Počítačem připravené modely tkání umožňují precizní operace
Představte si řádně pomakanou a polámanou lebku. Můžete si ji ohmatat, ba si ji potěžkat. Je překvapivě lehká. Hlava se všemi detaily a nerovnostmi totiž nepatří nikomu zemřelému, nýbrž muži, který již třikrát havaroval na motorce. Bez přilby, přesto vždy přežil. Možná zázrak, ale další div se teprve chystá. Poté, co vědci z Fakulty informačních technologií VUT vytvoří na základě CT/MR dat přesný „odlitek“, vzniknou pro lékaře pomůcky, díky nimž pak provedou naprosto precizní zákrok… Počítačová grafika však nepomáhá pouze traumatologům, ale i ortopedům, neurochirurgům, plastikům či stomatologům. Trendem v medicíně je individuální přístup k pacientovi a co může být jedinečnější nežli klouby či zuby „ušité“ každému přímo na míru. Otázkou však je, kdo takový luxus zaplatí.
SESTŘI, NASKENUJTE HO
Přemysl Kršek, původním vzděláním strojní inženýr, je vedoucím brněnské Laboratoře počítačové grafiky pro medicínu FIT, která má dva zaměstnance a tři interní doktorandy. „Neděláme přímo implantáty, ale spíše pomocné věci. Koncepty, díky nimž si lékaři udělají představu, jak místa, jež mají teprve operovat, vypadají. Nemusejí tudíž čekat, až pacienta uspí a otevřou. Když předem detailně znáte dejme tomu roztříštěnou pánev, příprava se dosti zkvalitní,“ vysvětluje Kršek. Využití těchto moderních metod však není nijak masové, jedná se spíše o unikátní a něčím specifické případy – růstové deformace, následky úrazů či nádorů.
Mezi hlavní činnosti vědeckého týmu z VUT patří automatizace 3D segmentace tkání na základě dat z počítačového tomografu (CT) nebo magnetické rezonance (MR), dále pak tvorba 3D geometrických modelů tkání, vytváření reálných modelů s využitím technologie rapid prototyping, digitalizace objektů pro potřeby klinických aplikací a rovněž i jejich podpora (plánování, navigace, simulace). Přeloženo do češtiny to znamená následující: „Nejprve získáme data ve formátu DICOM, vysegmentujeme tkáně, na základě čehož se dá vytvořit virtuální model. Pak jsou možné i další věci jako domodelování, neboť máte precizní, exaktní obraz, jenž jsme schopni na 3D tiskárně i vyrobit,“ říká Kršek.
Cože? 3D tiskárna? Čtete správně. Jde o bedýnku, jejíž pořizovací cena se blíží milionu korun a která umožňuje během pouhých pár hodin převod digitálního vzoru do skutečného tvaru. Využívá se jak v průmyslu, tak i medicíně. Existuje asi šest technologií od stříkání polymerů z tryskových hlav po nanášení vrstviček ze sádrového prášku, kterou disponují v Brně. „Pracujeme ale na vlastním prototypu, který by přímo užíval organismem vstřebatelné materiály, aby mohla tiskárna ihned vyrobit biologicky kompatibilní implantát,“ vypráví Kršek. Na této problematice s „ajťáky“ spolupracuje i věhlasný profesor Josef Jančář z Fakulty chemické VUT.
DIGITALIZOVANÁ MEDICÍNA
Vzhledem k mezioborové povaze výzkumu je nezbytná spolupráce s lékaři. Informatici navázali kontakty mimo jiné s Lékařskou fakultou Masarykovy univerzity a zejména s fakultní nemocnicí u sv. Anny v Brně, hlavně s klinikou zobrazovacích metod vedenou docentem Petrem Krupou. Jak se modely uplatňují v klinické praxi? Lze to ilustrovat na několika příkladech. Plastičtí experti kupříkladu vyplnili připraveným tukovým lalokem část tváře, jež byla deformována po odstranění retinoblastomu. Rozdíl mezi odhadem lékaře a exaktním modelem činil u „doplňku“ 5 až 10 milimetrů tloušťky! Ve spolupráci s firmou Beznoska byl zase aplikován individuálně navržený implantát jamky kyčelního kloubu v případě těžce postižené pánevní části.
„U dentálních operací užíváme zubních modelů, takže v případě autotransplantací, kdy zub například vyrostl na špatném místě, připravíme nejprve s užitím kopie lůžko a teprve poté je živý zub replantován. Mimo tkáně zůstává pouze pár sekund, čímž se snižuje riziko poškození nebo odření růstových buněk,“ řekla týdeníku EURO lékařka Pavlína Černochová, která se v nemocnici sv. Anny věnuje ortodoncii a využití 3D modelování ve stomatologii. Dosud bylo ve spolupráci s VUT uskutečněno kolem dvaceti zubních operací, jež ale zdravotní pojišťovny nehradí. Zákroky proběhly díky grantům. Stomatologové však počítačové grafiky využívají i k virtuálnímu nácviku náročných operací – trénují již na monitoru.
Brňané na to nejsou v ČR sami. Obdobnými výzkumy se zabývá i Lukáš Čapek z katedry mechaniky, pružnosti a pevnosti při Technické univerzitě Liberec. Problematice lebečních náhrad se věnuje společně s neurochirurgem Pavlem Buchvaldem. Přesnou kostní náhradu vyrábějí lékaři ze standardně používaného kostního cementu litím do forem. Cement je polymer, který se během několika minut vytvrdí do příslušného tvaru. „Někdy bývá lepší než ten původní. Výhodou také je, že můžeme podle potřeby upravit funkční tloušťku kosti. V budoucnu by se to dalo využít i pro kosmetické účely,“ uvedl již dříve Čapek v tisku.
VE SVĚTĚ ANO, V ČESKU ZŘÍDKA
Nutno dodat, že světová medicína již metod rapid prototypingu využívá daleko častěji. „Spousta lékařů by samozřejmě tyto postupy ráda aplikovala i v České republice, jasně vidí všechny přínosy, ale bohužel doktoři nevědí, jak na věc získat finanční prostředky,“ říká Kršek. V případě řekněme plastických operací se nabízí samofinancování pacientem, jenž má osobní zájem na perfektním výsledku; je na to připraven a rád si na soukromé klinice připlatí. V případě úrazových komplikací však zůstává tento „nadstandard“ námětem k diskusi: komu a kdy jej hradit. Zajímají vás náklady? Výroba jedné kompletní lebky vyjde v Brně na 5 až 10 tisíc korun, ovšem bez započtení know-how a dalších výdajů. „V určitých situacích si to může pacient skutečně hradit sám. Ceny za reálné modely jdou od tisíců do desítek tisíc korun, je to hodně individuální - zkrátka nic sériového oproti standardně vyráběným kloubům,“ upřesňuje vedoucí laboratoře VUT.
Technologie vlastního 3D modelování jsou vyzkoušené, prostor ke zlepšování lze spatřovat v předzpracování dat, nicméně hlavní perspektiva zůstává v přímé výrobě implantátů za využití nových „biohmot“. Vědci počítají i se začleněním zpracovaných dat do elektronické sítě, kdy by lékaři – ať v Brně, Praze či Hradci Králové – měli na kolaborativním webu k dispozici veškeré údaje o pacientech a mohli virtuálně spolupracovat. Takovýto systém se již vyvíjí za podpory společnosti CESNET.
„Aby se mohly všechny výhody počítačové grafiky užívat v lékařské praxi, není už možné pracovat takhle v malém. Celkově jsme připravili kolem čtyřicítky pacientů – pro ortopedy, zubaře i chirurgy – ale už to nejde dál. Stojí to moc peněz. Věc je třeba postavit na nějaký solidní komerční základ, musí se najít způsob, jak výhody uplatnit,“ říká Kršek. A dodává: „Lékaři nám často říkají: Fajn, ale to je jen taková hezká sci-fi… To u nás přeci nepůjde.“ Mají pravdu, anebo se mýlí?
BOX (+ foto čelist):
Od plastiky po zuby
K čemu všemu lze v medicíně využít 3D počítačovou grafiku?
Plastická chirurgie (domodelování deformací, korekční modely)
Ortopedie (rekonstrukce pro operace kloubů, kolen, kyčlí, pánví)
Stomatologie (kopie zubů, příprava lůžek před transplantací)
Plíce (simulace proudění vzduchu pro výzkum účinnosti léků)
Pramen: Ústav počítačové grafiky a multimédií FIT VUT
