All’ospedale pediatrico di Boston, gli strumenti di modellazione aerospaziale 3D aiutano i chirurghi a risanare le malformazioni cardiache

Il cardiochirurgo pediatrico David Hoganson ha riparato le malattie cardiache congenite attraverso l’innovazione da quando è entrato a far parte dello staff del Boston Children’s Hospital nel 2014. Come cardiochirurgo con esperienza in ingegneria e industria nello sviluppo di dispositivi medici cardiovascolari, Hoganson si impegna a sviluppare nuovi approcci per migliorare la sicurezza e l’efficacia della cardiochirurgia per alcuni dei pazienti più giovani in ospedale. Sviluppi pediatrici come cerotti per cardiochirurgia che utilizzano il cordone ombelicale o i dispositivi cardiaci dei neonatiche consentono ai chirurghi di prevedere il successo delle riparazioni delle valvole cardiache non solo gli è valso premi, ma fanno anche parte della sua motivazione a fornire assistenza compassionevole a neonati e bambini. Di recente, Hoganson ha fatto affidamento su strumenti presi in prestito dall’industria aerospaziale per riparare l’atrio destro allargato di un paziente di 18 anni che ha reso molto inefficiente il flusso attraverso la sua circolazione di Fontan.

I pazienti di Fontan avevano precedentemente subito una procedura di Fontan utilizzata per reindirizzare il flusso sanguigno dalla parte inferiore del corpo ai polmoni attraverso un metodo che disconnette la vena cava inferiore dal cuore e la indirizza direttamente all’arteria polmonare attraverso un condotto extracardiaco, permettendo al sangue di parte inferiore del corpo per fluire verso l’arteria polmonare e poi verso i polmoni, senza dover passare attraverso il cuore. Questo metodo di solito lascia un singolo ventricolo responsabile di pompare il sangue nel corpo e studi hanno dimostrato che i pazienti con connessioni atriopolmonari possono sviluppare nel tempo una marcata distensione atriale.

Per trovare una soluzione ideale per aiutare il giovane paziente ad alto rischio a singolo ventricolo o Fontan della Carolina del Nord, Hoganson si rivolse agli ingegneri aerospaziali dello sviluppatore di software 3D Dassault Systèmes , per utilizzare un software molto complesso per l’ingegneria delle ali degli aeroplani.

“Collaboriamo con Dassault Systèmes da oltre un anno, utilizzando alcuni dei loro strumenti di simulazione e ingegneria per pianificare meglio operazioni complesse”, ha affermato Hoganson, che fa anche parte del team del Boston Children’s Hospital Heart Center , il più grande cuore pediatrico programma negli Stati Uniti. “Quando è arrivato questo paziente, eravamo già sulla buona strada per lo sviluppo di un processo per realizzare cerotti aortici progettati in modo prospettico per adattarsi perfettamente ai bambini. Quindi, quando abbiamo stabilito che aveva bisogno di un bracciale, che ha una curvatura complessa simile alle toppe dell’aorta, ci siamo resi conto di avere gli strumenti e l’esperienza per crearlo. “

David Hoganson. (Immagine gentilmente concessa dal Boston Children’s Hospital)

Come riportato dal Boston Children’s Hospital, prima di creare il bracciale, Hoganson e il suo team hanno eseguito una serie di simulazioni al computer della procedura chirurgica utilizzando il software Dassault e hanno anche modellato il flusso attraverso la ricostruzione chirurgica pianificata, che ora fa parte della loro procedura standard durante la pianificazione per cardiochirurgia complessa. Tuttavia, la modellizzazione del flusso di computer attraverso la circolazione del Fontan del paziente ha previsto una perdita di energia del 15% posizionando una cuffia di transizione tra il condotto e i rami dell’arteria polmonare.

La modellazione del flusso al computer ha previsto una riduzione del 15% nella perdita di energia posizionando una cuffia di transizione tra il condotto e i rami dell’arteria polmonare

Hoganson ha spiegato che, date le grandi dimensioni dell’ingresso nelle arterie polmonari (diametro di 38 mm) rispetto alle dimensioni del condotto (diametro di 20 mm), è stato progettato un bracciale speciale per creare una transizione graduale tra il condotto e le arterie polmonari native . Concentrandosi sulla modellazione 3D e sulla simulazione del flusso, ha permesso al team di progettare un bracciale per ottenere il flusso desiderato. Ma tradurre la particolare forma del bracciale da un materiale patch piatto nel bracciale effettivo di cui avevano bisogno era problematico. Quindi, Hoganson si rivolse ai suoi soci a Dassault per aiuto, e uno degli ingegneri aerospaziali della società francese ha aiutato Hoganson e il suo team a utilizzare un software molto complesso sviluppato per l’ingegneria delle ali degli aeroplani per “aprire” il bracciale sul computer e generare la forma necessaria per ricreare il bracciale da un materiale patch.

“L’intero processo ha richiesto alcune settimane, poiché abbiamo apportato alcuni miglioramenti alla progettazione”, ha spiegato Hoganson. “Era possibile solo perché Dassault aveva sviluppato questo strumento che prevedeva una matematica estremamente complessa che progettava come rattoppare le ali usando l’elasticità delle proprietà meccaniche dei materiali delle patch delle ali, che potremmo quindi utilizzare per incorporare l’elasticità dei materiali delle patch aortiche. Siamo grati che fossero disposti a condividere questo software e la loro esperienza con noi. Quando è arrivato il momento di un intervento chirurgico, il risultato è stato fenomenale. “

Design del polsino appiattito per tagliare dal materiale della toppa (a sinistra) e modello del polsino in 3D (a destra).

Mentre Hoganson stava eseguendo l’intervento chirurgico, un paio di ingegneri del team stavano osservando virtualmente la procedura, come fanno abitualmente, controllando i modelli di computer e assicurandosi che tutto fosse eseguito come previsto. Il chirurgo ha detto che il bracciale si adattava esattamente come doveva e che quando hanno rimosso i morsetti, tutto ha funzionato perfettamente.

Il bracciale impiantato con successo ha rappresentato uno sforzo molto più grande per Hoganson: “È solo un’istantanea di ciò che abbiamo fatto e di ciò a cui stiamo lavorando. Siamo molto entusiasti della nostra continua collaborazione con Dassault e dell’applicazione di questi strumenti complessi per fare una differenza misurabile nella vita dei nostri pazienti. Se del caso, stiamo cercando di spostare questi sforzi e di utilizzare questi strumenti di ingegneria per prevedere il modo migliore per eseguire un intervento chirurgico, e in seguito per vedere se hanno previsto con esattezza il risultato. In definitiva, vogliamo capire come possiamo fare affidamento su questi strumenti per aiutare a prendere decisioni migliori per i nostri pazienti. “

La modellazione al computer mostra la posizione del bracciale progettato

Hoganson ha anche detto che stanno lavorando per applicare lo stesso flusso di lavoro che hanno usato per questo intervento chirurgico ad altri interventi chirurgici che svolgono più regolarmente. Il suo team è stato recentemente finanziato per applicare la tecnologia ai pazienti aortici in uno studio clinico e ha in programma di iniziare con pazienti con arco a basso rischio e passare progressivamente a pazienti con arco più complessi.

Trovare soluzioni creative per pazienti con problemi non comuni fa parte della missione di Hoganson. Insieme a Peter Hammer, ricercatore presso il Dipartimento di Cardiochirurgia del Boston Children’s Hospital, ha riunito un team di ingegneri per utilizzare la modellazione e la simulazione 3D per migliorare le capacità del Centro cardiaco nella pianificazione preoperatoria. Ora hanno un servizio di consulenza per il Centro cardiaco per creare modelli 3D per la visualizzazione preoperatoria e intraoperatoria di anatomia paziente complessa e si affidano alla fluidodinamica computazionale per modellare il flusso sanguigno atteso in pazienti che hanno un solo ventricolo di lavoro. In un recente post di LinkedIn, lo specialista ha descritto come “questi potenti metodi computazionali ci consentono di pianificare le modifiche chirurgiche che ottimizzano l’equilibrio del flusso verso le arterie polmonari e minimizzano la perdita di potenza, portando a migliori risultati per il paziente “. Gli strumenti di pianificazione 3D aiuteranno i chirurghi a pianificare le procedure e ad adattare i trattamenti alle caratteristiche individuali dei pazienti, portando avanti il ​​sogno di una medicina più personalizzata.

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