Engineering-ein neues Gesicht nach Verletzung

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Heute stehen Chirurgen viele Einschränkungen, wenn es darum geht, ein Patient, der leidet an einer schweren kraniofazialen Verletzung oder eine Verletzung im Zusammenhang mit dem Schädel und Gesicht. In den meisten Fällen ist ein Ergebnis von Krebs oder Krieg-in Verbindung stehende Umstände, die Verletzung sowohl psychisch und physisch schädlich.

Wird der Patient jemals ihr Aussehen wieder erholen? Oder mehr wiederherstellen wichtiger ist, ihre Fähigkeit zu sprechen, atmen oder wieder richtig essen?

Wiederaufbau der zarten Gesichts Knochenstruktur des Individuums ist ein kompliziertes Verfahren. Der Chirurg baut einen Gesicht Rahmen mit Knochen aus anderen Teilen des Körpers (Eigengewebe genannt), zur Gewährleistung der Funktionalität der spezialisierte Organe verantwortlich für wichtige Rollen wie Atmen, sehen, Kommunikation und Essen. Da gibt es keine analoge Knochenstrukturen auf das Gesicht einer Person, richtet sich das Verfahren nach Erfahrung und Geschick. Als Glaucio Paulino erzeugen Programmdirektorin für Mechanik der Werkstoffe bei der National Science Foundation, zur Kenntnis genommen, dieses Verfahren nicht immer das gewünschte Ergebnis.

"Die Mitte des Gesichts ist der aufwendigste Teil des menschlichen Skeletts," sagte Paulino. "Was die Rekonstruktion komplizierter macht, ist die Tatsache, die die Knochen sind hoch spezialisiert und befindet sich in einer Region, die sehr anfällig für Verunreinigungen durch Bakterien, kleine, zarte,."

Gesichtsknochen sind einzigartig und Knochengewebe extrahiert aus verschiedenen Teilen des Körpers, wie die Knochen des Unterarms die Verwendung, ist nicht die effektivste Form der Erholung.

"Der Patient kann verbessert werden, aber noch erhebliche Missbildung leiden", sagte Paulino.

Mathematischen Medizin

Im Gegensatz dazu ist topologische Optimierung eine machbare Alternative um solche Erholung zu ermöglichen.

Topologische Optimierung ist nicht in den OP-Raum – es ist eine mathematische Methode, die verwendet gegeben Lasten, die einwirkende Kraft auf eine Fläche und Randbedingungen oder räumlichen Grenzen, um eine bestimmte Struktur Layout zu optimieren. Stellen Sie sich vor einem Gebäude-Raster, in dem Sie bestimmen können, wo es Material sein sollte und wo, sollte es nicht. Darüber hinaus können Sie ausdrücken, Belastungen und Auflager, die bestimmte Teile dieser Block von Material beeinflussen würde. Ihre endgültige Ergebnis ist eine optimierte Struktur, die Ihre bestehenden Einschränkungen entspricht.

Diese mathematische Methode wird erfolgreich eingesetzt, Raumschiffe und Flugzeuge zu entwickeln. Der Airbus 380-Flügel wurde beispielsweise mit topologische Optimierung entwickelt. Umfangreicher Forschung ist heute im Gange topologische Optimierung für das Engineering von künftigen Hochhäuser gelten. Paulino ist verantwortlich für einige der jüngsten Fortschritte in diesem Bereich.

Alok Sutradhar zusammen mit Michael Miller von der Ohio State University Medical Center und Tam Nguyen, aus der Abteilung der Civil and Environmental Engineering an der University of Illinois studiert Paulino wie topologische Optimierung in den Operationssaal zu bringen. Mit der jüngsten Fortschritte in der Gewebetechnik glaubt Paulino, dass die Methode zum Patienten bestimmte Knochen Rahmen zu konstruieren.

"Die zentrale Idee ist, eine Technik, die für den jeweiligen Patienten zugeschnitten ist. Es ist nicht eine Formel, die alle passt. Menschen sind verschieden, daher können nicht Sie haben eine Lösung für alle Patienten,"sagte Paulino.

Technik ein Gesicht

In einem Experiment untersucht Forscher die Schaffung einer dreidimensionalen Struktur für einen Patienten mit schweren Schussverletzungen Verletzungen. Nach der Auswahl einer Design-Domäne aus dem kraniofazialen Skelett, wurden unterstützt, Lasten und Hohlraum Abhängigkeiten (Gebiete mit keine Knochen, wie z. B. Augenhöhlen) angewendet. Topologische Optimierung generiert viele Gestaltungsmöglichkeiten der Patienten-spezifischen Anforderungen anpassen.

In diesem Video um zu sehen, den Prozess der Schaffung einer Struktur für einen Patienten mit schweren Schussverletzungen Verletzungen mit topologische Optimierung. Obwohl die Ergebnisse nicht unbedingt die natürlichen Knochenstruktur ähneln, würde sie die vitalen Funktionen des Gesichts Organe bewahren, und bietet eine sichere Plattform für Prothetik und plastische Chirurgie.

Der Prozess "Chirurgen ihre Alternativen zeigen, bevor Sie in den Operationssaal gehen", sagte Paulino.

Im Moment würde solche Strukturen aufgebaut werden, mit Titan, die leicht und robust ist. Leider kann Titan Infektionen verursachen, weil es dem Körper fremd ist. Mit künftigen Fortschritte in der Gewebetechnik jedoch ist Formen menschlichen Knochengewebe in eine Struktur eine Möglichkeit. Forscher werden noch untersucht, um sicherzustellen, dass die Knochenstruktur, die durch diesen Prozess, ein lebendes Gewebe, erstellt die gewünschte Form nach in den Patienten implantiert beibehalten wird.

Paulino und sein Team von Forschern hoffe weiterhin übersetzen geltenden Konzepte zwischen verschiedenen Bereichen wie Technik und Medizin, innovative Entdeckungen zu machen. Mit der Entwicklung der Gewebetechnik und topologische Optimierung, in Zukunft werden hoffentlich vollständige Erholung von kraniofazialen Verletzungen ein Routineverfahren in die OP-Raum.

Anmerkung der Redaktion: Diese Forschung wurde unterstützt durch die National Science Foundation (NSF), die Bundesagentur für angeklagt Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Sehen den Blick hinter die Kulissen Archiv.