Принцип кажется простым: на основе данных компьютерной томографии ученые создают виртуальную 3D-модель соответствующего органа, включая опухоль, до операции. Во время операции камеры сканируют поверхность органа и создают жесткую профильную маску. Затем к этой виртуальной форме трехмерная модель должна плотно прилегать, как желе к заданной форме.
Группа молодых исследователей доктора Стефани Шпайдель проанализировала эту геометрическую проблему адаптации формы с физической точки зрения. «Мы моделируем профиль поверхности как электрически отрицательный, а объемную модель органа — как электрически положительно заряженный», — объясняет Шпайдель. «Теперь оба притягиваются друг к другу, и упругая объемная модель скользит в неподвижную профильную маску». Адаптированная 3D-модель затем показывает хирургу, как опухоль перемещалась при деформации органа.Моделирование и эксперименты с использованием фантомной печени, близкой к реальности, продемонстрировали, что электростатически-упругий метод работает даже тогда, когда доступны только части деформированного профиля поверхности.
Это обычная ситуация в больнице. Печень человека окружена другими органами и, следовательно, только частично видна эндоскопическим камерам. «Только те структуры, которые четко определены нашей системой как части печени, получают электрический заряд», — говорит доктор Стефан Сувелак, который в составе группы Шпайделя написал свою докторскую диссертацию. диссертация по этой теме.
Проблемы возникают только в том случае, если видно гораздо меньше половины деформированной поверхности. Чтобы стабилизировать вычисления в таких случаях, исследователи KIT могут использовать четкие ориентиры, такие как пересечение судов. Однако их метод, в отличие от других, с самого начала не полагается на такие ссылки.Кроме того, модель исследователей KIT более точна, чем традиционные методы, поскольку она также учитывает биомеханические факторы печени, такие как эластичность ткани.
Так, например, фантомная печень, используемая учеными, состоит из двух разных силиконов: более твердого материала для капсулы, то есть внешней оболочки печени, и более мягкого материала для внутренней ткани печени.Благодаря своему физическому подходу молодым ученым также удалось ускорить вычислительный процесс.
Поскольку адаптация формы описывалась электростатической и упругой энергиями, они нашли единую математическую формулу. Используя эту формулу, даже обычные компьютеры, оснащенные одним процессором, работают настолько быстро, что этот метод является конкурентоспособным.
Однако, в отличие от традиционных методов вычислений, новый метод также подходит для параллельных компьютеров. Используя такой компьютер, группа молодых исследователей теперь планирует стабильно моделировать деформации органов в реальном времени.