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Software per la pianificazione chirurgica
I ricercatori della Georgia Tech e della Emory University hanno progettato un programma informatico innovativo per aiutare i cardiochirurghi a ottimizzare le procedure chirurgiche prima di entrare in sala operatoria. Il software di pianificazione chirurgica basato su immagini consente ai chirurghi di manipolare un modello computerizzato tridimensionale del cuore di un paziente. Una volta che il medico ha modificato il modello in modo che includa la configurazione vascolare desiderata che desidera creare durante l'intervento chirurgico, il programma utilizza la fluidodinamica computazionale per eseguire una simulazione del flusso sanguigno che mostra le prestazioni del cuore modificato.
Un ricercatore che utilizza il sistema di pianificazione chirurgica basato su immagini manipola un modello del sistema vascolare di un paziente con dispositivi di input a forma di bisturi. Una volta completato il progetto previsto, verrà testata l'efficienza del flusso sanguigno.
L'obiettivo del progetto è sviluppare un sistema completo che soddisfi le esigenze impegnative della pianificazione e della valutazione della chirurgia cardiovascolare, afferma Ajit Yoganathan , ricercatore principale del progetto e presidente associato del Dipartimento di Ingegneria Biomedica alla Georgia Tech e alla Emory University. Il programma è stato creato per testare uno dei problemi cardiaci congeniti più comuni e complessi conosciuti: un singolo difetto del ventricolo.
I bambini con questa condizione hanno solo un ventricolo cardiaco (il sinistro), invece di due, per pompare sangue ossigenato e deossigenato (sporco) in tutto il corpo. Nei pazienti sani il ventricolo destro pompa il sangue deossigenato attraverso le arterie ai polmoni, mentre il ventricolo sinistro riceve il sangue ossigenato attraverso le vene e lo invia a tutti gli organi del corpo.
La miscela di sangue nel singolo ventricolo compromette notevolmente la circolazione in tutto il corpo, afferma Shiva Sharma, cardiologo pediatrico privato. Il compito del chirurgo è quello di separare la circolazione, il che significa reindirizzare il sangue deossigenato direttamente e uniformemente ai polmoni riducendo al minimo la resistenza al flusso, un'operazione chiamata riparazione di Fontan.
Progettare la migliore connessione è essenziale perché troppa resistenza può aumentare la pressione sanguigna e causare una serie di complicazioni potenzialmente letali, spiega Pedro del Nido , primario di cardiochirurgia al Children's Hospital di Boston. Le procedure chirurgiche si basano sull'esperienza personale del chirurgo, sulla sperimentazione e, francamente, su molti tentativi ed errori. Non esiste un modo diretto per sapere se abbiamo migliorato o meno le cose o se una leggera variazione nella nostra tecnica farà una leggera differenza o meno.
Prima della pianificazione chirurgica basata sulle immagini, i chirurghi lavoravano in qualche modo come artisti a mano libera in quanto osservavano l'anatomia e poi abbozzavano un piano per la chirurgia, aggiunge Sharma.
Il programma sviluppato da Yoganathan e dai suoi colleghi funziona creando un modello computerizzato tridimensionale del cuore utilizzando i dati delle scansioni di risonanza magnetica (MRI) del bambino in diversi momenti del ciclo cardiaco. Dopo aver visualizzato le immagini e aver ideato alcuni piani, il chirurgo si siede al computer e manipola il modello utilizzando dispositivi di input che sembrano bisturi, spiega Yoganathan.
Quello che abbiamo sviluppato è un sistema che ti permette di afferrare le geometrie come se le tenessi tra le mani e poi ruotarle, ruotarle e spostarle come modelli tridimensionali davanti a te, dice Jarek Rossignac , uno dei progettisti del sistema e professore al College of Computing della Georgia Tech. Il risultato è un nuovo modello tridimensionale che riflette una forma particolare che un chirurgo immagina per l'operazione.
Il nuovo modello tridimensionale anatomicamente modificato viene esportato senza soluzione di continuità e meshato per un'analisi fluidodinamica computazionale (CFD). L'utilizzo di CFD crea una simulazione del flusso sanguigno nel cuore appena configurato che può essere visualizzato dal chirurgo sullo schermo. Dopo che più modelli fittizi sono stati progettati e testati, il chirurgo può decidere quale operazione si è rivelata ottimale per quel particolare paziente. Finora, i cuori di cinque pazienti sono stati progettati e testati per la chirurgia utilizzando il modello tridimensionale.
Al momento, il sistema è utilizzato solo da un piccolo gruppo di chirurghi coinvolti nella ricerca. Yoganathan dice che la tecnologia è tra tre e cinque anni dall'essere pronta per l'uso generale, e ci sono ancora alcune sfide da superare. Le dinamiche del flusso, dice, sono molto complesse per il computer e implicano formule complesse. La riconversione delle geometrie in mesh computazionali è faticosamente lenta.
In questo momento, gli ingegneri informatici chiedono ai chirurghi di disegnare il progetto e poi gli ingegneri inseriscono manualmente le geometrie. È un processo molto complicato, afferma Yoganathan. Stiamo lavorando allo sviluppo di strumenti che, una volta disegnata la geometria, la mesh computazionale per l'analisi venga eseguita automaticamente in modo che non vi sia alcun coinvolgimento dell'ingegnere.
Inoltre, non esistono formule matematiche precise per le forme anatomiche, che sono organiche e presentano interessanti problemi di proprietà dei materiali, quindi imitare il modo in cui potrebbero evolversi rappresenta una nuova serie di sfide, spiega Rossignac.
I ricercatori vogliono fornire soluzioni user-friendly tecnologia di interfaccia a forma umana , che permetterebbe ai chirurghi di manipolare le forme in modo intuitivo ed efficiente; in questo momento i chirurghi impiegano dalle due alle tre ore per manipolare il cuore di un paziente nella configurazione che visualizzano. Secondo del Nido, tuttavia, queste tecnologie di modifica delle forme sono piuttosto semplici da usare e intuitive per chiunque abbia fatto giochi per computer.
Alla fine, i ricercatori vogliono che il software fornisca la soluzione ottimale per il problema cardiaco.
Un gruppo della Stanford University, guidato da charles taylor , sta anche lavorando su sistemi di pianificazione chirurgica basati su immagini. Recentemente, il suo laboratorio ha aperto il Center for Simulation in Medicine presso lo Stanford Hospital per concentrarsi sulla pianificazione chirurgica di interventi cardiovascolari per bambini con cardiopatie congenite e adulti con aterosclerosi e aneurismi.
Secondo Taylor, la pianificazione basata sulla simulazione dei trattamenti cardiovascolari potrebbe portare a una minore morbilità e mortalità, a tassi di reintervento ridotti e a tempi ridotti in sala operatoria.
In definitiva, la pianificazione chirurgica basata sulle immagini avrà un impatto enorme sulle procedure chirurgiche, migliorando la qualità della vita non solo dei bambini ma anche degli adulti, afferma del Nido.