Logiciel de planification chirurgicale

Des chercheurs de Georgia Tech et de l'Université Emory ont conçu un programme informatique innovant pour aider les chirurgiens cardiaques à optimiser les procédures chirurgicales avant d'entrer dans la salle d'opération. Le logiciel de planification chirurgicale basé sur l'image permet aux chirurgiens de manipuler un modèle informatique en trois dimensions du cœur d'un patient. Une fois que le médecin a modifié le modèle afin qu'il comprenne la configuration vasculaire souhaitée qu'il souhaite créer pendant la chirurgie, le programme utilise la dynamique des fluides computationnelle pour exécuter une simulation de la circulation sanguine affichant les performances du cœur modifié.

Un chercheur utilisant le système de planification chirurgicale basé sur l'image manipule un modèle du système vasculaire d'un patient avec des dispositifs d'entrée en forme de scalpels. Une fois la conception envisagée terminée, son efficacité de circulation sanguine sera testée.

L'objectif du projet est de développer un système complet qui répond aux besoins exigeants de la planification et de l'évaluation de la chirurgie cardiovasculaire, explique Ajit Yoganathan , le chercheur principal du projet et président associé du Département de génie biomédical à Georgia Tech et Emory University. Le programme a été conçu pour tester l'un des problèmes cardiaques congénitaux les plus courants et les plus complexes connus : un seul défaut ventriculaire.

Les enfants atteints de cette maladie n'ont qu'un seul ventricule cardiaque (le gauche), au lieu de deux, pour pomper le sang oxygéné et désoxygéné (sale) dans tout le corps. Chez les patients en bonne santé, le ventricule droit pompe le sang désoxygéné à travers les artères vers les poumons, tandis que le ventricule gauche reçoit le sang oxygéné par les veines et le projette vers tous les organes du corps.

Le mélange de sang dans le seul ventricule compromet grandement la circulation dans tout le corps, explique Shiva Sharma, cardiologue pédiatre privé. Le travail du chirurgien consiste à séparer la circulation, c'est-à-dire à rediriger le sang désoxygéné directement et uniformément vers les poumons tout en minimisant la résistance à l'écoulement, une opération appelée réparation de Fontan.

Concevoir la meilleure connexion est essentiel car trop de résistance peut augmenter la pression artérielle et provoquer diverses complications potentiellement mortelles, explique Pedro del Nido , chef du service de chirurgie cardiaque à l'Hôpital pour enfants de Boston. Les procédures chirurgicales sont basées sur l'expérience personnelle du chirurgien, l'expérimentation et, franchement, beaucoup d'essais et d'erreurs. Il n'y a aucun moyen direct de savoir si nous avons amélioré les choses ou si une légère variation dans notre technique fera une légère différence ou non.

Avant la planification chirurgicale basée sur l'image, les chirurgiens travaillaient un peu comme des artistes à main levée en ce sens qu'ils examinaient l'anatomie puis esquissaient un plan pour la chirurgie, ajoute Sharma.

Le programme développé par Yoganathan et ses collègues fonctionne en créant un modèle informatique tridimensionnel du cœur à l'aide des données d'imagerie par résonance magnétique (IRM) de l'enfant à différents moments du cycle cardiaque. Après avoir visionné les images et élaboré quelques plans, le chirurgien s'assoit devant un ordinateur et manipule le modèle à l'aide de dispositifs d'entrée qui ressemblent à des scalpels, explique Yoganathan.

Ce que nous avons développé est un système qui vous permet de saisir les géométries comme si vous les teniez dans vos mains, puis de les tordre, de les faire pivoter et de les déplacer sous forme de modèles tridimensionnels devant vous, explique Jarek Rossignac , l'un des concepteurs du système et professeur au College of Computing de Georgia Tech. Le résultat est un nouveau modèle tridimensionnel qui reflète une forme particulière qu'un chirurgien envisage pour l'opération.

Le nouveau modèle tridimensionnel anatomiquement modifié est exporté et maillé de manière transparente pour une analyse numérique de la dynamique des fluides (CFD). L'utilisation de la CFD crée une simulation du flux sanguin dans le cœur nouvellement configuré qui peut être visualisé par le chirurgien sur l'écran. Une fois que plusieurs modèles fictifs ont été conçus et testés, le chirurgien peut décider quelle opération s'est avérée optimale pour ce patient particulier. Jusqu'à présent, les cœurs de cinq patients ont été conçus et testés pour la chirurgie à l'aide du modèle tridimensionnel.

Pour le moment, le système n'est utilisé que par un petit groupe de chirurgiens impliqués dans la recherche. Yoganathan dit que la technologie est prête à être utilisée dans trois à cinq ans et qu'il reste encore des défis à surmonter. La dynamique du flux, dit-il, est très gourmande en informatique et implique des formules complexes. La reconversion des géométries en maillages informatiques est extrêmement lente.

À l'heure actuelle, les ingénieurs informaticiens demandent aux chirurgiens de dessiner la conception, puis les ingénieurs entrent manuellement les géométries. C'est un processus très lourd, dit Yoganathan. Nous travaillons sur le développement d'outils qui, une fois la géométrie dessinée, le maillage de calcul pour l'analyse serait fait automatiquement afin qu'il n'y ait aucune implication d'ingénieur.

Il n'y a pas non plus de formules mathématiques précises pour les formes anatomiques, qui sont organiques et ont des problèmes intéressants de propriété matérielle, donc imiter comment elles pourraient évoluer représente un nouvel ensemble de défis, explique Rossignac.

Les chercheurs veulent fournir des technologie d'interface de forme humaine , qui permettrait aux chirurgiens de manipuler les formes de manière intuitive et efficace ; à l'heure actuelle, il faut deux à trois heures aux chirurgiens pour manipuler le cœur d'un patient dans la configuration qu'ils visualisent. Selon del Nido, cependant, ces technologies d'édition de forme sont assez simples à utiliser et intuitives pour tous ceux qui ont fait des jeux informatiques.

À terme, les chercheurs souhaitent que le logiciel fournisse la solution optimale au problème cardiaque.

Un groupe de l'Université de Stanford, dirigé par Charles Taylor , travaille également sur des systèmes de planification chirurgicale basés sur l'image. Récemment, son laboratoire a ouvert le Center for Simulation in Medicine à l'hôpital de Stanford pour se concentrer sur la planification chirurgicale des interventions cardiovasculaires pour les enfants atteints de cardiopathie congénitale et les adultes atteints d'athérosclérose et d'anévrismes.

Selon Taylor, la planification des traitements cardiovasculaires basée sur la simulation pourrait entraîner une baisse de la morbidité et de la mortalité, des taux de réintervention réduits et une réduction du temps passé en salle d'opération.

En fin de compte, la planification chirurgicale basée sur l'image aura un impact immense sur les procédures chirurgicales, améliorant la qualité de vie non seulement des enfants mais aussi des adultes, déclare del Nido.

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