print logo

Gjør leveren gjennomsiktig

Avanserte, matematiske beregninger gjør leveren gjennomsiktig. Da kan legen operere vekk svulster i leveren med kikhullskirurgi uten å treffe vitale blodårer.

KOBLER MEDISINSKE BILDER: Med dagens kikhullsteknologi ser ikke kirurgene de vitale blodårene i leveren. Ny matematisk programvare kan koble videobildene med medisinske bilder tatt før operasjonen, slik som CT, røntgen og PET. Da kan kirurgene se tvers igjennom organene i kroppen. Foto: SciencePhoto, Skjermbilde: Eigil Samset, Fotomontasje UiO

Nye matematiske beregninger vil gjøre det mulig for langt flere kirurger å utføre enda mer avanserte operasjoner med kikhullskirurgi.

Tenk deg at en pasient har svulst i leveren. Svulsten må fjernes. For å kunne benytte kikhullsteknikk, snittes tre små hull. Det ene hullet er for kameraet, de to andre for instrumenter som skalpell, tang og nålholder. Legen kan da styre kniven via et skjermbilde.

Problemet er at legen, med dagens kikhullsteknologi, bare kan se overflaten og ikke de vitale blodårene inne i leveren. Disse blodårene må for all del ikke kuttes.

– Operasjonen er svært krevende. Dette er ikke en jobb for hvem som helst. Bare de aller flinkeste kirurgene klarer dette i dag, påpeker professor Eigil Samset ved Centre of Mathematics for Applications (CMA) på Universitetet i Oslo. CMA er et senter for fremragende forskning, som har som spesiale å bruke matematisk teori til avanserte simuleringer og anvendt programvare.

I samarbeid med Intervensjonssenteret på Rikshospitalet utvikler CMA nå leveren, skal videobildene kombineres med computertomografi (CT-bilde). CTbilder er avanserte røntgenbilder som skiller mellom knokler, muskler, fettvev og de ulike organene i buken.

Utfordringen er å sette videobildene, som tas under operasjonen, sammen med CT-bilder som er tatt før operasjonen.

– Organene i kroppen er ikke statiske. Leveren beveger seg når man puster, og den kan ha flyttet på seg eller endret seg siden CT-bildet ble tatt. Oppgaven vår er å komme med så rask programvare at sammenslåingen av bildene vises uten tidsforsinkelse, forteller professor Knut Mørken ved CMA. Han er numeriker, en fagmann som bruker datamaskinen til å løse matematiske problemer.

Programmet skal ikke bare koble videobilder med CT-bilder. Videobildene skal også kunne kobles til alle andre diagnostiseringsverktøy, slik som vanlige røntgenbilder, ultralyd, PET-scanning og MR-bilder (Magnetisk resonanstomografi).

Fra 2- til 3-dimensjonalt

Koblingen med MR-bilder viser den enorme kompleksiteten forskerne står overfor.

– Problemet er at MR og video måler ulike egenskaper i kroppen. MR-bildene måler de magnetiske egenskapene i kroppen og fremstiller dette som et tredimensjonalt svart-hvitt-bilde.

Video gir bare et todimensjonalt bilde av overflaten på organene.

Disse to bildene skal settes sammen. For å klare det, må datamaskinen rotere det todimensjonale videobildet, som er et plan av det tredimensjonale bildet, inntil programmet gjenkjenner hvor planet skal stå.

Forskerne må også ta hensyn til at noe av svulsten er fjernet i videobildet, mens hele svulsten fortsatt er i MRbildet.

– Saken blir ikke mindre komplisert av at kirurger vanligvis blåser luft inn i buken under operasjonen. Da endrer fasongen på organene seg.

Stipendiat Eivind Lyche Melvær ser nå på hvordan todimensjonale ultralydbilder på en enkel måte kan forvandles til tredimensjonale bilder ved å samle sammen bilder fra mange vinkler.

Enkelt overblikk

Likevel er ikke forskerne fornøyde:

– Det er ikke nok at algoritmen fungerer bra. Den må fungere perfekt under operasjonen. Det er omtrent det samme som å lage programvare for automatisk landing av fly. Det må ikke være noen feil i programvaren. Man må ha kontroll på det man gjør, forteller Knut Mørken.

Matematikerne må dessuten fremstille nye metoder for å kunne se gjennom overflaten på organene. De er blant de ledende i verden på denne teknologien.

Forskningsprosjektet kalles Matmed (Mathematical Methods in Medicine) og er et samarbeid mellom fysikere, medisinere, matematikere og informatikere.

– Med en bedre visualisering kan alle trenete kirurger foreta denne operasjonen med kikhullsteknologi, forteller Eigil Samset.

Kobler video med bilder

For å kunne se gjennom overflaten på de gjennomsiktige videobildene på en slik måte at legen får et enkelt overblikk. Samtidig er det viktig ikke å utelate informasjon, slik at legen ikke risikerer å fekte bort i et annet organ.

Kjappe beregninger

Den matematiske beskrivelsen av sammenkoblingen av de ulike bildene beskrives med partielle differensialligninger. Dette er ligninger som beskriver endringer i både tid og rom. Ligningene kan løses på datamaskinen med numeriske algoritmer.

– Spørsmålet er om det fins algoritmer som er raske nok til å løse disse differensialligningene. Dessverre er algoritmene ofte ikke gode nok. Da må man finne en enda bedre algoritme. Noen ganger må man forenkle differensialligningene, men man må ikke forenkle dem så mye at man mister essensen. Dessuten lar ikke alle differensialligninger seg løse, forteller Knut Mørken.

Fjerner hjernesvulst

Forskerne jobber også med å utvikle bildeteknikker for å gjøre det lettere å fjerne svulster i hjernen. Svulsten er innestengt i hjernen. Når hjerneskallen åpnes, endrer trykket seg. Da endres fasongen på hjernen. Man må derfor lage en matematisk modell som sammenligner MR-bildene som blir tatt under operasjonen, med de MR-bildene som er tatt før hodeskallen ble åpnet.

– I tillegg vil hjernen falle noe samme under operasjonen. Dette må programmet mitt ta hensyn til, forteller doktorgradsstipendiat Petter Risholm .

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Informasjons- og kommunikasjonsvitenskap, Simulering, visualisering, signalbehandling, bildeanalyse, Matematikk, Anvendt matematikk, Topologi/geometri, Medisinske fag, Klinisk medisinske fag Av Yngve Vogt
Publisert 16. jun. 2009 00:00