Biomechanische Modellierung von Weichgewebsstrukturen zur Verhinderung von Nahtversagen bei Laparatomien

Laparatomie, Nahtversagen, Vermessung von Weichgeweben, Uniaxiale Zugprüfung, Videoanalyse, Open Source Messtechnik, FEM-Modellierung, Digitaler Zwilling

Fachhochschule Bielefeld
Fachbereich Campus Minden
Artilleriestr. 9
32427 Minden

Projektpartner

PD Dr. med. Dr. habil. Jörg Johannes Höer, Chefarzt der Klinik für Allgemein- und Viszeralchirurgie an den Hochtaunus-Kliniken in Bad Homburg

Laufzeit

seit 2016 lfd.

Kurzbeschreibung

Nahtversagen ist eine häufig auftretende Komplikation nach dem chirurgischen Verschluss einer Bauchdecke. Trotz aller Fortschritte auf dem Gebiet der Chirurgie zählen die Ausbildung von minderwertigem Ersatzgewebe und der Narbenbruch zu den häufigsten postoperativen Komplikationen. Viele Studien verweisen auf die Häufigkeit und die wirtschaftlichen Schäden: Abhängig von Grad und Schwere des Auftretens sind Wieder- und Notoperationen nötig, es kommt zu Rezidiven und bezogen auf den an sich einfachen Nahtvorgang tritt eine hohe Mortalität auf. Deswegen ist das Gewebeverhalten wie auch das Nahtversagen Untersuchungsgegenstand zahlreicher medizinischer und biomechanischer Messreihen und Veröffentlichungen.

Ziele und Methoden

Das Projekt analysiert die Vorgehensweise bei medizinischen Operationsvorgängen im Detail und reflektiert dazu die Vermessung und Simulation biologischer Gewebe einer Bauchdecke. Es zeigt sich, dass eine hohe Variabilität der chirurgischen Eingriffsmöglichkeiten und -orte einer geringen Variabilität der Entnahmeorte der Bauchgewebe zur Messung und Simulation gegenübersteht.

Auffallend ist, dass die typischerweise entnommenen Gewebeproben zur Messung auf Zugprüfmaschinen gut geeignet sind. Um das ganzheitlich am Bauch auftretende Nahtversagen jedoch besser verstehen und modellieren zu können, müssen die Mess- und Prüfeinrichtungen folglich in ihren Fähigkeiten erweitert werden. Das Ziel besteht darin, die Messmöglichkeiten von Universal-Zugprüfmaschinen bezüglich verschiedener Gewebe- und Compositarten unter Nutzung von Open-Source-Ansätzen und mittels per Rapid Prototyping einfach erzeugbarer oder heute zahlreich verfügbarer Artefakte aufwandsarm zu erweitern, um die Datenbasis von Bauchgeweben zu vergrößern.

Im Rahmen des Projekts werden Zugprüfmaschinen um messfunktions-adaptierte Greifer ergänzt und es wird preiswerte Hardware für die Videoanalyse sowie Open-Source-basierte Software zur lokalen Spannungs-/Dehnungsanalyse an Weichgeweben entwickelt. So gelingen mehrkanalige, mit den Daten der Messmaschine synchronisierte Videoaufnahmen aus verschiedenen Winkeln. Dabei werden die verschiedenen Gewebe ohne vorherige optische Präparation der Oberflächen anhand ihrer inhärenten lokalen Farbeigenschaften ausgewertet.

Im Rahmen einer Verifikation mit Surrogat-Videos wird die Genauigkeit des Videoansatzes getestet. Dabei werden die einzelnen Fehlerquellen Pixelauflösung, Tracking-Algorithmus und Fehlerfortpflanzung qualitativ und quantitativ herausgearbeitet und dargestellt. Eine abschließende Validierungsmessung mit anschließender Auswertung zeigt, dass sich die real aufgenommenen Datensätze in Gewebe- und Fadenzugsimulationen (digitaler Zwilling) gut einsetzen lassen. Die Konstruktion der Greifer, Zeitmarker, Messmaschinensynchronisation sowie die Algorithmik der Videofilterung und -auswertung mit Open-Source-Frameworks sind auf GitHub verfügbar.

Fazit: Über Open-Source-Ansätze und typischerweise vorhandene Hardware kann es einer breiten Forschungsgemeinschaft gelingen, mit Standard-Zugprüfmaschinen den Datenbestand von Einzelgeweben und Composites an verschiedenen Orten der Bauchdecke zu verbessern. Letztlich sind die über den Gesamtbauch verfügbaren Gewebeparameter eine entscheidende Basis für die verbesserte Modellierung des Nahtversagens.