimensionaal computermodel van het hart te creëren met behulp van gegevens van de magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) -scans van het kind op verschillende tijdstippen in de hartcyclus. Na het bekijken van de beelden en het bedenken van een paar plannen, gaat de chirurg achter een computer zitten en manipuleert het model met invoerapparaten die op scalpels lijken, legt Yoganathan uit.
Wat we hebben ontwikkeld, is een systeem waarmee je de geometrieën kunt pakken alsof je ze in je handen hebt en ze vervolgens kunt draaien, roteren en verplaatsen als driedimensionale modellen voor je, zegt Jarek Rossignac , een van de ontwerpers van het systeem en een professor aan het College of Computing van Georgia Tech. Het resultaat is een nieuw driedimensionaal model dat een bepaalde vorm weerspiegelt die een chirurg voor ogen heeft voor de operatie.
Het nieuwe anatomisch gemodificeerde driedimensionale model wordt naadloos geëxporteerd en gemaasd voor een computational fluid dynamics analysis (CFD). Het gebruik van CFD creëert een simulatie van de bloedstroom in het nieuw geconfigureerde hart die door de chirurg op het scherm kan worden bekeken. Nadat meerdere nepmodellen zijn ontworpen en getest, kan de chirurg beslissen welke operatie optimaal is gebleken voor die specifieke patiënt. Tot nu toe zijn de harten van vijf patiënten ontworpen en getest voor chirurgie met behulp van het driedimensionale model.
Op dit moment wordt het systeem alleen gebruikt door een kleine groep chirurgen die bij het onderzoek is betrokken. Yoganathan zegt dat het drie tot vijf jaar duurt voordat de technologie klaar is voor algemeen gebruik, en dat er nog enkele uitdagingen moeten worden overwonnen. De stromingsdynamiek, zegt hij, is erg computerintensief en omvat complexe formules. Het terug converteren van de geometrieën naar computationele meshes is uiterst traag.
Op dit moment laten de computeringenieurs de chirurgen het ontwerp uittekenen en vervolgens voeren de ingenieurs handmatig de geometrieën in. Het is een zeer omslachtig proces, zegt Yoganathan. We werken aan het ontwikkelen van tools waarmee, zodra de geometrie is getekend, het rekennet voor analyse automatisch wordt uitgevoerd, zodat er geen ingenieur bij betrokken is.
Er zijn ook geen precieze wiskundige formules voor anatomische vormen, die organisch zijn en interessante materiaal-eigendomsproblemen hebben, dus het nabootsen van hoe ze zouden kunnen evolueren, vormt een nieuwe reeks uitdagingen, legt Rossignac uit.
De onderzoekers willen gebruiksvriendelijk interfacetechnologie in menselijke vorm , waarmee chirurgen vormen op een intuïtieve, efficiënte manier zouden kunnen manipuleren; op dit moment hebben de chirurgen twee tot drie uur nodig om het hart van een patiënt te manipuleren in de configuratie die ze visualiseren. Volgens del Nido zijn deze vormbewerkingstechnologieën echter vrij eenvoudig te gebruiken en intuïtief voor iedereen die computergames heeft gedaan.
Uiteindelijk willen de onderzoekers dat de software de optimale oplossing biedt voor het hartprobleem.
Een groep aan de Stanford University, geleid door Charles Taylor , werkt ook aan op afbeeldingen gebaseerde chirurgische planningssystemen. Onlangs opende zijn laboratorium het Center for Simulation in Medicine in het Stanford Hospital om zich te concentreren op chirurgische planning voor cardiovasculaire interventies voor kinderen met een aangeboren hartaandoening en volwassenen met atherosclerose en aneurysma's.
Volgens Taylor zou op simulatie gebaseerde planning van cardiovasculaire behandelingen kunnen leiden tot lagere morbiditeit en mortaliteit, minder heroperaties en kortere tijd in de operatiekamer.
Uiteindelijk zal op afbeeldingen gebaseerde chirurgische planning een enorme impact hebben op chirurgische procedures, waardoor de kwaliteit van leven van niet alleen kinderen, maar ook van volwassenen zal verbeteren, zegt del Nido.