Studie enthüllt Mechanik des idealen chirurgischen Knotens

Denken Sie an das letzte Mal, als Sie Ihren Schuh gebunden haben: Vielleicht haben Sie ihn fest zugebunden oder mehrere Knoten gemacht, um sicherzustellen, dass sich die Schnürsenkel nicht lösen. Wahrscheinlich haben Sie sich auf Ihre Intuition verlassen, um zu wissen, wie viel Spannung Sie aufbringen müssen, damit sich die Schnürsenkel nicht lösen, ohne so stark zu ziehen, dass sie reissen.

Es mag überraschen, dass Chirurgfachleute auch beim Knüpfen von Nahtmaterial intuitiv vorgehen. Zwar werden in der Chirurgie häufig einfache quadratische und gleitende Oma-Knoten verwendet, aber es dauert Jahre, sie so zu beherrschen, dass sie an Ort und Stelle bleiben, ohne sich zu lockern oder zu reissen. Es wurde viel mathematische Forschung zur Knotentopologie und -geometrie betrieben, aber über die Knotenmechanik im Zusammenhang mit physikalischen Variablen, wie den Materialeigenschaften der geknoteten Fäden, ist wenig bekannt.

«Es ist erstaunlich, wie sehr 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 (Institut für Maschinenbau). Reis und der Doktorand Paul Johanns haben sich mit der Lausanner Schönheitschirurgin Samia Guerid zusammengetan, um eine erste physikalische Studie über die Mechanik von chirurgischen Knoten durchzuführen, die kürzlich in Science Advances veröffentlicht wurde.

«Das Verständnis der Mechanik chirurgischer Knoten kann das Bewusstsein erfahrener Chirurginnen und Chirurgen schärfen, in Ausbildungsprogramme einfliessen und die Roboterchirurgie voranbringen, indem es effektivere Möglichkeiten zum Knüpfen von Knoten ermöglicht», sagt Guerid. «Dieses Wissen könnte auch die Entwicklung von Nahtmaterialien beeinflussen, die die Rutschfestigkeit von Gleitknoten verbessern.»

Die Kraft der Plastizität

Reis, ein begeisterter Kletterer, hat ein persönliches Interesse an sicheren Knoten und hat bereits mehrere Studien zur Knotenmechanik durchgeführt. Er erklärt, dass viele Knoten als frei endende Strukturen beschrieben werden können, die eine Haltekraft bieten, wobei ihre Funktionalität von den Variablen Topologie, Geometrie, Elastizität, Kontakt und Reibung bestimmt wird. Bei der Untersuchung von chirurgischen Knoten berücksichtigten Reis und seine Kollegen jedoch einen sechsten Schlüsselfaktor: die Polymerplastizität des Nahtfadens.

Die Festigkeit von Nahtmaterial aus Polypropylenfäden, die in der Chirurgie verwendet werden, hängt von der Spannung ab, die beim Knüpfen des Knotens aufgebracht wird (Vorspannung). Durch diese Vorspannung wird der Faden permanent verformt oder gedehnt, wodurch eine Haltekraft entsteht. Eine zu geringe Vorspannung führt dazu, dass sich der Knoten löst; eine zu hohe Vorspannung lässt den Faden reissen.

Das Team analysierte 50 bis 100 von Guerid geknüpfte Knoten und stellte fest, dass die Chirurgin dank ihrer jahrelangen Erfahrung in der Lage war, den «Sweet Spot» der Vorspannung intuitiv zu bestimmen. Mithilfe von Präzisionsexperimenten, Röntgen-Mikro-Computertomografie und Computersimulationen definierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Schwellenwert zwischen «lockeren» und «festen» Knoten und entdeckten Zusammenhänge zwischen Knotenstärke und Vorspannung, Reibung und Anzahl der Würfe.

«Überraschenderweise konnten wir trotz des komplexen Zusammenspiels aller sechs Faktoren ein einfaches, robustes Verhalten in Abhängigkeit von der Knotenstärke beobachten. Aber wir haben immer noch kein Vorhersagemodell, um die Beziehung zwischen Knotenvorspannung und Festigkeit vollständig zu erklären, die auch ausserhalb chirurgischer Knoten konsistent zu sein scheint. Mit dieser Frage beschäftigen wir uns bereits.»

Ein Trainingsgerät für Chirurgen ... und Roboter

Die Ergebnisse des Teams könnten ein wertvolles Instrument für die Ausbildung von Chirurginnen sein, da sie es ermöglichen könnten, die Parameter eines sicheren Knotens in praktische Richtlinien zu übertragen. Auch wenn Erfahrung nach wie vor wichtig ist, könnte das sichere Knüpfen von Knoten anhand von Vorhersagemodellen gelehrt werden und nicht nur anhand von Intuition, die man durch jahrelange Praxis erworben hat.

«Unsere Daten geben uns ein Rezept für die Bestimmung der idealen Vorspannung und der Anzahl der Würfe, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Fadens», sagt Reis.

«Das Fehlen einer physikalisch basierten Analyse war eine Einschränkung», fügt Guerid hinzu: «Quantifizierbare Daten zur Knotenmechanik könnten in Ausbildungsprogramme integriert werden, um die Zugfestigkeit jedes Knotens zu bewerten und sicherzustellen, dass die Auszubildenden die notwendigen Fähigkeiten für erfolgreiche Operationen erwerben. Die Daten könnten auch die Entwicklung der Roboterchirurgie durch die Programmierung von Robotersystemen erleichtern.»