MapleSim-Modelle helfen bei der Entwicklung eines Ausbildungssimulators, um Techniken zur Geburtseinleitung zu verbessern - User Case Studies - Maplesoft

Fallstudie:
MapleSim-Modelle helfen bei der Entwicklung eines Ausbildungssimulators, um Techniken zur Geburtseinleitung zu verbessern

Was in aller Welt soll eine Software zur technischen Entwicklung mit der Geburt von Babies zu tun haben?

Forscher aus den Bereichen Technik, Geburtshilfe und Obstetrik an der Ryerson University und der McMaster University arbeiten an der Entwicklung eines elektromechanischen Modells eines Gebärmutterhalses während der Geburtswehen. Sie benötigen dieses Modell, um die Änderungen zu demonstrieren, die beim normalen Wehenverlauf im Gebärmutterhals auftreten. Insbesondere untersuchen Sie die Veränderungen im Gebärmutterhals bei einer natürlichen Geburt im Vergleich zu einer künstlich eingeleiteten Geburt. Sie wollen den Vorgang besser verstehen, um einen Ausbildungssimulator zu entwickeln, der von Studierenden und Forschern dazu eingesetzt werden kann, die normalen Veränderungen im Gebärmutterhals bei den Wehen zu demonstrieren, Techniken zur Einleitung der Geburt zu üben und die Wirksamkeit der verschiedenen Einleitungsmethoden zu untersuchen.

Die Wehen werden bei vielen Schwangeren künstlich eingeleitet, wenn der Geburtstermin überschritten ist und ein Risiko für das Kind besteht, wenn es nicht bald geboren wird. So enden über 20% aller Schwangerschaften in den USA und in GB mit einer künstlich eingeleiteten Geburt. Ein Werkzeug hierzu ist der Foleykatheter. Dabei wird ein kleiner Ballon vorsichtig durch die Öffnung des unteren Teils des Gebärmutterhalses eingeführt, bis er soeben das Innere der Gebärmutter erreicht. Anschließend wird der Ballon mit einer Salzlösung gefüllt, um vom Inneren der Gebärmutter aus den Druck von oben auf den Gebärmutterhals zu vergrößern und so den Druck durch den Kopf des Kinds zu simulieren. Der abwärts gerichtete Druck löst die natürliche Reaktion des Körpers zum allmählichen Öffnen des Gebärmutterhalses aus und hilft so, die Geburt einzuleiten.


Auch wenn diese einfache Technik bereits um 1850 eingeführt worden ist, ist die genaue Mechanik immer noch nicht ausreichend quantifiziert worden. Dr. James Andrew Smith, ein Forscher auf dem Gebiet der Biomedizintechnik und Assistenzprofessor in Elektro- und Computertechnik an der Ryerson University, hat beschlossen, mit Hilfe von MapleSim ein Modell eines Gebärmutterhalses bei der Geburtseinleitung mit einem Foleykatheter zu erstellen.

Wegen der natürlichen Symmetrie hat er nur ein Viertel des Gebärmutterhalses modelliert, wobei jeder Abschnitt angenähert durch einen Arm mit mehreren Gelenken dargestellt wird, dessen Bewegung eine Reaktion auf eine von oben einwirkende Zugkraft ist. Das entsprechende mathematische Modell ist ein System mit einem doppelten Schubgelenk, einem doppelten Gelenkzapfen und einer Federunterstützung. Daraus hat er mit MapleSim die dynamischen und kinematischen Gleichungen, die dieses System bestimmen, hergeleitet und analysiert. Mit diesen Informationen konnte er Simulationen ausführen, um mit Parametern wie der Stärke und Richtung der auf den Gebärmutterhals einwirkenden Kraft und den Abmessungen des Gebärmutterhalses zu experimentieren und zu untersuchen, wie Änderungen die Dauer der Eröffnungswehen beeinflussen (die Zeit, die erforderlich ist, um den Gebärmutterhals auf den ausgewählten Zielwert von 4,5 cm zu dehnen, als den Punkt, an dem die aktiven Wehen häufig einsetzen).

MapleSim-Modell eines Gebärmutterhalses bei der Geburtseinleitung durch einen Foleykatheter


Durch Vergleich seiner Simulationsergebnisse aus MapleSim mit den verfügbaren experimentellen Daten konnte er sein Modell so abstimmen, dass eine gute Übereinstimmung erreicht wird. Insbesondere zeigt sein Modell eine nahezu konstante Dehnungsrate, was mit dem beobachteten Verhalten übereinstimmt.

Zu den nächsten Schritten in diesem Projekt gehört die Erstellung eines realen elektromechanischen Modells eines Gebärmutterhalses. Dieser reale Ausbildungssimulator wird dazu eingesetzt werden, Studierende der Medizin und der Geburtshilfe darin auszubilden, den Ballon einzuführen. Außerdem erlaubt er Untersuchungen anderer Vorrichtungen zur Dehnung des Gebärmutterhalses in einer risikofreien Umgebung. Außerdem wird er dazu verwendet werden, Kontaktmodelle zu entwickeln, die beim Verständnis der Reibung zwischen Ballon und Gebärmutterhals helfen. Diese Daten können in das virtuelle Modell in MapleSim zurückgeführt werden und dazu beitragen, dessen Genauigkeit zu verbessern. Weiterhin ist geplant, mit Hilfe von MapleSim ein Gerät zu entwickeln, das andere Komplikationen bei der Geburt simulieren kann.

„MapleSim ist ein ideales Werkzeug zur Modellierung von Multidomain-Systemen, wie sie z.B. in der Biomedizintechnik vorkommen. Die Modelle lassen sich schnell erzeugen und die Werkzeuge zur mathematischen Analyse helfen mir, wirklich zu verstehen, was in meinem System vorgeht und wie ich es verbessern kann, bevor ich einen realen Prototypen baue“, erklärte hierzu Dr. Smith. „Die moderne Technik hat der Medizin eine Menge zu bieten und Werkzeuge wie MapleSim machen es schneller und einfacher, Projekte wie dieses soweit voranzubringen, dass sie Menschen wirklich helfen.“


Kontaktieren Sie Maplesoft, um zu erfahren, wie MapleSim bei Ihren Projekten angewandt werden kann.

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Highlights

  • Researchers at Ryerson University and McMaster University are studying the changes in the cervix during unassisted delivery versus induced labor
  • Dr. James Smith, Biomedical Engineering researcher, used MapleSim to model a cervix undergoing induction with a Foley catheter
  • His team ran simulations to experiment with parameters such as amount and direction of force applied to the cervix to observe how changes affected length of pre-labor. These models can also help train medical and midwifery students.