Новости

Dec 05, 2023

Исследование раскрывает механику идеального хирургического вмешательства

Исследователи EPFL опубликовали первое исследование по

Исследователи EPFL опубликовали первое исследование механики хирургических узлов, результаты которого могут быть использованы для обучения хирургов навязыванию более прочных и безопасных швов – навыку, для освоения которого обычно требуются годы практики.

Федеральный технологический институт в Лозанне

На фото: Хирургический узел, завязанный на жесткой опорепосмотреть больше

Фото: Ален Херцог / EPFL

Вспомните, когда вы в последний раз завязывали шнурки: возможно, вы завязывали их туго или завязывали несколько узлов, чтобы шнурки не развязались. Вероятно, вы полагались на интуицию, которая подсказала вам, какое натяжение нужно приложить, чтобы шнурки не развязались, но не тянуть достаточно сильно, чтобы их разорвать.

Возможно, это удивительно, но хирурги также используют интуитивный подход к завязыванию швов. Хотя в хирургии часто используются простые квадратные и бабушкиные скользящие узлы, требуются годы, чтобы освоить их, чтобы они оставались на месте, не ослабляясь и не ломаясь. Было проведено много математических исследований по топологии и геометрии узлов, но мало что известно о механике узлов в контексте физических переменных, таких как свойства материала завязанных нитей.

«Удивительно думать, как сильно мы полагаемся на узлы, хотя на самом деле не понимаем, как они работают», — говорит Педро Рейс, руководитель лаборатории гибких конструкций Инженерной школы (Института машиностроения). Рейс и аспирант Пол Йоханнс объединились с пластическим хирургом из Лозанны Самией Герид, чтобы провести первое физическое исследование, недавно опубликованное в журнале Science Advances, о механике хирургических узлов и о том, какие именно свойства влияют на их прочность.

«Понимание механики хирургических узлов может повысить осведомленность опытных хирургов, быть включено в программы обучения и способствовать развитию роботизированной хирургии, обеспечивая более эффективные возможности завязывания узлов», — говорит Гуерид. «Такие знания могут также повлиять на разработку шовных материалов, которые повышают сопротивление скольжению в скользящих узлах».

Сила пластичности

Рейс, заядлый альпинист, лично интересуется надежными узлами и уже провел несколько исследований механики узлов. Он объясняет, что многие узлы можно описать как структуры со свободными концами, которые обеспечивают удерживающую силу, а их функциональность определяется переменными топологии, геометрии, упругости, контакта и трения. Но при изучении хирургических узлов Рейс и его коллеги рассмотрели ключевой шестой фактор: пластичность полимера шовной нити.

Прочность нитей из полипропиленовых нитей, используемых в хирургии, зависит от натяжения, приложенного при завязывании узла (преднатяжения). Это натяжение постоянно деформирует или растягивает нить, создавая удерживающую силу. Слишком малое натяжение приводит к тому, что узел развязывается; слишком сильно порвет нить.

Команда проанализировала 50-100 узлов, завязанных Гуэрид, и обнаружила, что хирург, благодаря своему многолетнему опыту, смогла интуитивно нацелиться на претенциозную «золотую середину». Используя прецизионные эксперименты, рентгеновскую микрокомпьютерную томографию и компьютерное моделирование, ученые определили порог между «слабыми» и «тугими» узлами и выявили взаимосвязь между прочностью узла и его натяжением, трением и количеством забросов.

«Удивительно, но, несмотря на сложное взаимодействие между всеми шестью факторами, мы наблюдали простое и устойчивое поведение в отношении прочности узла. Но у нас до сих пор нет прогнозирующей модели, которая могла бы полностью объяснить взаимосвязь между натяжением узла и прочностью, которая кажется последовательным, даже за пределами хирургических узлов. Мы уже изучаем этот вопрос».

Учебный инструмент для хирургов… и роботов

Выводы группы могут стать ценным инструментом для обучения хирургов, поскольку они позволят преобразовать параметры надежного узла в практические рекомендации. Хотя опыт будет оставаться важным, идея заключается в том, что безопасному завязыванию узлов можно научить с помощью прогнозирующих моделей, а не интуиции, полученной только в результате многолетней практики.