Software til kirurgisk planlægning

Forskere ved Georgia Tech og Emory University har udviklet et innovativt computerprogram til at hjælpe hjertekirurger med at optimere kirurgiske procedurer, før de går ind på operationsstuen. Den billedbaserede kirurgiske planlægningssoftware lader kirurger manipulere en tredimensionel computermodel af en patients hjerte. Når først lægen har ændret modellen, så den inkluderer den ønskede vaskulære konfiguration, han eller hun ønsker at skabe under operationen, bruger programmet computervæskedynamik til at køre en blodstrømssimulering, der viser, hvor godt det modificerede hjerte vil fungere.

En forsker, der bruger det billedbaserede kirurgiske planlægningssystem, manipulerer en model af en patients vaskulære system med input-enheder formet som skalpeller. Når hans forudsete design er færdig, vil dets blodgennemstrømningseffektivitet blive testet.

Målet med projektet er at udvikle et komplet system, der imødekommer de krævende behov for planlægning og vurdering af kardiovaskulær kirurgi, siger Ajit Yoganathan , hovedefterforsker på projektet og associeret formand for Institut for Biomedicinsk Teknik ved Georgia Tech og Emory University. Programmet blev bygget til at teste en af ​​de mest almindelige og komplekse medfødte hjerteproblemer kendt: en enkelt ventrikeldefekt.

Børn med denne tilstand har kun én hjerteventrikel (den venstre), i stedet for to, til at pumpe iltet og deoxygeneret (snavset) blod gennem hele kroppen. Hos raske patienter pumper højre ventrikel det iltfattige blod gennem arterierne til lungerne, mens venstre ventrikel modtager det iltede blod gennem venerne og skyder det ud til alle organer i kroppen.

Blandingen af ​​blod i den enkelte ventrikel kompromitterer i høj grad cirkulationen i hele kroppen, siger Shiva Sharma, en privat pædiatrisk kardiolog. Kirurgens opgave er at adskille cirkulationen, hvilket betyder at omdirigere det iltfattige blod direkte og jævnt til lungerne, samtidig med at modstanden mod flow minimeres, en operation kaldet Fontan-reparation.

Det er vigtigt at designe den bedste forbindelse, fordi for meget modstand kan øge blodtrykket og forårsage en række livstruende komplikationer, forklarer Pedro del Nido , chef for hjertekirurgi på børnehospitalet i Boston. Kirurgiske procedurer er baseret på en kirurgs personlige erfaring, eksperimenter og ærligt talt en masse forsøg og fejl. Der er ingen direkte måde at vide, om vi har gjort tingene bedre eller ej, eller om en lille variation i vores teknik vil gøre en lille forskel eller ej.

Før billedbaseret kirurgisk planlægning arbejdede kirurger lidt som frihåndskunstnere, idet de så på anatomien og derefter skitserede en plan for operationen, tilføjer Sharma.

Programmet udviklet af Yoganathan og hans kolleger fungerer ved at skabe en tredimensionel computermodel af hjertet ved hjælp af data fra barnets magnetisk resonansbilleddannelse (MRI)-scanninger på forskellige tidspunkter i hjertecyklussen. Efter at have set billederne og udtænkt et par planer, sætter kirurgen sig ved en computer og manipulerer modellen ved hjælp af input-enheder, der ligner skalpeller, forklarer Yoganathan.

Det, vi har udviklet, er et system, der lader dig gribe geometrierne, som om du holdt dem i hænderne og derefter dreje, rotere og flytte dem som tredimensionelle modeller foran dig, siger Jarek Rossignac , en af ​​systemets designere og professor ved College of Computing ved Georgia Tech. Resultatet er en ny tredimensionel model, der afspejler en bestemt form, som en kirurg forestiller sig for operationen.

Den nye anatomisk modificerede tredimensionelle model er problemfrit eksporteret og masket til en beregningsmæssig fluiddynamikanalyse (CFD). Brug af CFD skaber en simulering af blodgennemstrømningen i det nyligt konfigurerede hjerte, som kan ses af kirurgen på skærmen. Efter at flere mock-modeller er designet og testet, kan kirurgen beslutte, hvilken operation der viste sig at være optimal for den pågældende patient. Indtil videre er hjerterne på fem patienter designet og testet til operation ved hjælp af den tredimensionelle model.

I øjeblikket bruges systemet kun af en lille gruppe kirurger, der er involveret i forskningen. Yoganathan siger, at teknologien er tre til fem år fra den er klar til generel brug, og der er stadig nogle udfordringer at overvinde. Flowdynamikken, siger han, er meget computerintensiv og involverer komplekse formler. Konvertering af geometrierne tilbage til beregningsmasker er møjsommeligt langsomt.

Lige nu får computeringeniørerne kirurgerne til at tegne designet, og så indtaster ingeniørerne manuelt geometrierne. Det er en meget besværlig proces, siger Yoganathan. Vi arbejder på at udvikle værktøjer, der, når først geometrien er tegnet, vil blive foretaget automatisk, så der ikke er nogen ingeniør involvering.

Der er heller ingen præcise matematiske formler for anatomiske former, som er organiske og har interessante materialeegenskaber, så efterligningen af, hvordan de kan udvikle sig, repræsenterer et nyt sæt udfordringer, forklarer Rossignac.

Forskerne ønsker at levere brugervenligt menneskelig-form interface teknologi , som ville lade kirurger manipulere former på en intuitiv og effektiv måde; lige nu tager det kirurgerne to til tre timer at manipulere en patients hjerte til den konfiguration, de visualiserer. Ifølge del Nido er disse formredigeringsteknologier dog ret enkle at bruge og intuitive for alle, der har spillet computerspil.

Til sidst vil forskerne have softwaren til at give den optimale løsning på hjerteproblemet.

En gruppe på Stanford University, ledet af Charles Taylor , arbejder også på billedbaserede kirurgiske planlægningssystemer. For nylig åbnede hans laboratorium Center for Simulation in Medicine på Stanford Hospital for at fokusere på kirurgisk planlægning af kardiovaskulære indgreb til børn med medfødt hjertesygdom og voksne med åreforkalkning og aneurismer.

Ifølge Taylor kan simulationsbaseret planlægning af kardiovaskulære behandlinger føre til lavere sygelighed og dødelighed, reducerede reoperative rater og reduceret tid på operationsstuen.

I sidste ende vil billedbaseret kirurgisk planlægning have en enorm indflydelse på kirurgiske procedurer, hvilket forbedrer livskvaliteten for ikke kun børn, men også voksne, siger del Nido.

skjule