Fluiddynamik immersiv: Blutfluss modellieren und Behandlung verbessern

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Forschende an der Duke University entwickeln einen Simulator für Fluiddynamik, der den Blutfluss im Arteriensystem in subzellulärer Auflösung modelliert.

Forschende der Biomedizin an der Duke University entwickeln einen Simulator für Fluiddynamik, der den Blutfluss durch das gesamte menschliche Arteriensystem mit subzellulärer Auflösung modellieren kann. Eines der Ziele dabei ist es, Ärzten bei ihren Behandlungsplänen zu unterstützen. Das System soll es ermöglichen das spezifische Gefäßsystem eines Patienten zu simulieren und genau vorherzusagen, wie sich Entscheidungen wie das Einsetzen von Stents, das Einführen von Conduits und andere Veränderungen des Blutflusses auf das Operationsergebnis auswirken werden.

Eine der größten Hürden für die klinische Anwendung ist jedoch die Entwicklung einer Benutzeroberfläche, die es den Ärzten ermöglicht, ihre Optionen zu analysieren, ohne dass sie dafür Fachwissen in der Informatik benötigen. Jeder Programmierer kann bezeugen, dass eine Benutzerschnittstelle, die von Menschen mit unterschiedlichem Hintergrund schnell erlernt werden kann, schwierig zu entwickeln ist.

Benutzerschnittstelle für HARVEY, Simulationstool für den Blutfluss

In einer neuen Studie, die am 7. Mai im Journal of Computational Science veröffentlicht wurde, berichten die Duke-Forscher über ihren ersten Versuch, eine Benutzerschnittstelle für ihr Simulationstool für den Blutfluss HARVEY zu entwickeln. Sie untersuchten verschiedene Schnittstellen, die von Standard-Desktop-Bildschirmen bis hin zu immersiven Virtual-Reality-Szenarien reichten, und stellten fest, dass die Benutzer zwar mit einer Standardmaus und -tastatur gut zurechtkommen, dass aber einige fortschrittlichere Schnittstellen für breitere Akzeptanz sorgen könnten.

"HARVEY erfordert derzeit Kenntnisse der C-Programmierung und der Kommandozeilen-Eingabe, was die Nutzungsmöglichkeiten des Programms wirklich einschränkt", sagte Amanda Randles, Professorin für Biomedizinische Wissenschaften an der Duke University. "Dieses Papier stellt eine von uns entwickelte grafische Benutzeroberfläche namens Harvis vor, so dass jeder HARVEY verwenden kann, egal ob es sich um Chirurgen handelt, die versuchen, die beste Platzierung für einen Stent herauszufinden, oder um biomedizinische Forscher, die versuchen, einen völlig neue Art von Stent zu entwerfen".

Blutfluss patientenspezifisch und genau modellieren

Randles hat den HARVEY-Code seit fast einem Jahrzehnt entwickelt, nachdem sie die Arbeit als Doktorandin in der Forschungsgruppe von Efthimios Kaxiras, Professor für theoretische und angewandte Physik an der Harvard University, aufgenommen hatte. In dieser Zeit hat sie gezeigt, dass HARVEY den Blutfluss durch patientenspezifische Aorten und andere Gefäßgeometrien in größeren Skalen genau modellieren kann. Sie hat auch gezeigt, dass das Programm 3D-Blutflüsse in der Größenordnung des gesamten menschlichen Körpers modellieren kann.

Durch die Anwendung von HARVEY hat Randles den Forschenden geholfen, die Stent-Behandlung von Aneurysmen im Gehirn und das Wachstum dieser Aussackungen von Blutgefäßen zu verstehen. Sie hat einen schnellen, nicht-invasiven Weg geschaffen, um periphere Arterienerkrankungen zu erkennen und besser zu verstehen, wie zirkulierende Krebszellen an verschiedenen Geweben anhaften. Ermutigt durch stetige Fortschritte bei den rechnerischen Fähigkeiten des Codes und nachgewiesenem Nutzen in realen Anwendungen arbeitet Randles nun daran, dass auch andere diese Möglichkeiten optimal einsetzen können.

"Da Herz-Kreislauf-Erkrankungen nach wie vor die Todesursache Nummer eins in den USA sind, bleibt die Fähigkeit, Behandlungsplanung und Ergebnisse zu verbessern, eine bedeutende Herausforderung", sagt Randles. "Angesichts der Leistung und Verfügbarkeit von VR/AR-Geräten müssen wir verstehen, welche Rolle diese Technologien bei der Interaktion mit solchen Daten spielen können. Diese Forschung ist ein dringend notwendiger Schritt für die Entwicklung zukünftiger Software zur Bekämpfung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen".

Test mit drei verschiedenen Szenarien

In der neuen Studie stellen Randles und ihre Kollegen aus der biomedizinischen Technik, der wissenschaftliche Mitarbeiter Harvey Shi und der Doktorand Jeff Ames, die von ihnen entwickelte Harvis-Schnittstelle auf den Prüfstand. Sie baten Medizinstudenten und biomedizinische Forscher, drei verschiedene Situationen zu simulieren -- das Placieren eines Conduits zwischen zwei Blutgefäßen, die Erweiterung oder Verkleinerung eines Blutgefäßes oder die Placierung eines Stents innerhalb eines Blutgefäßes. Die Testanwender versuchten, diese Aufgaben entweder mit einer Standardmaus und einem Computerbildschirm, mit einem semi-immersiven "Z-Space"-VR-Gerät oder mit einer vollständig immersiven Virtual-Reality-Szenario mit einem HTC Vive-Anzeigegerät zu lösen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Studenten und Forscher in der Mehrzahl der Fälle sowohl quantitativ als auch qualitativ die Standard-Maus- und Tastaturschnittstelle und die vollständig immersive VR-Schnittstelle gleich gut nutzen konnten. Das semi-immersive Display, eigentlich ein spezielles Zeigegerät in Kombination mit einem Monitor und einer 3D-Brille, rangierte jedoch hinter den beiden anderen Optionen, da die Benutzer mit der einzigartigen Hardware-Konfiguration und Steuerung eher zu kämpfen hatten.

Die Studie stellt auch eine verallgemeinerbare Design-Architektur für andere simulierte Arbeitsabläufe vor und beschreibt detailliert die Gründe für das Design von Harvis, das sich auf ähnliche Plattformen erweitern lässt.

Immersive Schnittstelle gefällt den Anwendern besser

Während die Studie keine großen Unterschiede zwischen den am meisten und den am wenigsten immersiven Schnittstellen in Bezug auf Qualität und Effizienz feststellen konnte, stellte Randles einen großen Unterschied zwischen den Reaktionen der Benutzer auf die Geräte fest. "Den Leuten gefiel die 3D-Schnittstelle besser", sagte Randles. "Und wenn sie sich damit wohler fühlen, werden sie dies auch eher nutzen. Es könnte auch eine unterhaltsame und aufregende Art und Weise sein, Schüler in Kursen über das Gefäßsystem und die Hämodynamik aktiv einzubinden."

Randles sagt, sie plane Experimente, die eruieren sollen, ob ihre 3D-Schnittstelle für den Blutfluss Medizinstudenten helfen kann, wichtiges Wissen besser als mit den herkömmlichen Vermittlungsmethoden zu behalten. In Zukunft könnten solche Werkzeuge die Behandlungsplanung unterstützen, beispielsweise beim Einsetzen von Stents unter Verwendung einer intuitiveren Virtual-Reality-Schnittstelle. Randles erwartet auch, dass derartige Lösungen die biomedizinische Forschung voranbringen werden.

Bild oben: Der Forscher Harvey Shi demonstriert eine neue Virtual-Reality-Schnittstelle, mit der Ärzte schon bald medizinische Entscheidungen treffen könnten, etwa wo sie Stents patientenbezogen einsetzen.

Weitere Informationen: https://www.duke.edu/

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