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Dec 05, 2023

Studie enthüllt Mechanismen des idealen chirurgischen Eingriffs

EPFL-Forscher haben eine erste Studie dazu veröffentlicht

EPFL-Forscher haben eine erste Studie über die Mechanik chirurgischer Knoten veröffentlicht. Die Ergebnisse könnten dazu genutzt werden, Chirurgen darin zu schulen, stärkere und sicherere Nähte zu binden – eine Fähigkeit, deren Beherrschung normalerweise jahrelange Übung erfordert.

Eidgenössische Technische Hochschule in Lausanne

Bild: Chirurgischer Knoten, gebunden an einer starren Unterlagemehr sehen

Bildnachweis: Alain Herzog / EPFL

Denken Sie an das letzte Mal, als Sie Ihren Schuh zugebunden haben: Vielleicht haben Sie ihn fest zugebunden oder mehrere Knoten gemacht, um sicherzustellen, dass sich die Schnürsenkel nicht lösen. Sie haben sich wahrscheinlich auf Ihre Intuition verlassen, um zu sagen, wie viel Spannung Sie aufbringen müssen, um zu verhindern, dass sich die Schnürsenkel lösen, ohne stark genug zu ziehen, um sie zu zerbrechen.

Es überrascht vielleicht, dass Chirurgen auch beim Verknoten von Nähten einen intuitiven Ansatz verfolgen. Während in der Chirurgie häufig einfache quadratische und Granny-Schiebeknoten verwendet werden, dauert es Jahre, sie so zu beherrschen, dass sie an Ort und Stelle bleiben, ohne sich zu lösen oder zu brechen. Zur Knotentopologie und -geometrie wurde viel mathematische Forschung betrieben, über die Knotenmechanik im Zusammenhang mit physikalischen Variablen, wie den Materialeigenschaften geknoteter Filamente, ist jedoch wenig bekannt.

„Es ist erstaunlich, wie sehr wir uns auf Knoten verlassen, wenn wir nicht wirklich verstehen, wie sie funktionieren“, sagt Pedro Reis, Leiter des Flexible Structures Lab an der School of Engineering (Institut für Maschinenbau). Reis und Doktorand Paul Johanns haben sich mit der in Lausanne ansässigen plastischen Chirurgin Samia Guerid zusammengetan, um eine erste physikalische Studie – kürzlich in Science Advances veröffentlicht – über die Mechanik chirurgischer Knoten und die genauen Eigenschaften, die ihre Festigkeit beeinflussen, durchzuführen.

„Das Verständnis der Mechanik chirurgischer Knoten kann das Bewusstsein erfahrener Chirurgen schärfen, in Schulungsprogramme integriert werden und die Roboterchirurgie voranbringen, indem es effektivere Knotenbindungsfähigkeiten ermöglicht“, sagt Guerid. „Solche Erkenntnisse könnten auch die Entwicklung von Nahtmaterialien beeinflussen, die die Rutschfestigkeit bei Gleitknoten erhöhen.“

Die Kraft der Plastizität

Reis, ein begeisterter Kletterer, hat ein persönliches Interesse an sicheren Knoten und hat bereits mehrere Studien zur Knotenmechanik durchgeführt. Er erklärt, dass viele Knoten als Strukturen mit freien Enden beschrieben werden können, die eine Haltekraft bereitstellen und deren Funktionalität durch die Variablen Topologie, Geometrie, Elastizität, Kontakt und Reibung bestimmt wird. Für die Untersuchung chirurgischer Knoten berücksichtigten Reis und seine Kollegen jedoch einen sechsten Schlüsselfaktor: die Polymerplastizität des Nähfadens.

Die Festigkeit von Nahtmaterial aus Polypropylen-Filamenten, das in der Chirurgie verwendet wird, hängt von der beim Knüpfen des Knotens ausgeübten Spannung (Vorspannung) ab. Durch diese Vorspannung wird das Filament dauerhaft verformt bzw. gedehnt, wodurch eine Haltekraft entsteht. Zu wenig Vorspannung führt dazu, dass sich der Knoten löst; zu viel reißt das Filament.

Das Team analysierte 50–100 von Guerid geknüpfte Knoten und stellte fest, dass die Chirurgin dank ihrer jahrelangen Erfahrung in der Lage war, den „Sweet Spot“ der Vorspannung intuitiv anzuvisieren. Mithilfe von Präzisionsexperimenten, Röntgen-Mikrocomputertomographie und Computersimulationen definierten die Wissenschaftler eine Schwelle zwischen „lockeren“ und „festen“ Knoten und deckten Zusammenhänge zwischen Knotenstärke und -vorspannung, Reibung und Anzahl der Würfe auf.

„Überraschenderweise haben wir trotz des komplexen Zusammenspiels aller sechs Faktoren ein einfaches, robustes Verhalten in Bezug auf die Knotenfestigkeit beobachtet. Aber wir haben immer noch kein Vorhersagemodell, um die Beziehung zwischen Knotenvorspannung und -festigkeit vollständig zu erklären scheint konsistent zu sein, auch außerhalb chirurgischer Knoten. Wir gehen dieser Frage bereits nach.“

Ein Trainingsgerät für Chirurgen … und Roboter

Die Erkenntnisse des Teams könnten ein wertvolles Hilfsmittel für die Ausbildung von Chirurgen sein, da sie es ermöglichen könnten, die Parameter eines sicheren Knotens in praktische Richtlinien umzusetzen. Während Erfahrung weiterhin wichtig bleibt, besteht die Idee darin, dass sicheres Knotenbinden mithilfe von Vorhersagemodellen und nicht durch Intuition, die nur durch jahrelange Übung erworben wurde, gelehrt werden könnte.

„Unsere Daten geben uns ein Rezept, um beispielsweise abhängig von der Art des verwendeten Filaments die ideale Vorspannung und Wurfzahl zu ermitteln“, sagt Reis

„Der Mangel an physikbasierter Analyse war eine Einschränkung“, fügt Guerid hinzu. „Quantifizierbare Daten zur Knotenmechanik könnten in Trainingsprogramme integriert werden, um die Zugfestigkeit jedes Knotens zu bewerten und so sicherzustellen, dass die Auszubildenden die notwendigen Fähigkeiten für erfolgreiche Operationen erwerben. Die Daten könnten auch die Entwicklung der Roboterchirurgie durch die Programmierung von Robotersystemen erleichtern.“

Wissenschaftliche Fortschritte

10.1126/sciadv.adg8861

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7. Juni 2023

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