Software pro chirurgické plánování

Výzkumníci z Georgia Tech a Emory University zkonstruovali inovativní počítačový program, který má pomoci kardiochirurgům optimalizovat chirurgické postupy před vstupem na operační sál. Software pro chirurgické plánování založený na obrázcích umožňuje chirurgům manipulovat s trojrozměrným počítačovým modelem pacientova srdce. Jakmile lékař změní model tak, aby zahrnoval požadovanou vaskulární konfiguraci, kterou chce vytvořit během operace, program pomocí výpočetní dynamiky tekutin spustí simulaci průtoku krve, která ukazuje, jak dobře bude upravené srdce fungovat.

Výzkumník využívající systém chirurgického plánování založený na obrázcích manipuluje s modelem pacientova vaskulárního systému pomocí vstupních zařízení ve tvaru skalpelů. Jakmile bude jeho předpokládaný design dokončen, bude otestována jeho účinnost průtoku krve.

Cílem projektu je vyvinout kompletní systém, který řeší náročné potřeby plánování a hodnocení kardiovaskulární chirurgie, říká Ajit Yoganathan , hlavní řešitel projektu a přidružený předseda Ústav biomedicínského inženýrství na Georgia Tech a Emory University. Program byl vytvořen k testování jednoho z nejběžnějších a nejkomplexnějších známých vrozených srdečních problémů: defektu jediné komory.

Děti s tímto onemocněním mají místo dvou pouze jednu srdeční komoru (levou), která pumpuje okysličenou a odkysličenou (špinavou) krev do celého těla. U zdravých pacientů pravá komora pumpuje odkysličenou krev tepnami do plic, zatímco levá komora přijímá okysličenou krev žilami a vystřeluje ji do všech orgánů v těle.

Směs krve v jediné komoře značně omezuje oběh v celém těle, říká Shiva Sharma, soukromý dětský kardiolog. Úkolem chirurga je oddělit oběh, což znamená přesměrovat odkysličenou krev přímo a rovnoměrně do plic a zároveň minimalizovat odpor průtoku, operace zvaná Fontanova oprava.

Navrhování nejlepšího spojení je zásadní, protože příliš velký odpor může zvýšit krevní tlak a způsobit řadu život ohrožujících komplikací, vysvětluje Pedro del Nido , vedoucí kardiochirurgie v Dětské nemocnici v Bostonu. Chirurgické postupy jsou založeny na osobní zkušenosti chirurga, experimentování a upřímně řečeno na mnoha pokusech a omylech. Neexistuje žádný přímý způsob, jak zjistit, zda jsme věci vylepšili nebo ne, nebo zda malá změna v naší technice způsobí mírný rozdíl či nikoli.

Před chirurgickým plánováním na základě obrazu pracovali chirurgové poněkud jako umělci z volné ruky v tom, že se podívali na anatomii a pak načrtli plán operace, dodává Sharma.

Program vyvinutý Yoganathanem a jeho kolegy funguje tak, že vytváří trojrozměrný počítačový model srdce pomocí dat ze skenů dětské magnetické rezonance (MRI) v různých časech srdečního cyklu. Po zhlédnutí snímků a vymyšlení několika plánů si chirurg sedne k počítači a manipuluje s modelem pomocí vstupních zařízení, která vypadají jako skalpely, vysvětluje Yoganathan.

To, co jsme vyvinuli, je systém, který vám umožní uchopit geometrie, jako byste je drželi v rukou, a poté je otáčet, otáčet a přesouvat před sebou jako trojrozměrné modely, říká Jarek Rossignac , jeden z návrhářů systému a profesor na College of Computing na Georgia Tech. Výsledkem je nový trojrozměrný model, který odráží konkrétní tvar, který si chirurg pro operaci představuje.

Nový anatomicky upravený trojrozměrný model je bezproblémově exportován a propojen pro výpočetní analýzu dynamiky tekutin (CFD). Pomocí CFD se vytvoří simulace průtoku krve v nově nakonfigurovaném srdci, kterou může chirurg zobrazit na obrazovce. Poté, co je navrženo a otestováno několik simulovaných modelů, může chirurg rozhodnout, která operace se pro konkrétního pacienta ukázala jako optimální. Dosud byla srdce pěti pacientů navržena a testována pro operaci pomocí trojrozměrného modelu.

V tuto chvíli systém využívá pouze malá skupina chirurgů zapojených do výzkumu. Yoganathan říká, že technologie je připravena k obecnému použití tři až pět let a stále je třeba překonat některé problémy. Dynamika toku, říká, je velmi náročná na počítač a zahrnuje složité vzorce. Převod geometrií zpět na výpočetní sítě je pracně pomalý.

Právě teď počítačoví inženýři nechají chirurgy nakreslit návrh a poté inženýři ručně zadají geometrie. Je to velmi těžkopádný proces, říká Yoganathan. Pracujeme na vývoji nástrojů, které, jakmile je geometrie nakreslena, výpočetní síť pro analýzu bude provedena automaticky, takže není potřeba žádného inženýra.

Neexistují také žádné přesné matematické vzorce pro anatomické tvary, které jsou organické a mají zajímavé problémy s materiálovými vlastnostmi, takže napodobování toho, jak by se mohly vyvíjet, představuje novou sadu výzev, vysvětluje Rossignac.

Výzkumníci chtějí poskytovat uživatelsky přívětivé technologie rozhraní lidského tvaru , která by chirurgům umožnila manipulovat s tvary intuitivním a účinným způsobem; právě teď chirurgům trvá dvě až tři hodiny, než zmanipulují pacientovo srdce do konfigurace, kterou si vizualizují. Podle del Nida jsou však tyto technologie pro úpravu tvarů velmi jednoduché a intuitivní pro každého, kdo dělal počítačové hry.

Nakonec vědci chtějí, aby software poskytoval optimální řešení srdečního problému.

Skupina na Stanfordské univerzitě pod vedením Charles Taylor , také pracuje na systémech chirurgického plánování založených na obrazech. Nedávno jeho laboratoř otevřela Centrum pro simulaci medicíny ve Stanfordské nemocnici, aby se zaměřilo na chirurgické plánování kardiovaskulárních intervencí u dětí s vrozenou srdeční chorobou a dospělých s aterosklerózou a aneuryzmaty.

Podle Taylora by plánování kardiovaskulární léčby založené na simulaci mohlo vést k nižší morbiditě a mortalitě, snížení četnosti reoperací a zkrácení doby na operačním sále.

V konečném důsledku bude mít chirurgické plánování založené na obrazech obrovský dopad na chirurgické postupy a zlepší kvalitu života nejen dětí, ale i dospělých, říká del Nido.

skrýt