Chirurgische Simulation in 3D für die Entwicklung neuer medizinischer Geräte

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.

„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

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.

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

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

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.“