Chirurg en ingenieur: een ongewone samenwerking?

Een chirurgische ingreep, volledig aangepast aan de unieke anatomie en aan de specifieke noden van iedere patiënt: iets voor de verre toekomst? Gedurende mijn thesisjaar ontwikkelde ik een computermodel van een menselijke schedel om een chirurgische ingreep van het bovenkaakbeen te onderzoeken. In de toekomst kan dit soort onderzoek evolueren tot een semiautomatisch proces waarbij chirurgen, met behulp van CT-scans, de optimale chirurgische procedure kunnen bepalen. Hierdoor kunnen patiënten de beste klinische hulp krijgen.

Een ongewone samenwerking

Alhoewel België tot de absolute top behoort op vlak van gezondheidszorg, is er toch steeds ruimte voor verbetering. Voor bepaalde chirurgische ingrepen is in wetenschappelijke literatuur geen consensus over de optimale methode, en lijkt de behandeling vooral af te hangen van de expertise en de ervaring van de chirurg. Een overduidelijk voorbeeld hiervan is een operatieve ingreep waarbij de bovenkaak wordt verbreed. Tot op heden bestaat er geen conclusie in de klinische literatuur over de optimale methode en welke invloed bepaalde stappen in het proces hebben op het eindresultaat.

Gedurende mijn thesisjaar heb ik, in samenwerking met UZ-Gent, onderzoek uitgevoerd naar een specifieke chirurgische ingreep, namelijk de surgically assisted rapid palatal expansion (SARPE), ook gekend als een bovenkaakverbreding. De ingreep bestaat in eerste instantie uit het losmaken van de bovenkaak van de rest van het aangezicht. Om de bovenkaak effectief te verbreden wordt er gebruikgemaakt van een expansietoestel dat wordt aangebracht op het gehemelte van de patiënt. Dit toestel wordt steeds meer opgespannen, waarbij de twee helften van het bovenkaakbeen langzaam expanderen tot de gewenste breedte.

Er is onder de chirurgen wereldwijd veel discussie over de optimale positie van dit toestel, alsook over welke chirurgische osteotomieën (orthopedische ingrepen waarbij een stuk bot wordt doorgenomen) het belangrijkste zijn om tot een gecontroleerde expansie te komen. Aangezien het belangrijk is om de veiligheid van patiënten niet in gedrang te brengen, kan men moeilijk de invloed van bepaalde stappen uittesten op personen. Om deze reden kan het belangrijk zijn om aan de hand van computermodellen bepaalde nieuwe operaties te simuleren en te kijken wat het effect is van bepaalde handelingen tijdens de operatie.

Computermodel van de menselijke schedel

Het eerste doel van dit onderzoek was om na te gaan of er een correct biomechanisch computermodel kan opgesteld worden die de realiteit van de chirurgische ingreep goed kan benaderen. Om dit te bekomen, werd er eerst aan de hand van een CT-scan de unieke anatomie van de patiënt beschouwd, en kon er een digitaal 3D-model gebouwd worden met behulp van specifieke software.

Aangezien een schedel een complexe geometrie heeft werd de chirurgische ingreep gesimuleerd aan de hand van een eindige elementen analyse. Dit houdt in dat het computermodel van de schedel opgedeeld wordt in miljoenen tetraëders, en dat voor elk van deze tetraëders een ingewikkelde vergelijking wordt opgelost die het verband tussen verplaatsing, kracht en spanning weergeeft. Als oplossing van deze complexe berekeningen kan men de verplaatsing van en de spanning in elk van deze tetraëders bekomen.

Het onderzoek

Eens het digitale 3D-model van de schedel opgesteld en getest was, was het belangrijk om tot klinisch relevante data te komen. Aangezien er onzekerheid is bij chirurgen over de ideale positie van het expansietoestel, werd eerst dit onderzocht. Uit de resultaten blijkt dat de positie van dit toestel verregaande gevolgen heeft voor het expansieprofiel van de verbreding van de kaak. Afhankelijk van de initiële misvorming, die uniek is bij iedere patiënt, moet dit toestel anders gepositioneerd zijn op het gehemelte. Deze resultaten tonen direct aan dat een algemene methode onmogelijk voor iedereen tot optimale resultaten zou leiden, en dat er steeds een unieke ingreep nodig is afhankelijk van de noden van de patiënt.

Een tweede parameter die werd onderzocht is de aanwezigheid van bepaalde osteotomieën (orthopedische ingreep waarbij een stuk bot wordt doorgenomen). Wederom werd ondervonden dat afhankelijk van de aanwezigheid van bepaalde osteotomieën een compleet ander expansieprofiel van de bovenkaak bekomen wordt. Afhankelijk van de noden en de specifieke anatomie van de schedel van de patiënt moeten de chirurgen dus een aangepaste ingreep uitvoeren. Een patiëntspecifieke chirurgische ingreep zal steeds de optimale zijn, en aan de hand van computersimulaties kan men nauwkeurig bepalen wat de uitkomst van de ingreep is vooraleer men deze heeft uitgevoerd. Dit zal dan leiden tot verbeterde en preciezere resultaten, zonder dat hierbij moet geëxperimenteerd worden op patiënten. Dit zal zorgen voor een lagere prevalentie van veelvoorkomende complicaties.

En nu?

Dit onderzoek kan gezien worden als startschot voor een verregaande samenwerking tussen chirurgen en biomechanische ingenieurs. Het is duidelijk dat beide disciplines nodig zijn om onze gezondheidszorg te versterken en betere behandelingen te vinden. Aan de ene kant zijn simulaties een sterk middel om te experimenteren met behandelingen zonder hierbij de patiënt potentieel te schaden. Er is echter ook steeds klinische input nodig van chirurgen en artsen, om er zeker van te zijn dat de juiste klinische vraagstukken gesimuleerd en opgelost worden, en dat deze ook op een juiste manier geïnterpreteerd worden.

De eerste resultaten van deze samenwerking tonen onmiddellijk aan dat er op dit moment nog heel wat verbeteringen mogelijk zijn op vlak van patiëntspecifieke behandelingen. Verdere research kan de invloed van nog andere parameters onderzoeken en meerdere schedels kunnen onderzocht worden. Op deze manier zou er een handleiding opgesteld kunnen worden om de chirurgen te assisteren in het kiezen van een bepaalde behandeling.

In de verdere toekomst zouden veel van deze stappen ook geautomatiseerd kunnen worden, en de werkwijze zou kunnen uitgebreid worden naar andere toepassingen binnen de gezondheidszorg (ontwerp van implantaten en andere chirurgische ingrepen). Na het nemen van de CT-scans zouden de simulaties automatisch kunnen verlopen, waarbij de chirurg enkel nog de resultaten van de simulaties moet interpreteren en op basis hiervan de optimale ingreep selecteert. Op deze manier kan elk individueel geval op een systematische manier geëvalueerd worden en kunnen de beste resultaten bereikt worden. Zo kan de samenwerking tussen disciplines leiden tot een revolutie in de gezondheidszorg, waarbij patiënt specifieke behandelingen de nieuwe norm worden.