PRACOWNIA BIOCYBERNETYKI

Pracownia ta jest miejscem wstępnej weryfikacji wytworzonych produktów oraz badań sondażowych penetrujących nowe kierunku rozwoju bioinżynierii i kardiochirurgii. Wykonuje badania podstawowe nad sztucznym sercem, testy laboratoryjnie protez zastawek serca, dokonuje pierwszych prób modeli oraz kolejnych ich modyfikacji. Posiada unikatową aparaturę badawczą, w dużej mierze własnej konstrukcji, pozwalającą śledzić procesy przepływu krwi, analizować dynamikę pracy protez oraz nieustannie je doskonalić. W ostatnich latach szczególnie wyspecjalizowała się w zakresie robotyki medycznej oraz symulacji procedur medycznych. Realizuje prace związane z takimi projektami jak np. robotyka medyczna i mechatroniczne narzędzia chirurgiczne (pierwsze polskie roboty chirurgiczne o nazwie Robin Heart), innowacyjne metody wspomagania chirurgii (w tym najbardziej zaawansowane w Polsce metody doradcze chirurgii oparte o symulacje komputerowe i modelowanie fizyczne oraz pionierskie metody planowania operacji wykorzystujące technologie wirtualnej przestrzeni), konstrukcja urządzeń i opracowanie metod testowania sztucznych narządów i biomateriałów (unikatowe techniki i stanowiska badawcze). Zgodnie z powyższym wprowadzeniem aktywność badawczo-naukową pracowni podzielono na trzy obszary: ROBOT, EXPERT, TEST.

Robot - robotyka medyczna i mechatroniczne narzędzia chirurgiczne

Celem projektu jest opracowanie robota chirurgicznego oraz nowej generacji narzędzi zwiększających precyzję, bezpieczeństwo i zakres stosowania chirurgii małoinwazyjnej. Fundacja zainicjowała budowę robotów chirurgicznych w Polsce, pełniąc rolę pioniera w tym zakresie. Jest również miejscem promocji wiedzy, wymiany poglądów, doświadczeń oraz praktycznej nauki stosowania opracowywanych robotów i narzędzi mechatronicznych. Efektem prac prowadzonych od 2000 roku jest prototypowa rodzina robotów Robin Heart o strukturze segmentowej, umożliwiającej zestawienie sprzętu dla różnych typów operacji. W ramach rodziny polskich robotów Robin Heart powstały trzy modele: Robin Heart 0, Robin Heart 1
(z niezależną podstawą oraz sterowaniem za pomocą komputera przemysłowego) oray Robin Heart 2 (mocowany do stołu operacyjnego, posiada dwa ramiona, na których można zamontować różne narzędzia chirurgiczne lub tor wizyjny z kamerą endoskopową). Obecnie prowadzone są testy, prace nad dopracowaniem ich technologii i optymalizacją tak, by z prototypów powstała rodzina produktów do stosowania klinicznego. W latach 2007-2008 powstał robot Robin Heart Vision - służący do sterowania położeniem endoskopowego toru wizyjnego. Jako pierwszy ma on trafić na sale operacyjne i utorować drogę do kliniki całej rodzinie opracowywanych robotów. Sterowanie robotem odbywa się w ergonomicznej konsoli o nazwie Robin Heart Shell, imitującej pracę chirurga „wewnątrz organizmu” pacjenta. W ramach projektu - Robin Heart PortVisionAble, powstały produkty odpowiadające na zapotrzebowanie świata medycznego na lekkie, przenośne (walizkowe), zrobotyzowane stanowisko sterowania położeniem kamery endoskopowej.
Trwają również prace nad opracowaniem i wdrożeniem w pełni oryginalnych, mechatronicznych narzędzi chirurgicznych specjalnych Robin Heart Uni System (takich np. jak: igłotrzymacz, nożyce-skalpel, nitownica, zszywacz, narzędzia do wszczepiania kaniul i zszywania tkanek), które można umocować na ramieniu robota (sterowane z konsoli robota) lub w specjalnym uchwycie (orientacja i sterowanie manualne). Zabiegi wykonywane za pomocą takich narzędzi, wprowadzonych przez niewielkie otwory w ciele pacjenta, będą mniej urazowe i inwazyjne, skracając czas samej operacji oraz rekonwalescencji.
W styczniu 2009 roku roboty i mechatroniczne narzędzia chirurgiczne zostały przetestowane w pierwszych, eksperymentalnych badaniach na zwierzętach, w Centrum Medycyny Doświadczalnej Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach. W operacji usuwania pęcherzyka żółciowego oraz operacji naprawczej zastawek serca wzięli udział znakomici kardiochirurdzy: Romuald Cichoń, Joanna Śliwka, Grzegorz Religa, Michał Zembala. Podczas operacji na zwierzętach bez zarzutu poradził sobie Robin Heart Vision. Wykonując zadania związane ze sterowaniem położenia toru endoskopowego, spełnił oczekiwania twórców i użytkowników. Zebrane opinie i uwagi zostały wykorzystane do udoskonalenia narzędzi oraz pozostałych elementów robota chirurgicznego. Na ich podstawie, w 2009 r., podjęto decyzję o budowie zupełnie nowej wersji robota - Robin Heart mc2, który odpowiadałby na potrzeby precyzyjnego działania zarówno w klasycznych operacjach endoskopowych, jak i w małym obszarze (np. pobieranie naczyń do tzw. by-passów) oraz operacji chirurgicznych przez otwory naturalne chorego.
Z myślą o przyszłościowej komercjalizacji zrobotyzowanych urządzeń opracowanych w Fundacji, w 2005 r., powołany został, w ramach funduszy unijnych Zakład Robin Heart Service.

EXPERT – innowacyjne metody wspomagania chirurgii

Celem projektu jest opracowanie nowych metod wspomagających proces planowania, konsultacji, przygotowania operacji oraz treningu chirurgów. W latach 1997 – 2000 Pracownia Biocybernetyki poprowadziła pierwszy w Polsce, nowatorski i unikatowy projekt badawczy dotyczący symulacji procedur chirurgicznych. Pozwala on, przy użyciu metod modelowania fizycznego, matematycznego oraz symulacji komputerowych, zoptymalizować efekt operacji chirurgicznej, zwłaszcza w układzie sercowo-naczyniowym. Procedura symulacji może znaleźć zastosowanie zwłaszcza przy operacjach wrodzonych wad serca u dzieci. Może być wykorzystywana zarówno w postaci ogólnej, jak i w odniesieniu do konkretnego pacjenta. W ramach programu symulacji procedur kardiochirurgicznych wykonywane są badania modelowe m.in. operacji Blalocka - Tausinga, operacji Fontany, operacji Batisty oraz operacji pomostowania naczyń wieńcowych (by-pass), jak również tworzony jest bank danych dotyczący wrodzonych wad serca.
Opracowywane są również specjalizowane programy ekspertowe dla chirurgów, np. związane ze stosowaniem sztucznych narządów, czy nowych narzędzi. Do celów dydaktycznych rozwijana jest zrobotyzowana sala operacyjna, w której w zintegrowany sposób można sterować wszystkimi jej elementami. W celach dydaktycznych i naukowych stosowane są najnowsze osiągnięcia z zakresu interaktywnej wirtualnej przestrzeni, która umożliwi testowanie realnego robota na wirtualnym pacjencie dla wybranego typu operacji chirurgicznej. Wirtualna sala operacyjna znajduje zastosowanie jako stanowisko treningowe przyszłych chirurgów mogących zapoznać się z zachowaniem i sposobem sterowania robotem Robin Heart, jako narzędzie do planowania procedur operacyjnych, z możliwym instruktażem „krok po kroku” danego toku postępowania oraz może być użyta w w programie doradczym, gdzie komendą głosową w trakcie zabiegu chirurgicznego zastanie przywołana procedura przećwiczona wcześniej na wirtualnym modelu. Technologia wirtualnej rzeczywistości jest wykorzystywana również w procesie projektowania nowych narzędzi chirurgicznych – już w trakcie projektowania możemy ocenić ich przydatność w określonej przestrzeni operacyjnej na modelu pacjenta. Obok wykorzystywania możliwości wirtualnej przestrzeni, rozwijane są też umiejętności w zakresie e-edukacji, na podstawie doświadczeń w telekonferencjach oraz zajęć dydaktycznych z wykorzystaniem technologii e-lerningowych.

W pracowni Biocybernetyki trwają prace nad trenażerami do wideochirurgii, stanowiskami treningowymi, symulatorami do nauki praktycznych umiejętności manualnych oraz do symulacji medycznych procedur i nowoczesnych technik chirurgii laparoskopowej. Trenażery mają na celu zapewnienie nabycia umiejętności istotnych i niezbędnych do wykonywania różnych operacji i pozwalają na rozwój koordynacji wzrokowo-ruchowej podczas typowych podstawowych manualnych czynności takich jak szycie, cięcie, odpowiednie wprowadzenie i ułożenie narzędzi, uchwycenie tkanki, igły itp., obsługę narzędzi laparoskopowych jak i umiejętności praktyczne i decyzyjne z zakresu nowoczesnych technik operacyjnych. Symulatory wpływają na poprawę bezpieczeństwa pierwszych wykonywanych przez chirurga operacji oraz dają możliwość kontroli nabytych podczas szkolenia umiejętności przez nadzorującego chirurga oraz pozwalają na ilościową ocenę np. ekonomiki i celowości ruchów, czasu czy liczby popełnionych błędów.

Stanowiska docelowo znajdują zastosowanie w procesie szkolenia przyszłych lekarzy, chirurgów, podczas warsztatów chirurgicznych BioMedTech Silesia, co pozwala na weryfikację użytkową konstrukcji symulatorów, ich funkcjonalności oraz algorytmu nauczania. Opracowana w wyniku projektu dokumentacja technologiczna, konstrukcja i sterowanie będą mogły być wykorzystane do szybkiego opracowania technologii produkcji seryjnej.

Pracownia Biocybernetyki od 2006 roku organizuje corocznie międzynarodową konferencję „Roboty Medyczne” oraz konferencję „BioMedTech Silesia” (http://www.biomedtech.eu/) połączoną z warsztatami chirurgicznymi. Konferencja „Roboty Medyczne” dedykowana jest naukowcom, projektantom, konstruktorom i użytkownikom zrobotyzowanych urządzeń stosowanych w medycynie. W czasie konferencji przedstawiane są m.in. plany i najnowsze osiągnięcia nie tylko projektu Robin Heart ale również światowe trendy w robotyce medycznej i rehabilitacyjnej. Konferencja „BioMedTech Silesia” przeznaczona jest dla profesjonalistów, uczniów, seniorów i naukowców, którzy zajmują się tematyką bioinżynierii i biotechnologii medycznej oraz technicznymi, biologicznymi i medycznymi aspektami ratowania ludzkiego życia i zdrowia. Uczestnicy warsztatów, pod okiem lekarzy ze Śląskiego Centrum Chorób Serca i zespołu Pracowni Biocybernetyki FRK trenują użycie klasycznego, laparoskopowego i zrobotyzowanego sprzętu operacyjnego na odpowiednio przygotowanych stanowiskach treningowych. Z tej unikatowej szansy polepszenia swoich umiejętności manualnych w chirurgii przy użyciu nowoczesnych i klasycznych narzędzi, na specjalnie przygotowanych stanowiskach treningowych, podczas warsztatów korzysta corocznie ponad 200 osób.

TEST – konstrukcja urządzeń i opracowanie metod testowania sztucznych narządów i biomateriałów

Zespół Pracowni Biocybernetyki wciąż rozwija swój warsztat badawczy i wprowadza nowe projekty. Rezultatem tej pracy są stanowiska badawcze wizualizacji laserowej i pomiarów anemometrycznych przepływu cieczy, modele fizyczne układu krążenia, pełny system testerów zastawek serca, stanowisko badań własności biomechanicznych tkanek, sterowniki pneumatyczne i elektromechaniczne testerów, czy napęd pneumatyczny sztucznego serca. Wszystkie stanowiska badawcze nadzorowane są komputerowo, w oparciu o własne programy systemu sterowania oraz automatycznego monitorowania, archiwizacji i opracowywania danych. Równolegle z badaniami modeli fizycznych wykonywane są symulacje komputerowe przepływu oraz symulacje matematyczne modeli, a także badania in vitro hemolizy i krzepnięcia krwi, co ma szczególne znaczenie w procesie projektowania nowych pomp krwi.
Celem projektu TEST jest nieustanny rozwój zaplecza naukowo-badawczego, poprzez dalszą budowę wyspecjalizowanych stanowisk, konstrukcję urządzeń i opracowanie metod badawczych oraz wykonanie za ich pomocą badań podstawowych, wspomaganie prac projektowych, badawczych, doradczych sztucznych narządów, biomateriałów.
W wyniku rozwoju unikatowych metod badawczych stosowanych w różnych fazach prac projektowych nad protezami serca, biomateriałami i robotami chirurgicznymi, powstały oryginalne urządzenia i stanowiska badawcze oraz doświadczenie lidera tej dziedziny w Polsce, wykorzystywane obecnie do dalszych prac rozwojowych, wyspecjalizowanych badań dla ośrodków medycznych oraz w dydaktyce akademickiej. Celem rozwoju aktywności naukowej w omawianym zakresie jest umocnienie pozycji wyspecjalizowanego partnera prac badawczo-rozwojowych związanych z testowaniem sztucznych narządów i biomateriałów, z badaniami komercyjnymi i rozwojowymi dla medycyny oraz przemysłu medycznego. Jednym z niezbędnych elementów realizacji tematu jest uzyskanie odpowiedniego statusu w europejskich sieciach laboratoriów oraz certyfikacja laboratorium w wybranym zakresie.
Wykonywane badania, opracowywane urządzenia i techniki badań służą zarówno jako element procedury przygotowania nowych protez serca, jak i wspierają ocenę kliniczną ich stosowania. Co roku w celu poprawy sprawności układu krążenia wszczepia się (implantuje) setki tysięcy protez zastawek serca, protez naczyń krwionośnych, tysiące stymulatorów serca i pomp krwi przywracając zdrowie prawie miliona pacjentów. Pojawiające się uszkodzenia i wady materiałowe (biodegradacja) są głównym powodem reoperacji, wymiany protez na nowe i inspiracją do poszukiwań lepszych materiałów, lepszych rozwiązań technologicznych protez. Fundacja prowadzi jedyne w Polsce działania w zakresie opracowania procedur badań, organizacji sieci laboratoriów oraz bazy danych obejmującej wyniki badań w kilku grupach protez układu krążenia stosowanych powszechnie u pacjentów. Według ustalonych procedur wykonywane są kompleksowe badania wybranych pozyskanych protez biologicznych i mechanicznych zastawek serca, homograftów, protez (graftów).

Projekty naukowo badawcze

W Pracowni Biocybernetyki realizowanych jest wiele projektów naukowo badawczych finansowanych zarówno ze środków UE jak i Narodowego Centrum Badań i Rozwoju oraz Narodowego Centrum Nauki. Poniżej kilka zrealizowanych projektów:

Projekt Stiff-Flop
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii od stycznia 2012 r. uczestniczy w międzynarodowym projekcie, którego celem było stworzenie ramienia robota chirurgicznego o zmiennej, kontrolowanej sztywności i geometrii. Zespół robotyków z Kings College w Londynie, podpatrując idealne rozwiązania stworzone przez naturę, a zwłaszcza ruchy, anatomię i sposób poruszania się ośmiornicy, rozpoczęli prace nad robotem, który wykazywałby podobne jak ona cechy motoryczne.
Pracownia Biocybernetyki Instytutu Protez Serca Fundacji odpowiada w projekcie za wykonanie systemu badań robota (stanowiska do planowania operacji i treningu dla chirurgów oraz stanowisko badań technicznych robota), a także za konsolę sterowania robotem.
Projekt pod nazwą „Stiff-Flop: Inteligentny kontrolujący sztywność, elastyczny manipulator chirurgiczny”, realizowany był w ramach 7 Programu Ramowego Unii Europejskiej. Oprócz naszej Fundacji uczestniczy w nim 11 partnerów międzynarodowych; z Wielkiej Brytanii, Niemiec, Włoch, Hiszpanii, Izraela i Polski.
Pod koniec 2012 roku odbyły się w Fundacji pierwsze warsztaty grupy zagranicznych naukowców, zaangażowanych w projekt Stiff - Flop. Poprzedzili oni doroczną Międzynarodową Konferencję Roboty Medyczne, która 7 grudnia br będzie mieć swe X wydanie.

Projekt INCITE
Celem projektu INCITE (Inteligentny cewnik do zaawansowanych systemów zabiegowych) jest ocena możliwości wykorzystania najnowocześniejszych osiągnięć w zakresie mikro urządzeń pomiarowych (sensorów) do celów medycznych. Projekt miał na celu badanie nowych sensorów, urządzeń obrazowania i pomiarowych wielkości medycznych. Ich integracja w nowych urządzeniach ma pozwolić na wykorzystanie ich dla skuteczniejszego leczenia pacjentów. W ramach trzyletniego projektu partnerzy specjalizujący się inżynierii materiałowej, mikroelektronice, mechatronice, MEMS, bioinżynierii, robotyce i medycynie przygotowali generalnie dwie aplikacje medyczne europejskich osiągnięć w tej dziedzinie:

inteligentny, wielozadaniowy, przez naczyniowy kateter, cewnik kardiologiczny,

narzędzie z czujnikami siły dla polskiego robota Robin Heart.

Wyposażony w czujniki ciśnienia czy mikro USG kateter będzie skuteczniejszy w wykonywaniu np. ablacji serca, a robot wyposażony w czujniki siły zamontowane w końcówce narzędzia umożliwi wprowadzenie praktycznego sprzężenia siłowego do sterowania robotem chirurgicznym.

Projekt Robin Heart PortVisionAble
Celem projektu było wykonanie i badania prototypu robota do operacji endoskopowych Robin Heart PortVisionAble o nowych własnościach funkcjonalnych (lekki robot przenośny) wraz z systemem telemedycznym do przesyłania obrazu na odległość.
Ekonomiczny Robin PVA, może zastąpić jednego z asystentów podczas mini-inwazyjnych operacji i umożliwić uczestnictwo na odległość doradcy lub uczniów w czasie operacji. W ramach projektu został wykonany jeden robot modelowy do pełnych badań technicznych i funkcjonalnych, a następnie, po weryfikacji 3 roboty prototypowe. Opracowana dokumentacja badawcza i technologiczna może być podstawą do uruchomienia produkcji seryjnej i wdrożenia klinicznego.

Projekt TeleRobinSurgery
Celem projektu było przygotowanie rozwiązań technicznych i systemowych dla robotów Robin Heart dla skutecznego prowadzenia operacji chirurgicznych na duże odległości. W ramach projektu powstała konstrukcja robota, urządzenie wykonawcze oraz proces sterowania na odległość ze szczególnym uwzględnieniem doboru i testowania bezpiecznych protokołów sieciowego przesyłu sygnałów. Testowano wyposażenie systemu w odpowiedni system czujników i algorytmy sterowania z testami procedur autonomicznych akcji robota podczas sytuacji awaryjnych np. spowodowanych zakłóceniami transmisji sygnału sterującego dla podniesienia bezpieczeństwa jego pracy.

Projekt Virtual Cardiac Stress Test (VCST)
Głównym celem projektu jest ocena istotności hemodynamicznej zwężeń na podstawie angiografii CT tętnic wieńcowych oraz nieinwazyjnego, wirtualnego testu wysiłkowego.
Prawidłowa identyfikacja istotnego klinicznie zwężenia oraz prawidłowa ocena jego wpływu na krążenie wieńcowe jest szczególnie ważna w przypadku tzw. zwężeń pośrednich (stenoza 40–70%). W takich sytuacjach część zabiegów jest wykonywana niepotrzebnie a nieinwazyjne wykonanie wirtualnego testu wysiłkowego daje podstawy do rozważenia czy chirurgiczna interwencja w odniesieniu do konkretnego pacjenta jest konieczna.
Projekt, był realizowany w oparciu o powszechnie dostępne metody obrazowania jakim jest angiografia CT tętnic wieńcowych oraz komputerowe i fizyczne metody modelowania in-vitro przepływu w tętnicach wieńcowych uwzględniające lepkosprężyste właściwości ściany tętnic oraz nienewtonowskie właściwości krwi.

Projektowanie 3D

Znaczny postęp w metodach wydruku 3D może w przyszłości zrewolucjonizować medycynę. W ostatnich latach drukowane modele 3D znalazły szczególne zastosowanie w leczeniu wad wrodzonych serca, głównie ze względu na możliwość odtworzenia modeli o niewielkich rozmiarach i wysokim stopniu złożoności oraz zmienności geometrii. W Polsce każdego roku rodzi się ponad 3000 dzieci z wadami serca, które stanowią drugą, co do częstości przyczynę zgonów noworodków. Szansą na poprawę tej statystyki jest innowacyjna medycyna spersonalizowana, wspomagająca diagnozę oraz proces planowania operacji, która wykorzystuje najnowsze osiągnięcia nauki w obszarze technik informatycznych oraz metod obrazowych, której cechą jest indywidualne podejście do pacjenta. Leczenie wrodzonych wad serca obarczone jest wysokim ryzykiem i bardzo często wymaga leczenia wieloetapowego. Wydrukowany, trójwymiarowy model serca może się przyczynić do zmniejszenia liczby operacji. Dzięki modelom 3D lekarze mogą wybrać i omówić najkorzystniejszy dla pacjenta wariant operacji. To z kolei pozwoli dzieciom na uniknięcie długotrwałego przebywania na oddziałach intensywnej opieki medycznej. W Pracowni Biocybernetyki Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii im. prof. Z. Religi w Zabrzu wraz z zespołem specjalistów ze Śląskiego Centrum Chorób Serca w Zabrzu prowadzony był pilotażowy projekt symulacyjny z użyciem unikalnych, wydrukowanych modeli serca, odwzorowanych na podstawie obrazów z tomografii komputerowej. W 2016 roku trójwymiarowy model serca wykorzystano do symulacji zabiegu przezcewnikowej implantacji zastawki biologicznej Edwards Sapien dla pacjenta wysokiego ryzyka operacyjnego z krytycznym zwężeniem zastawki mitralnej. Elastyczny, złożony model 3D lewej komory serca zawierał zarówno masywne obszary zwapnień w pierścieniu mitralnym jak i protezę mechaniczną zastawki aortalnej. W czerwcu 2017 roku wykonano model 3D serca bardzo złożonej wady serca dziecka z zwężeniem drogi odpływu z prawej komory serca RVOT (Right Ventricular Outflow Tract), przetrwałym przewodem tętniczym Botalla (PDA - patent ductus arteriosus) oraz rozpoznanym ubytkiem przegrody międzykomorowej w części błoniastej (VSD –Ventricular Septal Defect), z którego odchodzi nieprawidłowo umieszczona aorta ("over-rides"). Ze względu na bardzo małe wymiary serca, w celu wyraźniejszego zobrazowania wady, wydrukowano również modele 3D kilkakrotnie powiększone.
Wśród ciekawszych modeli 3D stworzonych w PB możemy wyróżnić spersonalizowane anatomiczne modele, które były wykorzystane w pracach badawczych:

model aorty z aortalną zastawką dwupłatkową wykonany w celu oceny wpływu biomechanicznych właściwości, geometrii, orientacji oraz metody korekcji Dwupłatkowej Zastawki Aortalnej (BAV) na podstawowe parametry hemodynamiczne,

model lewej komory serca pacjenta z pozawałową niewydolnością serca, który posłużył do optymalizacji chirurgicznej rekonstrukcji lewej komory metodą Menikantiego, oceny ściennych naprężeń komory oraz wpływu właściwości mechanicznych łaty komorowej na deformację myocardium i niedomykalność zastawki mitralnej,>

model serca z zespołem hipoplazji lewego serca w celu oceny zmian wydajności układu krążenia u dzieci z zespołem niedorozwoju lewego serca po klasycznej, zmodyfikowanej operacji sposobem Norwooda oraz Hemi-Fontana,

modele naczyń wieńcowych wykonane w celu oceny istotności hemodynamicznej zwężeń tętnic wieńcowych metodą modelowania numerycznego w oparciu o wirtualny test wysiłkowy,

modele protez zastawek serca.

W przyszłości takie modele 3D staną się standardem leczenia wad serca zarówno tych wrodzonych jak i nabytych oraz umożliwią optymalne przygotowanie strategii operacji, poprawienie jej skuteczności i zmniejszenie do minimum ryzyka wystąpienia powikłań pooperacyjnych.

Symulacje procedur chirurgicznych

Pracownia Biocybernetyki prowadzi nowatorskie i unikatowe projekty badawcze dotyczące metod wspomagania leczenia wad układu krążenia i symulacji procedur chirurgicznych, które przy użyciu metod modelowania fizycznego, matematycznego oraz symulacji komputerowych, pozwalają zoptymalizować efekt operacji chirurgicznej, zwłaszcza w układzie sercowo-naczyniowym. Współczesna medycyna wymaga od lekarzy sprawnego korzystania z nowych technik chirurgicznych oraz coraz większej ilości informacji diagnostycznych charakteryzujących stan organizmu chorego. Zdobycie kompetencji chirurgicznej jest złożonym, wieloczynnikowym procesem i może trwać latami. Ważne jest, aby zapewnić odpowiednie możliwości edukacyjne do nauki, niezbędną wiedzę, ocenę i umiejętności. Dogłębne zrozumienie anatomii, fizjologii, patologii i zasad chirurgicznych jest konieczne. Wiedza, co robić i ocena kiedy, i jak to zrobić oraz odpowiednie umiejętności są krytycznymi aspektami każdej operacji. Oprócz dokładnego poznania stanu pacjenta przed zabiegiem istotnym jest również wiedza na temat możliwości zastosowania różnych metod leczenia i ich wpływu na stan pacjenta po zabiegu. W przypadku chirurgicznego leczenia wad serca i układu krążenia krwi, chirurg jeszcze przed zabiegiem powinien wiedzieć, który sposób leczenia będzie najlepszy dla konkretnego pacjenta i jak go wykonać.
Nowe metody diagnostyczne takie jak USG, CT, MRI, SPECT czy PET dostarczają bardzo dużo informacji, które należy efektywnie wykorzystać. Są to badania, które umożliwiają otrzymanie dowolnego obrazu struktury układu krążenia a niektóre pozwalają dodatkowo ocenić wskaźniki dynamiczne takie jak przepływ krwi, objętość minutową serca, gradienty ciśnień, rozkład prędkości itp. Dane te mogą być stosowane do stworzenia modelu fizycznego oraz komputerowego dla danego pacjenta i dostarczenia szczegółowych, przewidywanych informacji o zmianach właściwości hemodynamicznych (rozkład ciśnienia, wektory prędkości, naprężenia ścinania, obszary recyrkulacji itp.) w układzie krążenia jakie nastąpią po wykonaniu danego zabiegu.
Procedura symulacji może znaleźć zastosowanie przy operacjach wrodzonych wad serca u dzieci. Może być wykorzystywana zarówno w postaci ogólnej, jak i w odniesieniu do konkretnego pacjenta. W ramach programu symulacji procedur kardiochirurgicznych wykonywane są badania modelowe m.in. operacji Blalocka- Tausinga, operacji Fontany, operacji Batisty oraz operacji pomostowania naczyń wieńcowych (by-pass). Opracowywane są również specjalizowane programy ekspertowe dla chirurgów, np. związane ze stosowaniem sztucznych narządów, czy nowych narzędzi.

W pracowni w ostatnich latach wykonano m.in.:

modelowanie zespoleń systemowo-płucnych,

modelowanie chirurgicznej rekonstrukcji LV u chorych z pozawałową niewydolnością serca,

ocenę wpływu techniki operacyjnej na rekoarktacje aorty (nawroty zwężenia),

analizę wpływu dysfunkcji dwudzielnej zastawki aortalnej na rozwarstwienie oraz tętniakowate poszerzenie części wstępującej aorty,

ocenę zmian wydajności układu krążenia u dzieci z zespołem niedorozwoju lewego serca po klasycznej, zmodyfikowanej operacji sposobem Norwooda oraz Hemi-Fontana.

ocenę istotności hemodynamicznej zwężeń tętnic wieńcowych metodą modelowania numerycznego w oparciu o wirtualny test wysiłkowy na podstawie angiograficznego badania tętnic wieńcowych.