Na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej rozpoczęło działalność Laboratorium Zespołu Przetwarzania Sygnałów Biomedycznych.
Kierownikiem laboratorium jest profesor Robert Iskander. Jego grupa współpracuje z Wydziałem Elektroniki, matematykami i fizykami z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki, zwłaszcza z grupą profesora Henryka Kasprzaka. Członków zespołu interesują dwa główne wątki tematyczne: fizyka oka i zagadnienia ciśnienia wewnątrzczaszkowego, którymi zajmuje się dr Magdalena Kasprowicz. Naukowcy współpracują z przemysłem: wprowadzono na rynek nowy instrument pomiarowy, stosowany w badaniach oka.
***
Rozmowa z profesorem Robertem Iskanderem
Czym będzie zajmowało się pańskie laboratorium?
Mamy dwa laboratoria, z których jedno jest już częściowo wyposażone, między innymi dzięki ścisłej współpracy z zespołem profesora Henryka Kasprzaka z Instytutu Fizyki. Zajmuje się ono diagnostyką oka. Drugie będzie badało procesy hemodynamiczne w mózgu, zwłaszcza zmiany ciśnienia śródczaszkowego. W tym przypadku może chodzić o badania inwazyjne, do których potrzebna będzie zgoda komisji bioetycznej. Dlatego na razie prace będą prowadzone we współpracy z Uniwersytetem Medycznym, gdzie znajduje się aparatura badawcza. Natomiast diagnostyka oka jest bezinwazyjna, więc możemy większość interesujących nas badań robić na miejscu.
Zajmujemy się okiem kompleksowo. Analizujemy film łzowy na przedniej powierzchni oka. Zaburzenia zwilżania skutkują tzw. zespołem suchego oka czy dolegliwościami pojawiającymi się przy używaniu soczewek kontaktowych. Optometryści i okuliści dobierają soczewki głównie pod kątem korekcji wady wzroku, ewentualnie ze względu na poczucie komfortu użytkownika. My chcemy pójść dalej: uwzględnić biokompatybilność (dostosowanie pod względem biologicznym) soczewki do filmu łzowego danej osoby. Tego czynnika dziś się jeszcze nie uwzględnia. Zajmujemy się też badaniami rogówki. Uwzględniamy jej indywidualne cechy i ewentualne schorzenia, które należałoby diagnozować już we wczesnej fazie.
Następny obiekt naszego zainteresowania to soczewka oczna – interesuje nas, w jakim momencie pojawia się zmętnienie prowadzące do katarakty (zaćmy). Wczesne stadia nie powodują dyskomfortu, ale z wiekiem nasilające się zmiany powodują konieczność operacyjnego usunięcia soczewki i zastąpienia jej sztuczną.
Siatkówka to najważniejszy element oka. Interesują nas zwłaszcza dolegliwości jaskrowe. Jaskra jest bezbolesna, ale nieodwracalna; nieleczona prowadzi do ślepoty. Ocenia się, że w samym Wrocławiu jest około 3000 osób, które nie wiedzą, że na nią cierpią. My chcemy rozwinąć metody wczesnego diagnozowania jaskry, które można by stosować podczas badań przesiewowych.
Zajmujemy się też projektowaniem soczewek kontaktowych nowego typu. Nie chodzi tu o zmiany materiałowe, ale o lepsze dopasowanie do aberracji występujących w oku. Normalnie okulary bywają sferyczne (korygują krótko- lub dalekowzroczność) i cylindryczne (do korekcji astygmatyzmu). Ale w oku występują też aberracje wyższych rzędów i mamy metody ich korygowania. Jednakże trzeba uwzględnić, że „widzieć ostrzej” nie zawsze znaczy „widzieć lepiej”, gdyż układ optyczny oka nie jest statyczny. Oko jest dynamiczne, cały czas się rusza. Pod siatkówką pulsuje naczyniówka, a soczewka oczna nieustannie wykonuje delikatne ruchy. Obraz na siatkówce jest więc sumą oddziaływań. Okazuje się też, że aberracje wyższych rzędów u ludzi zdrowych nie powinny być korygowane, że są nam w jakiś sposób potrzebne. Istotnym czynnikiem jest ludzka neuroplastyczność – neuronowa adaptacja. To zdolność tkanki nerwowej do korygowania zakłóconego sygnału. Przyzwyczajamy się do obciążonych aberracjami sygnałów optycznych i korekta może dać niekorzystny rezultat, np. w postaci dalszego wydłużania się krótkowzrocznej gałki ocznej. Jak widać, mamy do czynienia z konglomeratem bardzo złożonych zjawisk, które dotyczą ogromnej liczby osób.
Jaką aparaturę zamierzają państwo umieścić w laboratorium?
Chcemy sprowadzić aparaturę unikalną w skali Dolnego Śląska, a może nawet kraju. Uniwersytet Medyczny ma oczywiście dobry sprzęt, ale np. nasz politechniczny tomograf był tam użytkowany przez wiele miesięcy. Współpraca z UM jest o tyle interesująca, że tam mamy styczność z pacjentami. Są oczywiście dobrze wyposażone prywatne ośrodki okulistyczne, w których robi się badania, operacje refrakcyjne, usuwa się zaćmę itd. Ufamy jednak, że zgromadzona przez nas aparatura będzie wyższej klasy. Do tego sami tworzymy nowe urządzenia, np. instrument badający geometrię przedniej powierzchni oka. Dotąd istniały topografery mierzące samą rogówkę. My mierzymy również twardówkę. Jest to potrzebne, gdy chcemy dobrać duże – tzw. skleralne – soczewki kontaktowe. Reasumując, dążymy do laboratorium o światowej klasie.
Czy wdrożono już do produkcji jakieś urządzenie prototypowe?
We współpracy z dr Pawłem Wachelem z Wydziału Elektroniki byliśmy w stanie stworzyć instrument, który jest już na rynku. Wyprodukowała go firma holenderska Eaglet-Eye. Idea była dość prosta, metodologie były znane już od lat, ale algorytmy, które należało zaimplementować w urządzeniu, wymagały bardzo dużego wysiłku. Musieliśmy analizować obszary submikronowe. Żeby zrozumieć skalę trudności, wyobraźmy sobie, że ktoś znajdujący się na Księżycu chce obserwować topografię Ziemi z dokładnością do 10 centymetrów. Taki był poziom naszych dążeń.
Opracowaliście również urządzenie do obrazowania rogówki, oparte na interferometrze Shearinga. Ponoć nie jest łatwo wprowadzić je do produkcji?
Tym urządzeniem zajmuje się głównie moja żona Dorota Szczęsna-Iskander z Instytutu Fizyki. Obok pierwotnego modelu powstaje drugi, bardziej kompaktowy model, który pozwala zobrazować większą powierzchnię rogówki: około 9 mm zamiast 4 mm. Takie urządzenie jest trudne w użytkowaniu, gdyż badanie pacjenta trwa dość długo. Okuliści znają pojęcie „chair time”, czyli czasu, który można poświęcić jednemu pacjentowi. Dlatego trudno się spodziewać, że takie urządzenie będzie masowo stosowane, raczej mogłoby być wyposażeniem specjalistycznych gabinetów.
Jakie znaczenie mają dla pana prace dr Magdaleny Kasprowicz?
Nasze badania (prowadzone wspólne z panią Moniką Danielewską), głównie dotyczące algorytmów przetwarzania sygnałów, mają wiele wspólnego. Oko jest bardzo blisko mózgu i okazuje się, że to, co robimy, badając ciśnienie śródgałkowe i wzdłużne ruchy oka, ma wiele podobieństw z pomiarami dr Kasprowicz, głównie jeżeli chodzi o algorytmy przetwarzania sygnałów. Będziemy więc ściśle współpracować.
***
Rozmowa z dr inż. Magdaleną Kasprowicz
Jaki jest zakres rozwijanych przez panią prac?
Zajmuję się zastosowaniem interdyscyplinarnej dziedziny nauki, jaką jest inżynieria biomedyczna do badań hemodynamiki mózgu. Razem z dr. inż. Henrykiem Juniewiczem współpracujemy z lekarzami z Kliniki Anestezjologii i Intensywnej Terapii oraz Kliniki Neurochirurgii Akademickiego Szpitala Klinicznego (ASK) im. Jana Mikulicza-Radeckiego we Wrocławiu. Dzięki dofinansowaniu otrzymanemu z Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (grant wspomagający dla beneficjentów programu Kolumb) rozpoczęliśmy pierwsze we Wrocławiu wieloparametrowe, wsparte komputerowo, monitorowanie pacjentów wymagających intensywnego nadzoru medycznego po operacjach neurochirurgicznych. Polega ono na rejestracji sygnałów niosących informacje o dynamice procesów mózgowych, takich jak: ciśnienie wewnątrzczaszkowe, oksygenacja mózgowa, prędkość przepływu krwi mózgowej, ciśnienie tętnicze krwi i o analizie zależności między tymi sygnałami, zarówno w czasie rzeczywistym, jak i retrospektywnie. Łączenie techniki i medycyny jest szczególnie potrzebne na oddziałach intensywnej opieki medycznej, gdzie lekarz na podstawie informacji, pochodzących z licznej aparatury monitorującej stan pacjenta, musi podjąć decyzję o sposobie prowadzenia terapii. Jednoczesna komputerowa akwizycja danych z różnych urządzeń medycznych, połączona z analizą rejestrowanych biosygnałów w czasie rzeczywistym, może poprawić czułość i specyficzność oceny klinicznej pacjenta, a ponadto zmniejszyć niedoskonałości i ograniczenia, które niosą ze sobą poszczególne techniki pomiarowe. Ze względu na inwazyjność pomiarów wykonywanych u pacjentów, których stan zdrowia jest często bardzo ciężki, ścisła współpraca z lekarzami jest niezbędna.
Zajmujemy się również rozwojem metod diagnostyki wodogłowia, a w szczególności analizą testu infuzyjnego. Test ten polega na pomiarze wzrostu ciśnienia płynu mózgowo-rdzeniowego, wywołanego kontrolowanym dostrzyknięciem roztworu soli fizjologicznej do przestrzeni czaszkowo-rdzeniowej pacjenta. Analiza zarejestrowanego sygnału ciśnienia dostarcza dodatkowych informacji diagnostycznych o stanie kompensacji ciśnieniowo-objętościowej chorego. Na jej podstawie, aczkolwiek nie wyłącznie, lekarz podejmuje decyzję o dalszym sposobie leczenia. Badanie jest inwazyjne (wymaga nakłuć za pomocą igieł punkcyjnych) i musi być prowadzone pod kontrolą doświadczonego lekarza. Analizą sygnału i wyznaczeniem parametrów kompensacyjnych zajmuje się nasz zespół. Jest jeszcze jedna istotna tematyka, którą rozwijamy: tworzenie nowych metod i narzędzi badawczych do oceny stanu hemodynamiki mózgowej i mózgowej kompensacji ciśnieniowo-objętościowej z zastosowaniem zaawansowanych metod analizy i przetwarzania sygnałów. Tak zresztą nazywa się nasz zespół. Na podstawie modelu krążenia krwi mózgowej i płynu mózgowo-rdzeniowego analizujemy zależności pomiędzy zmianami ciśnienia tętniczego krwi, ciśnienia wewnątrzczaszkowego i przepływu krwi mózgowej. Analiza ta dostarcza cennych informacji o wewnątrzczaszkowych mechanizmach regulacyjnych, odpowiedzialnych za homeostazę mózgową.
Jak pani widzi korelację własnych badań z badaniami grupy optycznej?
Obie grupy zajmują się badaniem zależności między przepływami, objętościami i ciśnieniami występującymi odpowiednio w mózgu i w oku. Stosowane przez obie grupy techniki analizy sygnałów są podobne. Metody, które wcześniej opracowano dla oka, mogą przydać się w moich badaniach i odwrotnie. Nie bez znaczenia jest bliskie położenie obu narządów. Z Moniką Danielewską, doktorantką profesora Roberta Iskandera oraz przy współpracy z lekarzami z ASK rozpoczęliśmy wspólny projekt dotyczący analizy zależności między tętnem gałkowym a pulsacyjnym przepływem krwi mózgowej u zdrowych ochotników. Są to badania nieinwazyjne prowadzone przy użyciu technik ultradźwiękowych.
Aparatura używana w badaniach inwazyjnych u chorych wymagających intensywnej opieki medycznej jest z oczywistych względów w ASK na Borowskiej, ale czekamy na sprzęt, który – o ile uzyskamy odpowiednie finansowanie w postaci grantu – będzie mógł pracować na Politechnice Wrocławskiej. Mamy nadzieję, że w przyszłości na naszej uczelni powstanie pracownia nieinwazyjnych metod badania mózgu, w której będą prowadzone prace badawcze zgłębiające wiedzę o działaniu tego istotnego organu człowieka.
Jakie to mogą być badania?
Możemy badać w sposób nieinwazyjny działanie mechanizmów regulacji przepływu krwi mózgowej podczas wywołanych, na przykład zmianą pozycji ciała, zmian hemodynamicznych. W skrócie: aktywne wstawanie z pozycji siedzącej wiąże się z natychmiastowym wzrostem częstości akcji serca, wzrostem rzutu serca, z jednoczesnym spadkiem obwodowego oporu naczyniowego i przejściowym spadkiem ciśnienia tętniczego, w wyniku czego zmienia się również przepływ mózgowy krwi. Zmiany przepływu można zarejestrować w sposób nieinwazyjny za pomocą przezczaszkowej ultrasonografii dopplerowskiej, a nieinwazyjny pomiar ciągły ciśnienia tętniczego krwi jest możliwy przy użyciu metody fotopletyzmograficznej. Badanie zależności pomiędzy tymi sygnałami pozwala na ocenę stanu autoregulacji mózgowej. U pacjentów w dobrym stanie ogólnym taka metoda może w wygodny sposób uzupełniać informacje o działaniu mechanizmów odpowiedzialnych za utrzymywanie stałego przepływu krwi przez mózg.
Rozmawiała Maria Kisza