Oprogramowanie do planowania chirurgicznego

Naukowcy z Georgia Tech i Emory University opracowali innowacyjny program komputerowy, który pomaga kardiochirurgom zoptymalizować procedury chirurgiczne przed wejściem na salę operacyjną. Oparte na obrazach oprogramowanie do planowania operacji pozwala chirurgom manipulować trójwymiarowym komputerowym modelem serca pacjenta. Gdy lekarz zmodyfikuje model tak, aby zawierał pożądaną konfigurację naczyń, którą chce utworzyć podczas operacji, program wykorzystuje obliczeniową dynamikę płynów do uruchomienia symulacji przepływu krwi, pokazującej, jak dobrze będzie działać zmodyfikowane serce.

Badacz korzystający z systemu planowania chirurgicznego opartego na obrazach manipuluje modelem układu naczyniowego pacjenta za pomocą urządzeń wejściowych w kształcie skalpeli. Gdy jego wyobrażony projekt zostanie ukończony, jego wydajność przepływu krwi zostanie przetestowana.

Celem projektu jest opracowanie kompletnego systemu, który odpowiada wymagającym potrzebom planowania i oceny operacji sercowo-naczyniowych, mówi Ajit Joganathan , główny badacz projektu i zastępca przewodniczącego Katedra Inżynierii Biomedycznej na Georgia Tech i Emory University. Program został stworzony, aby przetestować jeden z najczęstszych i najbardziej złożonych znanych wrodzonych wad serca: pojedynczą wadę komory.

Dzieci z tym schorzeniem mają tylko jedną komorę serca (po lewej), zamiast dwóch, do pompowania natlenionej i odtlenionej (brudnej) krwi po całym ciele. U zdrowych pacjentów prawa komora pompuje odtlenioną krew przez tętnice do płuc, podczas gdy lewa komora odbiera natlenioną krew żyłami i wystrzeliwuje ją do każdego organu w ciele.

Mieszanina krwi w pojedynczej komorze znacznie upośledza krążenie w całym ciele, mówi Shiva Sharma, prywatny kardiolog dziecięcy. Zadaniem chirurga jest oddzielenie krążenia, czyli przekierowanie odtlenionej krwi bezpośrednio i równomiernie do płuc przy jednoczesnym zminimalizowaniu oporów przepływu, czyli operacji zwanej naprawą Fontana.

Zaprojektowanie najlepszego połączenia jest niezbędne, ponieważ zbyt duży opór może zwiększyć ciśnienie krwi i spowodować szereg zagrażających życiu powikłań Pedro del Nido , szef kardiochirurgii w Szpitalu Dziecięcym w Bostonie. Procedury chirurgiczne opierają się na osobistym doświadczeniu chirurga, eksperymentach i, szczerze mówiąc, wielu próbach i błędach. Nie ma bezpośredniego sposobu, aby dowiedzieć się, czy zrobiliśmy rzeczy lepiej, czy też drobna zmiana w naszej technice zrobi niewielką różnicę, czy nie.

Przed planowaniem chirurgicznym opartym na obrazie chirurdzy pracowali trochę jak artyści odręczni, przyglądając się anatomii, a następnie szkicując plan operacji, dodaje Sharma.

Program opracowany przez Yoganathana i jego współpracowników polega na stworzeniu trójwymiarowego modelu komputerowego serca na podstawie danych ze skanów rezonansu magnetycznego (MRI) dziecka w różnych momentach cyklu pracy serca. Po obejrzeniu obrazów i opracowaniu kilku planów chirurg siada do komputera i manipuluje modelem za pomocą urządzeń wejściowych, które wyglądają jak skalpele, wyjaśnia Yoganathan.

Opracowaliśmy system, który pozwala chwytać geometrie tak, jakbyś trzymał je w dłoniach, a następnie skręcać, obracać i przesuwać je jako trójwymiarowe modele przed sobą, mówi Jarek Rossignac , jeden z projektantów systemu i profesor w College of Computing w Georgia Tech. Rezultatem jest nowy trójwymiarowy model, który odzwierciedla szczególny kształt, jaki chirurg przewiduje podczas operacji.

Nowy, anatomicznie zmodyfikowany trójwymiarowy model jest bezproblemowo eksportowany i tworzony w siatkę do celów obliczeniowej analizy dynamiki płynów (CFD). Korzystanie z CFD tworzy symulację przepływu krwi w nowo skonfigurowanym sercu, którą chirurg może oglądać na ekranie. Po zaprojektowaniu i przetestowaniu wielu próbnych modeli chirurg może zdecydować, która operacja okazała się optymalna dla danego pacjenta. Do tej pory zaprojektowano i przetestowano serca pięciu pacjentów pod kątem operacji z wykorzystaniem modelu trójwymiarowego.

W tej chwili z systemu korzysta jedynie niewielka grupa chirurgów zaangażowanych w badania. Yoganathan mówi, że technologia jest gotowa do powszechnego użytku od trzech do pięciu lat, a wciąż istnieją pewne wyzwania do pokonania. Mówi, że dynamika przepływu jest bardzo intensywna komputerowo i obejmuje złożone formuły. Przekształcanie geometrii z powrotem w siatki obliczeniowe jest niezwykle powolne.

W tej chwili inżynierowie komputerowi każą chirurgom narysować projekt, a następnie inżynierowie ręcznie wprowadzają geometrie. To bardzo uciążliwy proces, mówi Yoganathan. Pracujemy nad opracowaniem narzędzi, które po narysowaniu geometrii, siatka obliczeniowa do analizy byłaby wykonywana automatycznie, więc nie ma zaangażowania inżyniera.

Nie ma również precyzyjnych wzorów matematycznych na kształty anatomiczne, które są organiczne i wiążą się z interesującymi kwestiami właściwości materiałowych, więc naśladowanie ich ewolucji stanowi nowy zestaw wyzwań, wyjaśnia Rossignac.

Naukowcy chcą zapewnić przyjazność dla użytkownika technologia interfejsu w kształcie człowieka , co pozwoliłoby chirurgom manipulować kształtami w intuicyjny i efektywny sposób; teraz chirurdzy potrzebują od dwóch do trzech godzin, aby manipulować sercem pacjenta do wizualizowanej konfiguracji. Jednak według del Nido te technologie edycji kształtów są dość proste w użyciu i intuicyjne dla każdego, kto miał do czynienia z grami komputerowymi.

Ostatecznie naukowcy chcą, aby oprogramowanie zapewniało optymalne rozwiązanie problemu kardiologicznego.

Grupa na Uniwersytecie Stanforda, kierowana przez Charles Taylor , pracuje również nad systemami planowania chirurgicznego opartymi na obrazach. Niedawno jego laboratorium otworzyło Centrum Symulacji w Medycynie w Stanford Hospital, aby skupić się na planowaniu chirurgicznym interwencji sercowo-naczyniowych u dzieci z wrodzonymi wadami serca i dorosłych z miażdżycą i tętniakami.

Według Taylora oparte na symulacji planowanie leczenia sercowo-naczyniowego może prowadzić do zmniejszenia zachorowalności i śmiertelności, zmniejszenia częstości reoperacji i skrócenia czasu spędzonego na sali operacyjnej.

Ostatecznie planowanie chirurgiczne oparte na obrazach będzie miało ogromny wpływ na procedury chirurgiczne, poprawiając jakość życia nie tylko dzieci, ale także dorosłych, mówi del Nido.

ukryć