Das VISE-Team arbeitet an der Entwicklung eines 3D-Navigationssystems zur besseren Behandlung von Nierensteinen

von Jill Clendening

Ein multidisziplinäres Team am Vanderbilt Institute for Surgery and Engineering (VISE) arbeitet an der Entwicklung eines Echtzeit-Navigationssystems, um nach einer Nierensteinoperation zurückgebliebene Steinfragmente zu reduzieren.

Von den 100.000 Patienten, die sich in den Vereinigten Staaten jedes Jahr einer endoskopischen Nierensteinentfernung unterziehen, müssen 25 % innerhalb von 20 Monaten erneut operiert werden. Dies ist fast immer auf zurückgebliebene Steinfragmente zurückzuführen, die zu einer Verstopfung des Harnleiters, einer Harnwegsinfektion und einer Nierenschädigung führen können. Nach Angaben der National Kidney Foundation wird geschätzt, dass jeder zehnte Mensch irgendwann in seinem Leben einen Nierenstein hat.

„Wir hoffen, die chirurgische Versorgung von Nierensteinpatienten zu verändern“, sagte der stellvertretende Studienleiter Nicholas Kavoussi, MD, Assistenzprofessor für Urologie am Vanderbilt University Medical Center. „Bei der endoskopischen Steinchirurgie muss der Chirurg das gesamte Nierensammelsystem visualisieren, um jeden Nierenstein zu lokalisieren, und dabei gibt es viele Herausforderungen. Während der Operation können Blut oder Fremdkörper das ohnehin schon begrenzte Sichtfeld verdecken. Um erfolgreich durch das Nierensammelsystem navigieren zu können, muss der Chirurg außerdem gedanklich ein 3D-Modell der Anatomie des Patienten aus präoperativen 2D-Computertomographiebildern (CT) erstellen.

„Während eines chirurgischen Eingriffs können Nierensteine ​​fragmentieren und verstreuen, was die intraoperative Nachverfolgung zusätzlich erschwert. Wir glauben, dass ein Navigationssystem während der Steinoperation die Steinfreiheitsrate verbessern und so wiederkehrende Operationen und Komplikationen aufgrund von Restfragmenten reduzieren kann.“

Durch die Überlagerung eines 3D-Modells der präoperativen Bildgebung eines Patienten und deren Aktualisierung während der Operation ermöglicht die resultierende Navigationskarte dem Chirurgen eine genauere Verfolgung von Steinen und Steinfragmenten. Das erste Navigationssystem seiner Art soll Steinfragmente mit einem Durchmesser von weniger als 250 Mikrometern identifizieren, eine Größe, die normalerweise als Staub gilt, und der dann entfernt werden kann, um zukünftige Probleme zu lindern. Das Navigationssystem ist so konzipiert, dass es mit vorhandenen endoskopischen chirurgischen Kameras zusammenarbeitet und eine Integration in jedes verwendete chirurgische System ermöglicht.

Co-Hauptforscher Ipek Oguz, PhD, Assistenzprofessor an der Fakultät für Informatik der Vanderbilt University, ist Experte für maschinelles Lernen/Deep-Learning-Methoden für die Segmentierung medizinischer Bilder. Sie und ihr Team werden die während der Studie gewonnenen Videos und Bilder analysieren, um die Wirksamkeit des neuen Systems und die Auswirkungen auf die Patientenergebnisse zu bestimmen.

„Am Ende unserer zweijährigen Studie gehen wir davon aus, dass wir die erforderlichen Daten gesammelt haben, um eine groß angelegte, multizentrische Studie zur Bewertung der Ergebnisse von Nierensteinentfernungsoperationen mit und ohne Navigationssystem zu rechtfertigen“, sagte Oguz. „Darüber hinaus ist unser System verallgemeinerbar, sodass zukünftige Forscher, die automatisierte Tracking- und Videosegmentierungssysteme entwickeln, unseren grundlegenden Ansatz möglicherweise auch auf andere endoskopische Operationen anwenden könnten.“

Die Abteilung für Urologie verfügt über eine aktive Nierensteinpraxis, in der jede Woche mehr als 60 Patienten mit Nierensteinen behandelt werden. In der Region dient VUMC als tertiäres Überweisungszentrum für Patienten mit komplexen Nierensteinen.

„Ich habe aus erster Hand gesehen, welche Auswirkungen wiederholte Operationen auf Patienten haben, wenn verbleibende Nierensteinfragmente Komplikationen verursachen“, sagte Kavoussi. „Sie sind normalerweise frustriert, haben oft Schmerzen und das Letzte, was sie wollen, ist ein weiterer Eingriff. Wenn man dazu noch die verlorene Zeit bei der Arbeit und bei den täglichen Aktivitäten hinzurechnet, ist es leicht zu verstehen, warum dies eine chirurgische Herausforderung ist, die wir lösen müssen.“

VISE ist eine interdisziplinäre, transinstitutionelle Struktur, die die Interaktion und den Austausch zwischen Ingenieuren und Ärzten erleichtern soll. Seine Mission ist die Schaffung, Entwicklung, Implementierung, klinische Bewertung und Übersetzung von Methoden, Geräten, Algorithmen und Systemen, die darauf ausgelegt sind, interventionelle Prozesse und deren Ergebnisse zu erleichtern.

Diese Forschung wird vom National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (R21DK133742) unterstützt. VISE leistete zunächst Unterstützung für dieses Projekt durch einen Doctor-in-Residence-Preis an Kavoussi und Oguz, der für die Durchführung vorläufiger Studien genutzt wurde.