Wissenschaftler der EPFL haben eine erste Studie über die Mechanik von chirurgischen Knoten veröffentlicht. Die Ergebnisse könnten dazu dienen, Chirurginnen und Chirurgen darin zu schulen, stärkere und sicherere Nähte herzustellen - eine Fähigkeit, deren Beherrschung in der Regel jahrelange Praxis erfordert.
Denken Sie an das letzte Mal, als Sie Ihre Schnürsenkel gebunden haben: Vielleicht haben Sie sie fest angezogen oder mehrere Knoten gemacht, um sicherzugehen, dass sie sich nicht lösen. Wahrscheinlich haben Sie sich auf Ihre Intuition verlassen, um zu wissen, wie viel Zug Sie ausüben müssen, damit sich die Schnürsenkel nicht lösen, ohne so stark zu ziehen, dass sie reißen.
Es mag überraschen, aber auch Chirurginnen und Chirurgen gehen bei der Herstellung von Nähten intuitiv vor. Obwohl einfache quadratische, fließende Knoten in der Chirurgie häufig verwendet werden, dauert es Jahre, bis man sie so beherrscht, dass sie an Ort und Stelle bleiben, ohne sich zu lockern oder zu reißen. Die Topologie und Geometrie von Knoten war Gegenstand zahlreicher mathematischer Untersuchungen, doch über die Mechanik von Knoten im Zusammenhang mit physikalischen Variablen, wie den Materialeigenschaften verknoteter Filamente, ist nur wenig bekannt.
"Es ist erstaunlich, dass wir uns auf Knoten verlassen, obwohl wir nicht wirklich verstehen, wie sie funktionieren", sagt Pedro Reis, Leiter des Labors für flexible Strukturen an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik (Institut für Maschinenbau). Pedro Reis und der Doktorand Paul Johanns haben sich mit der in Lausanne ansässigen plastischen Chirurgin Samia Guerid zusammengetan, um eine erste physikalische Studie - die kürzlich in Science Advances veröffentlicht wurde - über die Mechanik von chirurgischen Knoten und die genauen Eigenschaften, die ihre Festigkeit beeinflussen, durchzuführen.
"Das Verständnis der Mechanik chirurgischer Knoten kann die Aufmerksamkeit erfahrener Chirurginnen und Chirurgen auf sich ziehen, in Ausbildungsprogramme aufgenommen werden und die Roboterchirurgie voranbringen, indem es effizientere Knotenfähigkeiten ermöglicht", sagt Samia Guerid. "Diese Erkenntnisse könnten auch die Entwicklung von Nahtmaterialien beeinflussen, die den Widerstand gegen das Verrutschen in Gleitknoten verbessern."
Die Macht der Plastizität
Als leidenschaftlicher Kletterer hat Pedro Reis ein persönliches Interesse am Knüpfen sicherer Knoten und bereits mehrere Studien zur Knotenmechanik durchgeführt. Er erklärt, dass die meisten Knoten als freie Strukturen beschrieben werden können, die eine Haltekraft bereitstellen, wobei ihre Funktionalität von den Variablen Topologie, Geometrie, Elastizität, Kontakt und Reibung bestimmt wird. Für die Untersuchung chirurgischer Knoten berücksichtigten Pedro Reis und seine Kollegen jedoch einen sechsten Schlüsselfaktor: die Plastizität des Polymers des Nahtmaterials.
Die Festigkeit des in der Chirurgie verwendeten Nahtmaterials aus Polypropylenfilamenten hängt von der Spannung ab, die beim Anlegen des Knotens ausgeübt wird (Vorspannung). Diese Vorspannung verformt oder dehnt das Filament dauerhaft und erzeugt so eine Haltekraft. Bei zu geringer Spannung löst sich der Knoten auf, bei zu hoher Spannung reißt das Filament.
Das Team analysierte 50 bis 100 von Samia Guerid angefertigte Knoten und stellte fest, dass die Chirurgin aufgrund ihrer jahrelangen Erfahrung in der Lage war, den idealen Punkt der Vorspannung intuitiv zu treffen. Mithilfe von Präzisionsexperimenten, Röntgen-Mikrocomputertomographie und Computersimulationen definierten die Wissenschaftler einen Schwellenwert zwischen "lockeren" und "festen" Knoten und entdeckten Zusammenhänge zwischen Knotenfestigkeit und Vorspannung, Reibung und Anzahl der Umdrehungen.
"Überraschenderweise haben wir trotz der komplexen Interaktion zwischen den sechs Faktoren ein einfaches und solides emergentes Verhalten in Bezug auf die Knotenfestigkeit beobachtet. Aber wir haben immer noch kein Vorhersagemodell, mit dem wir den Zusammenhang zwischen Vorspannung und Knotenfestigkeit, die auch außerhalb chirurgischer Knoten konsistent zu sein scheint, vollständig erklären können. Wir denken bereits über diese Frage nach".
Ein Trainingstool für Chirurginnen und Chirurgen ... und Roboter
Die Erkenntnisse des Teams könnten eine wertvolle Hilfe für die Ausbildung von Chirurginnen und Chirurgen sein, da sich aus den Parametern eines sicheren Knotens praktische Richtlinien ableiten lassen. Auch wenn Erfahrung weiterhin wichtig ist, besteht die Idee darin, das sichere Knüpfen mithilfe von Vorhersagemodellen zu lehren, anstatt auf die Intuition zurückzugreifen, die erst nach jahrelanger Praxis erworben wird.
"Mithilfe unserer Daten können wir die ideale Vorspannung und die Anzahl der Umdrehungen bestimmen, z. B. je nach Art des verwendeten Filaments", sagt Pedro Reis.
"Das Fehlen einer auf Physik basierenden Analyse war eine Einschränkung", sagt Samia Guerid. "Quantifizierbare Daten zur Knotenmechanik könnten in die Ausbildungsprogramme aufgenommen werden, um die Zugfestigkeit jedes Knotens zu bewerten und sicherzustellen, dass die Auszubildenden die Fähigkeiten erwerben, die sie für erfolgreiche chirurgische Eingriffe benötigen. Diese Daten könnten auch die Entwicklung der robotischen Chirurgie durch die Programmierung von Robotersystemen fördern".
