Programvara för kirurgisk planering

Forskare vid Georgia Tech och Emory University har konstruerat ett innovativt datorprogram för att hjälpa hjärtkirurger att optimera kirurgiska ingrepp innan de går in i operationssalen. Den bildbaserade programvaran för kirurgisk planering låter kirurger manipulera en tredimensionell datormodell av en patients hjärta. När läkaren har ändrat modellen så att den inkluderar den önskade vaskulära konfigurationen han eller hon vill skapa under operationen, använder programmet beräkningsvätskedynamik för att köra en blodflödessimulering som visar hur väl det modifierade hjärtat kommer att fungera.

En forskare som använder det bildbaserade kirurgiska planeringssystemet manipulerar en modell av en patients kärlsystem med inmatningsanordningar formade som skalpeller. När hans tänkta design är klar kommer dess blodflödeseffektivitet att testas.

Målet med projektet är att utveckla ett komplett system som tillgodoser de krävande behoven av planering och bedömning av kardiovaskulär kirurgi, säger Ajit Yoganathan , huvudutredare för projektet och biträdande ordförande för Institutionen för biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University. Programmet byggdes för att testa ett av de vanligaste och mest komplexa medfödda hjärtproblemen som är kända: en enda ventrikeldefekt.

Barn med detta tillstånd har bara en hjärtkammare (vänster), istället för två, för att pumpa syresatt och syrefattigt (smutsigt) blod genom hela kroppen. Hos friska patienter pumpar den högra ventrikeln det syrefattiga blodet genom artärerna till lungorna, medan den vänstra ventrikeln tar emot det syresatta blodet genom venerna och skjuter bort det till varje organ i kroppen.

Blandningen av blod i den enda ventrikeln äventyrar kraftigt cirkulationen i hela kroppen, säger Shiva Sharma, en privat pediatrisk kardiolog. Kirurgens uppgift är att separera cirkulationen, vilket innebär att omdirigera det syrefattiga blodet direkt och jämnt till lungorna samtidigt som motståndet mot flöde minimeras, en operation som kallas Fontan-reparation.

Det är viktigt att utforma den bästa anslutningen eftersom för mycket motstånd kan öka blodtrycket och orsaka en mängd livshotande komplikationer, förklarar Pedro del Nido , chef för hjärtkirurgi vid barnsjukhuset i Boston. Kirurgiska ingrepp är baserade på en kirurgs personliga erfarenhet, experiment och, ärligt talat, många försök och misstag. Det finns inget direkt sätt att veta om vi har gjort saker bättre eller inte eller om en liten variation i vår teknik kommer att göra en liten skillnad eller inte.

Innan bildbaserad kirurgisk planering arbetade kirurger ungefär som frihandskonstnärer genom att de skulle titta på anatomin och sedan skissa upp en plan för operationen, tillägger Sharma.

Programmet som utvecklats av Yoganathan och hans kollegor fungerar genom att skapa en tredimensionell datormodell av hjärtat med hjälp av data från barnets magnetiska resonanstomografi (MRT) vid olika tidpunkter i hjärtcykeln. Efter att ha sett bilderna och utarbetat några planer sätter sig kirurgen vid en dator och manipulerar modellen med hjälp av inmatningsenheter som ser ut som skalpeller, förklarar Yoganathan.

Det vi har utvecklat är ett system som låter dig ta tag i geometrierna som om du höll dem i dina händer och sedan vrida, rotera och flytta dem som tredimensionella modeller framför dig, säger Jarek Rossignac , en av systemets designers och professor vid College of Computing vid Georgia Tech. Resultatet är en ny tredimensionell modell som speglar en viss form som en kirurg föreställer sig för operationen.

Den nya anatomiskt modifierade tredimensionella modellen är sömlöst exporterad och maskad för en beräkningsbaserad fluiddynamikanalys (CFD). Genom att använda CFD skapas en simulering av blodflödet i det nykonfigurerade hjärtat som kan ses av kirurgen på skärmen. Efter att flera mock-modeller har designats och testats kan kirurgen bestämma vilken operation som visade sig vara optimal för just den patienten. Hittills har hjärtan hos fem patienter designats och testats för operation med hjälp av den tredimensionella modellen.

För närvarande används systemet endast av en liten grupp kirurger som är involverade i forskningen. Yoganathan säger att tekniken är tre till fem år från att den är redo för allmän användning, och det finns fortfarande vissa utmaningar att övervinna. Flödesdynamiken, säger han, är mycket datorintensiv och involverar komplexa formler. Att konvertera geometrierna tillbaka till beräkningsmaskor är mödosamt långsamt.

Just nu låter dataingenjörerna kirurgerna rita ut designen och sedan matar ingenjörerna in geometrierna manuellt. Det är en väldigt besvärlig process, säger Yoganathan. Vi arbetar med att utveckla verktyg som, när geometrin är ritad, kommer beräkningsnätet för analys att göras automatiskt så att ingen ingenjör är involverad.

Det finns heller inga exakta matematiska formler för anatomiska former, som är organiska och har intressanta materialegenskaper, så att efterlikna hur de kan utvecklas representerar en ny uppsättning utmaningar, förklarar Rossignac.

Forskarna vill tillhandahålla användarvänligt gränssnittsteknik i mänsklig form , som skulle låta kirurger manipulera former på ett intuitivt och effektivt sätt; just nu tar det kirurgerna två till tre timmar att manipulera en patients hjärta till den konfiguration de visualiserar. Enligt del Nido är dock dessa formredigeringstekniker ganska enkla att använda och intuitiva för alla som har gjort datorspel.

Så småningom vill forskarna att programvaran ska ge den optimala lösningen för hjärtproblemet.

En grupp vid Stanford University, ledd av Charles Taylor , arbetar också med bildbaserade kirurgiska planeringssystem. Nyligen öppnade hans labb Center for Simulation in Medicine vid Stanford Hospital för att fokusera på kirurgisk planering för kardiovaskulära ingrepp för barn med medfödd hjärtsjukdom och vuxna med ateroskleros och aneurysm.

Enligt Taylor kan simuleringsbaserad planering av kardiovaskulära behandlingar leda till lägre sjuklighet och mortalitet, minskad reoperativ frekvens och minskad tid i operationssalen.

I slutändan kommer bildbaserad kirurgisk planering att ha en enorm inverkan på kirurgiska ingrepp, vilket förbättrar livskvaliteten för inte bara barn utan även vuxna, säger del Nido.

Dölj