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Chirurgische Simulation in 3D für die Entwicklung neuer medizinischer Geräte
Virtuelle Validierung der ambulanten roboterassistierten Chirurgie
Ähnlich wie bei der Bildung von Schwielen an der Hand kann eine Überbeanspruchung der Stimme zu harten, gutartigen Wucherungen an den Stimmbändern führen. Für Schauspieler und Sänger, die auf ihre Stimme angewiesen sind, ist die umgehende Entfernung dieser Knötchen zum Erhalt der Stimmbandfunktion von entscheidender Bedeutung. Gutartige Knoten und einige seltene Krebstumore werden traditionell operativ im Krankenhaus-Operationssaal entfernt.
In den letzten Jahren hat die Laserentfernung solcher Läsionen in Arztpraxen an Popularität gewonnen. Bei diesem Verfahren werden die Wucherungen der Stimmlippen mit Laserimpulsen bestrahlt, um sie zu zerstören oder zu verkleinern. Es kann sich um einen schnellen ambulanten Eingriff handeln, der keine Vollnarkose erfordert.
Allerdings weist die für heutige Eingriffe eingesetzte endoskopische Gerätetechnologie Einschränkungen auf. „Sie funktioniert. Das ist die gute Nachricht“, sagt Loris Fichera, Professor für Robotiktechnik am Worcester Polytechnic Institute (WPI). „Die schlechte Nachricht ist, dass es schwierig sein kann, bestimmte Teile des Kehlkopfes zu erreichen, da die Instrumente in ihrer Lichtlenkung sehr eingeschränkt sind.“
Neue Glasfaserdesigns und Endoskopkonfigurationen sollen diese Einschränkung überwinden. Fichera und seine Kollegen verwendeten MATLAB® um zu simulieren, wie Fasern mit abgewinkelten Spitzen anstelle der heute verwendeten flachen Spitzen in hochauflösenden 3D-Modellen des menschlichen Kehlkopfs die beste Leistung erbringen. Durch die Simulation der medizinischen Geräte hoffen sie, den Zeit- und Kostenaufwand für die Herstellung physischer Prototypen zu reduzieren, die zunächst an Leichen und dann in der Klinik getestet werden müssen. Die Simulationen könnten künftig bei der Entwicklung effektiverer optischer Fasern und endoskopischer Instrumente als Validierung dienen.
a) Der blaue Kegel stellt die Sicht der Endoskopkamera dar, die auch den Tumor erfasst. Die rote gestrichelte Linie stellt die Sichtlinie der Laserfaser dar. b) Ein Tumor unterhalb der Stimmlippe ist für die nach vorne gerichtete Laserfaser schlechter zugänglich. (Bildquelle: Carla Dipasquale Illustration, mit Genehmigung von Loris Fichera)
„Die Herstellung dieser Geräte kostet viel Geld und Zeit“, sagt Fichera. „Durch die Simulation mit MATLAB können wir Dutzende verschiedener Designs schnell bewerten, ohne sie herstellen zu müssen. Wir ermitteln, welche Konfiguration vielversprechend ist und von der wir einen Prototyp erstellen sollten. Dadurch verkürzt sich die Prototyping-Zeit, was die Kosteneffizienz deutlich steigert. Jeder Design- und Prototyping-Zyklus dauert jetzt nur noch zwischen drei Wochen und zwei Monaten, abhängig von der Komplexität des Designs.“
Virtueller Kehlkopf
Bei einer Kehlkopfoperation in einer Klinik wird ein dünnes, flexibles Endoskop mit einer Kamera und einem Lichtwellenleiter in den Rachen eingeführt. Heutige Glasfasern haben ein flaches Ende und strahlen das Licht nach vorne in Richtung des Zielgewebes ab. Sie können also nicht die Unterseite oder die Ränder der Stimmbänder erreichen, die sich nicht in direkter Sichtlinie befinden.
„Mit der Medical Imaging Toolbox können wir den gesamten Datensatz laden und mit nur wenigen Klicks das dreidimensionale Rendering erstellen. Diese Funktionalität und die Möglichkeit zum Datenexport sind wichtig: Das bedeutet, dass wir bei jedem neuen Design nicht bei Null anfangen. Wir können uns auf etwas verlassen, von dem wir wissen, dass es funktioniert und Standard ist. Das spart bei jedem neuen Design Wochen.“
Neuere Forschungen deuten darauf hin, dass sich mit Hilfe konischer Glasfaser-Enden, die das Licht in unterschiedliche Winkel lenken, die Behandlung schwer erreichbarer Bereiche des Kehlkopfs erreichen lässt. Fichera arbeitete mit Medizinern der Harvard Medical School und des Brigham and Women's Hospital in Boston zusammen, um die Wirksamkeit solcher abgewinkelter Fasern zu beurteilen. Sie führten eine simulationsbasierte Studie durch, in der sie verschiedene Arten von Laserfasern verglichen: eine herkömmliche nach vorne gerichtete Faser und drei seitlich gerichtete Fasern, die Licht in Winkeln von 45°, 70° bzw. 90° emittieren.
Das WPI-Team erstellte sieben verschiedene anatomische 3D-Modelle des menschlichen Kehlkopfes durch die Zusammenstellung und Verarbeitung von Bildern aus Mikrocomputertomographie (Mikro-CT)-Scans von Kehlkopfproben mit der Image Processing Toolbox™.
Die CT-Scans sind eine Abfolge hochauflösender 2D-Graustufenbilder, in denen jedes Pixel die Gewebedichte an einer bestimmten Stelle wiedergibt. Jedes Bild stellt einen Gewebeschnitt dar, der einige Mikrometer von dem Schnitt im folgenden Bild entfernt ist. „Es ist, als würde man Bilder aus unterschiedlichen Höhen aufnehmen“, sagt Fichera. „Wir verarbeiten diese Bilder, um die dreidimensionale Form zu rekonstruieren. Das Ergebnis ist eine Stereolithografie- oder STL-Datei, dasselbe Format, das normalerweise für den 3D-Druck verwendet wird.“
Die seitlich abstrahlende 90°-Faser kann bisher unerreichbare Bereiche des Kehlkopfs erreichen. (Bildquelle: Loris Fichera)
Kommerzielle Radiologiesoftware kann 3D-Formen aus medizinischen Bildern rekonstruieren. Dennoch ist die Arbeit mit der Software anspruchsvoll und kann Daten häufig nicht im STL-Format exportieren, das Fichera und seine Kollegen benötigen. Das Team verbrachte eine Woche damit, Code zu schreiben, um die CT-Scans in eine 3D-Kehlkopfdarstellung umzuwandeln.
„Mit der Medical Imaging Toolbox können wir den gesamten Datensatz laden und mit nur wenigen Klicks das dreidimensionale Rendering erstellen. Diese Funktionalität und die Möglichkeit zum Datenexport sind wichtig: Das bedeutet, dass wir bei jedem neuen Design nicht bei Null anfangen. Wir können uns auf etwas verlassen, von dem wir wissen, dass es funktioniert und Standard ist. Das spart bei jedem neuen Design Wochen“, sagt Fichera.
Ficheras Doktoranden verwenden Medical Imaging Toolbox™ auch für seinen Kurs über Operationsroboter. In der Vergangenheit mussten die Studierenden die dreidimensionale Rekonstruktion mithilfe einer Radiologiesoftware üben. „Sie müssen diese Software nicht mehr verwenden“, sagt Fichera. „Ich bitte sie, hierfür MATLAB zu verwenden.“
Chirurgie simulieren
Nach der Erstellung der virtuellen Kehlkopfmodelle verwendete das WPI-Team Open-Source-MATLAB Code aus File Exchange um ein Modell eines häufig verwendeten handelsüblichen Endoskops zu erstellen. Beim Endoskop befindet sich die Spitze der Kamera über der rechten Stimmlippe und die Spitze der Laserfaser über der linken. Es bewegt sich mit drei Freiheitsgraden.
„Mit der Parallel Computing Toolbox dauert die Simulation etwa sieben Stunden. Ohne Parallelrechnen würde es viel länger dauern, wahrscheinlich Tage.“
Das Team erstellte ein Programm, um das Einführen und die Bewegung des Endoskops im Kehlkopf mithilfe eines Bewegungsplanungsalgorithmus zu simulieren. Die Forscher setzten die virtuellen Endoskope mit den unterschiedlichen optischen Fasern in den sieben Kehlkopfmodellen ein. Das Programm erstellte eine Punktwolke, die alle Stellen im Kehlkopf darstellt, die die Instrumente erreichen können.
Als nächstes verwendeten sie Raycasting – eine von Spieleentwicklern häufig verwendete Computertechnik zur Simulation der Beleuchtung in einer virtuellen 3D-Szene – um den Laserstrahl zu imitieren, der aus der Spitze der Glasfaser austritt. Sie verwendeten einen Strahl-Dreieck-Schnittpunktalgorithmus, um das vom Laserstrahl erreichte Kehlkopfgewebe zu erkennen. „Im Wesentlichen gehen wir jeden dieser Wolkenpunkte einzeln durch und fragen: ‚OK, wenn unsere Laserfaser hier ist und wir von dieser Stelle aus Licht anwenden, welches Gewebe erreichen wir?‘“
Das Endoskopmodell zeigt die Freiheitsgrade der Faser. (Bildquelle: Loris Fichera)
Raycasting sei rechenintensiv, sagt er, deshalb verwendeten sie Parallel Computing Toolbox™, um die Dinge zu beschleunigen. „Anstatt Tausende von Blickwinkeln durchzugehen und die Lichtstrahlen einzeln zu projizieren, führen wir das Raycasting parallel von so vielen Punkten wie möglich gleichzeitig aus und aggregieren dann alle Ergebnisse. Mit der Parallel Computing Toolbox dauert die Simulation etwa sieben Stunden. Ohne Parallelrechnen würde es viel länger dauern, wahrscheinlich Tage.“
Sie fanden heraus, dass die um 45°, 70° und 90° abgewinkelten Fasern den Bereich des gesamten Kehlkopfgewebes, der erreicht und behandelt werden konnte, im Durchschnitt um 50%, 74% bzw. 84% vergrößerten.
Entwicklung von Endoskopen der nächsten Generation
Die Studie lieferte nicht nur Hinweise darauf, dass zur Seite gerichtete Fasern die robotergestützte Kehlkopfchirurgie verbessern könnten, sondern deckte auch eine grundlegende Einschränkung heutiger Endoskope auf. Operationssimulationen zeigten eine eklatante Lücke in der Punktewolke in der Nähe der rechten Stimmlippe. „Die Software sagte uns, dass es einen Teil des Kehlkopfs gab, der wirklich schwer zu erreichen war“, sagt Fichera. „Wenn also ein Patient mit einem Tumor hierher kommt, können Sie ihn nicht behandeln. Das ergab keinen Sinn und unser allererster Gedanke war, dass wir einen Fehler gemacht haben mussten.“
„Unsere Idee ist es, das heute verwendete Endoskop durch eine eigene Version dieses Gerätes zu ersetzen. Egal, für welches Design wir uns entscheiden, wir können zunächst eine Simulation in MATLAB durchführen, bevor wir ein physisches Instrument herstellen oder auch nur anfassen, um zu sehen, ob es das tut, was wir erwarten, und dann mit der Prototypenentwicklung fortfahren.“
Durch Operationssimulationen wurde in der Punktewolke nahe der rechten Stimmlippe eine Lücke identifiziert, auf die derzeit verfügbare Endoskope keinen Zugriff haben. (Bildquelle: Loris Fichera)
Zu ihrer Überraschung bestätigten Ficheras Arztkollegen, dass dieser fehlende Zugang über der rechten Stimmlippe tatsächlich auftritt. Als Ficheras Team zum Computerprogramm zurückkehrte, stellte sie fest, dass dieser Abstand auf die exzentrische Konstruktion des Endoskops zurückzuführen war – mit der Kamera auf der einen Seite und der Glasfaser auf der anderen – und darauf, dass es für die Chirurgen schwierig ist, das Endoskop vollständig um 360° zu drehen.
Laut Fichera basieren die heute für Kehlkopfoperationen verwendeten Endoskope auf dem Design anderer Endoskope und sind nicht für diesen speziellen Eingriff optimiert. Das WPI-Team plant, seine Studie als Grundlage für die Entwicklung neuer endoskopischer medizinischer Geräte zu nutzen.
„Wir haben diese Forschung in der Überzeugung begonnen, dass wir lediglich eine neue Faser entwickeln müssen, dabei aber dieselben Instrumente weiter verwenden können“, sagt er. „Aber letztendlich zeigen uns diese Ergebnisse meiner Meinung nach auch, dass wir auch das Design des Endoskops überdenken müssen.“
Fichera und seine Kollegen planen, ihre Daten für die Beantragung von Zuschüssen zu nutzen und mit den Mitteln ein völlig neues Gerät zu entwickeln. „Unsere Idee ist, das heute verwendete Endoskop durch unsere Version dieses Geräts zu ersetzen. Egal, für welches Design wir uns entscheiden, wir können zunächst eine Simulation in MATLAB durchführen, bevor wir ein physisches Instrument herstellen oder auch nur anfassen, um zu sehen, ob es das tut, was wir erwarten, und dann mit der Prototypenentwicklung fortfahren.“
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