Medizinisches Nadelmodell verbessert virtuelle Trainingsplattformen für Nachwuchschirurgen

Ein mathematisches Modell, das von Forschern der University of Bristol kann die Genauigkeit der Verwendung medizinischer Nadeln in chirurgischen Simulationen verbessern. Das neue Modell, das eine Wirkung hat, die angeblich „so ähnlich wie möglich“ der realen Nadeleinführung ist, hat das Potenzial, die Ausbildung von Nachwuchschirurgen zu verbessern.

Minimalinvasive chirurgische Verfahren, die über durch die Haut gesetzte Nadeln verabreicht werden, werden für eine Vielzahl medizinischer Anwendungen eingesetzt – darunter Gewebebiopsie, Epiduralanästhesie, Brachytherapie, Neurochirurgie und tiefe Hirnstimulation. Der Erfolg dieser Verfahren hängt jedoch stark von der genauen Nadelplatzierung ab. Ungenaues Einführen kann schwerwiegende Komplikationen verursachen, wie beispielsweise falsch negative Ergebnisse bei einer Biopsie oder die versehentliche Zerstörung von gesundem Gewebe bei Ablationsverfahren.

Um diese herausfordernden Operationen zu meistern, können Nachwuchschirurgen mit Operationssimulatoren geschult werden, die visuelles und haptisches Feedback geben. „Chirurgische Simulation ist aus der modernen Medizin nicht mehr wegzudenken“, erklärt Erstautor und Maschinenbauingenieur Athanasios Martsopoulos dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Bristol Robotiklabor. „Es bietet eine sichere Umgebung für die Ausbildung von Chirurgen, aber auch einen Rahmen für die Planung, Erforschung und ein besseres Verständnis chirurgischer Eingriffe.“

Der Schlüssel zu solchen Simulationen ist jedoch die genaue Modellierung der Weichteile und der flexiblen medizinischen Nadeln sowie der Wechselwirkungskräfte zwischen ihnen. In ihrer Studie entwickelten Martsopoulos und seine Kollegen neue Modelle flexibler medizinischer Nadeln unter Verwendung von Techniken aus der Kontinuumsmechanik – der Untersuchung der Verformung von und der Umwandlung von Kräften durch Materialien, die nicht als eine Reihe diskreter Partikel, sondern als kontinuierlich modelliert werden Masse.

Die Forscher berichten, dass der Ansatz es ihnen ermöglichte, Modellnadeln für die Prostatabiopsie und Brachytherapie zu entwickeln, die sowohl hochgenau als auch rechnerisch effizienter sind als ihre früheren Gegenstücke. Letztere Qualität wurde erreicht, erklärt das Team, indem die Einführung unnötiger Schritte in die Modellierung reduziert wurde.

„Die Recheneffizienz der Methoden in Kombination mit ihrer Genauigkeit ermöglicht ihre Integration in chirurgische Simulationsumgebungen, die auf die Ausbildung von Nachwuchschirurgen abzielen“, sagt Martsopoulos. „Die vorgeschlagenen Algorithmen sind für die Integration mit solchen Simulationslösungen leicht verfügbar und zielen darauf ab, ihre visuelle und haptische Wiedergabetreue zu verbessern.“

Nach Abschluss ihrer ersten Studie wollen die Forscher nun ihre neuen Modelle medizinischer Nadeln mit recheneffizienten und genauen Modellen menschlichen Gewebes kombinieren. Dies, erklärten sie, wird es ihnen ermöglichen, die Dynamik virtueller chirurgischer Instrumente in einer „voll ausgestatteten“ chirurgischen Simulation zu modellieren.

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„Zukünftige Erweiterungen unserer Arbeit werden auch die Implementierung des vorgeschlagenen Modells mit Hilfe der Grafikverarbeitungseinheit ermöglichen, was auf eine weitere Verbesserung der Recheneffizienz des Modells abzielt“, fügen sie hinzu.

Neben der Unterstützung bei der Ausbildung der Chirurgen der Zukunft, stellt das Team fest, hat das Modell auch das Potenzial, die präoperative Planung chirurgischer Eingriffe zu verbessern und bei der Entwicklung von Operationsrobotern zu helfen.

Die Studie ist beschrieben in Mathematische und Computermodellierung dynamischer Systeme.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/medical-needle-model-improves-virtual-training-platforms-for-junior-surgeons/