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Dec 05, 2023

研究により、理想的な外科手術の仕組みが明らかになった

Ricercatori dell'EPFL:

EPFLの研究者らは、外科用結び目の仕組みに関する初の研究を発表した。その結果は、外科医がより強力で安全な縫合糸を結ぶ訓練に利用できる可能性がある。このスキルを習得するには通常、何年もの練習が必要である。

ローザンヌの連邦工科大学

画像: 硬い支持体に結ばれた外科用結び目もっと見る

クレジット: Alain Herzog / EPFL

最後に靴を結んだときのことを思い出してください。おそらく、靴ひもがほどけないようにきつく結んだか、複数の結び目を結んだのでしょう。 おそらく、紐が切れるほど強く引っ張らずに、ほどけないようにするにはどの程度の張力を加えればよいかを直感に頼っていたのではないでしょうか。

おそらく驚くべきことかもしれませんが、外科医は縫合糸を結ぶ際にも直感的なアプローチをとります。 シンプルなスクエアノットやグラニースライディングノットは手術でよく使用されますが、緩んだり壊れたりすることなく所定の位置に留まるように習得するには何年もかかります。 結び目のトポロジーと幾何学に関して多くの数学的研究が行われてきましたが、結び目のあるフィラメントの材料特性など、物理変数との関連での結び目力学についてはほとんど知られていません。

「結び目がどのように機能するかを実際には理解していないのに、私たちが結び目にどれだけ依存しているかを考えると驚くべきです」と、工学部 (機械工学研究所) の柔軟構造研究室の責任者、ペドロ レイスは言います。 レイス氏と博士課程学生のポール・ヨハンス氏は、ローザンヌを拠点とする形成外科医サミア・ゲリド氏と協力して、外科用結び目の仕組みと、その強度に正確に影響を与える性質に関する初の物理学に基づいた研究を主導し、最近『サイエンス・アドバンス』誌に発表した。

「外科用結び目の仕組みを理解することで、経験豊富な外科医の意識が高まり、トレーニング プログラムに組み込まれ、より効果的な結び目形成機能が可能になることでロボット手術が進歩します」と Guerid 氏は言います。 「このような知識は、滑り結び目の滑り抵抗を高める縫合糸材料の開発にも影響を与える可能性があります。」

可塑性の力

熱心な登山家であるレイスは、安全な結び目に個人的な興味を持っており、結び目の力学に関するいくつかの研究をこれまでに行ってきました。 彼は、多くの結び目は保持力を提供する自由端の構造として説明でき、その機能はトポロジー、形状、弾性、接触、摩擦の変数によって決定されると説明します。 しかし、レイスと彼の同僚は、外科的結び目の研究において、重要な第 6 要素である縫合フィラメントのポリマー可塑性を考慮しました。

手術に使用されるポリプロピレンフィラメントで作られた縫合糸の強度は、結び目を作る際にかかる張力（プリテンション）によって決まります。 このプリテンションによりフィラメントが永久に変形または伸長し、保持力が生じます。 張力が少なすぎると結び目が解けてしまいます。 やりすぎるとフィラメントが切れてしまいます。

研究チームは、Guerid が結んだ 50 ～ 100 ノットを分析し、外科医が長年の経験のおかげで、プリテンションの「スイート スポット」を直感的に狙うことができたことが判明しました。 科学者らは、精密な実験、X線マイクロコンピューター断層撮影法、およびコンピューターシミュレーションを使用して、「緩い」結び目と「堅い」結び目の間の閾値を定義し、結び目の強度とプリテンション、摩擦、およびスロー回数の間の関係を明らかにしました。

「驚くべきことに、6 つの要素すべてが複雑に相互作用しているにもかかわらず、結び目の強度に対する単純かつ堅牢な創発的挙動が観察されました。しかし、結び目の張力と強度の関係を完全に説明する予測モデルはまだありません。外科的結び目以外でも一貫しているようです。私たちはすでにこの問題を調査しています。」

外科医とロボットのためのトレーニング ツール

研究チームの発見は、安全な結び目のパラメータを実践的なガイドラインに変換できる可能性があるため、外科医を訓練するための貴重なツールとなる可能性がある。 経験が重要であることに変わりはありませんが、長年の練習によってのみ得られる直感ではなく、予測モデルを使用して安全な結び方を教えることができるという考えです。

「私たちのデータは、たとえば、使用するフィラメントの種類に応じて、理想的なプリテンションとスロー回数を決定するためのレシピを提供します」とレイス氏は言います。

「物理学に基づく分析の欠如が限界となっています」とGuerid氏は付け加えた。 「結び目の力学に関する定量化可能なデータは、各結び目の引張強度を評価するための訓練プログラムに組み込むことができ、訓練生が手術を成功させるために必要なスキルを確実に習得できるようにすることができます。また、このデータは、ロボット システムのプログラミングを通じてロボット手術の開発を促進する可能性もあります。」

科学の進歩

10.1126/sciadv.adg8861

外科用結び目の強度には、摩擦と弾塑性の間の重要な相互作用が関係しています

2023 年 6 月 7 日

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