Pryzmat - Wiadomości PWr

​Polska dołączyła do elitarnej, światowej grupy twórców zaawansowanych technologii – uważa profesor Romuald Będziński, twórca inżynierii biomedycznej na Politechnice Wrocławskiej.

Co, dzięki inżynierom, można już naprawić i wymienić w człowieku?
Najmniejszym problemem jest zespalanie złamanych kości, czyli osteosynteza. Łączy się je, na przykład po wypadkach samochodowych czy sportowych, za pomocą metali i tworzyw sztucznych. Dzięki inżynierom lekarze są w stanie wymienić już prawie wszystkie stawy, m.in. biodra, kolana, barku, łokcia, skokowy.
Wymienia się także naczynia krwionośne, zakładając protezy naczyniowe i stenty przywracające drożność naczyń. Kręgosłup? Proszę bardzo: możemy mieć sztuczne kręgi i więzadła. Również sztuczne serce. Mam nawet jedno w szufladzie, mogę pokazać :-). Można już przywrócić utracone widzenie, przeszczepiać wątrobę. Trwają prace nad sztuczną skórą i sztucznymi mięśniami, a sztuczne zęby to już banał i cały przemysł.
Zostaje nam układ nerwowy, najtrudniejszy w odtworzeniu.
Tak, ten jest najbardziej skomplikowany, ale i tutaj są podejmowane próby. Neurochirurdzy wraz z immunologami współpracują nad przywróceniem czynności rdzenia kręgowego np. po wypadkach komunikacyjnych. Pracuje nad tym m.in. wrocławski zespół neurochirurgów pod kierownictwem profesora Włodzimierza Jarmundowicza.
Starzejemy się. Niektórzy twierdzą, że będziemy żyć 130 lat. Będziemy potrzebowali coraz więcej części zamiennych.
Byłem w ubiegłym roku w Osace na sympozjum „Medycyna wobec starzejących się społeczeństw”, gdzie mówiono o tym, że rzeczywiście setka niedługo nie będzie niczym niezwykłym, że uczyć się będziemy do 35 roku życia, a pracować do 90.
Średnia życia wciąż się wydłuża, także dzięki coraz bardziej zaawansowanym technologiom stosowanym w medycynie. W ubiegłym wieku umierało się z powodu zmian zwyrodnieniowych, wielu chorób zakaźnych, cukrzycy. Ludzie tracili wiele funkcji m.in. w wyniku wypadków, wojen, nieodpowiednich warunków pracy. Dziś dzięki technice medycyna potrafi przywrócić te funkcje - można wykonać protezy całych kończyn, wspomóc oddychanie, krążenie. Od tego właśnie jest inżynieria biomedyczna. Interdyscyplinarna nauka, na styku współczesnej fizyki, matematyki, informatyki, biologii, medycyny, wykorzystująca zawansowaną wiedzę inżynierską i umożliwiająca poprawę zdrowia. To dzięki niej powstają sztuczne organy, oprogramowanie sprzętu medycznego, urządzenia do fizjoterapii. Nowoczesne metody diagnostyczne, jak tomografia komputerowa, rezonans magnetyczny, ultrasonografia, PET, umożliwiają bardzo wczesne i precyzyjne ustalenie dysfunkcji narządów.
Kiedy prawie 40 lat temu zaczynał pan przygodę z tą dziedziną nauki, przypuszczał pan, że tak bardzo się rozwinie?
W najśmielszych marzeniach nie wymyśliłbym tego, co dziś jest rzeczywistością, ani że będę się tym tak długo zajmował. Gdyby ktoś powiedział mi wówczas o protezie ręki czy nogi, zapewniającej praktycznie prawie wszystkie funkcje ruchowe, pomyślałbym pewnie, że to literatura science fiction.
A jednak fiction stała się science.
I to tak zaawansowaną i potrzebną, że dziś w Stanach Zjednoczonych inżynier biomedyczny jest, po inżynierze przemysłu zbrojeniowego, najlepiej opłacanym. Zarabia 70-140 tysięcy dolarów rocznie.
Stany Zjednoczone są liderem. Kiedy inżynieria biomedyczna zaczęła się w Polsce?
Amerykanie oczywiście przodują, bo zaczęli najwcześniej, w latach 60. i przeznaczają na badania ogromne środki, o jakich możemy tylko marzyć. W latach 70. ta dziedzina zaczęła się rozwijać w Wielkiej Brytanii, Szwecji, Japonii, Niemczech, Belgii, Holandii. Na polskich uczelniach, zgodnie z ministerialnym rozporządzeniem funkcjonuje jako osobny kierunek studiów dopiero od 2006 roku. Wcześniej istniała jako specjalizacja już w latach 70. Na naszej Politechnice była początkowo na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki. Na moim macierzystym Wydziale Mechanicznym stworzyłem najpierw specjalizację biomechanika inżynierska, a potem Zakład Inżynierii Biomedycznej i Mechaniki Eksperymentalnej, który działa do dziś.
Dlaczego inżynier mechanik poszedł w stronę biologii?
To raczej biologia przyszła do mnie, w 1978 roku. Konkretnie w postaci doktora Andrzeja Walla z Katedry i Kliniki Ortopedii Akademii Medycznej. Znalazł publikację Akiry Yosichawy, Japończyka, który stworzył elastooptyczny model kręgosłupa człowieka do badania przeciążeń w odcinku lędźwiowym. Wall szukał w świecie inżynierskim kogoś, kto mógłby opracować coś podobnego. Któregoś dnia zapukał do mnie.
Pamięta pan to pierwsze spotkanie?
W pierwszej chwili odmówiłem współpracy… Byłem młodym człowiekiem, zajmowałem się silnikami samochodowymi i do czołgów. Jakaś anatomia wydawała mi się nudna.
Kręgosłup wygrał z czołgiem?
Kilka dni później zadzwonił rektor pytając, dlaczego nie chcę wspomagać medycyny i podjął decyzję za mnie. Usłyszałem, że mam odstawić silniki i zająć się kręgosłupem. Wszystko dlatego, że Wall zgłosił moją odmowę swojemu rektorowi, ten zwrócił się do naszego i tak poszło. Dziś jesteśmy z Andrzejem przyjaciółmi, wtedy nie znaliśmy się jeszcze. Naprawdę wydawało mi się, że nie miałem ochoty na naprawianie człowieka.
A jednak stało się to pasją.
Zacząłem gromadzić wokół siebie ludzi z Akademii Medycznej, m.in. Andrzeja Walla, Zbigniewa Bilińskiego, Piotra Bilińskiego, Ziemisława Stępniewskiego, Szymona Dragana, dziś kierownika klinki ortopedii. Zaprosiłem do współpracy także profesora Tadeusza Bobera z Akademii Wychowania Fizycznego we Wrocławiu. To był świetny zespół, wyrośliśmy na lidera w Polsce. Zrobiliśmy własny model: zmodyfikowaliśmy pracę Japończyków, ulepszając model z żywicy epoksydowej. Chodzi o zbadanie wpływu lordozy lędźwiowej, czyli naszej naturalnej krzywizny oraz kąta pochylenia kości krzyżowej na układ naprężeń w kręgach. Chcieliśmy znaleźć mechanizmy przeciążeń, które skutkują bólem, problemami. Siedzieliśmy z Wallem w laboratorium po nocach, bo wtedy jest najspokojniej i główkowaliśmy. Wysłaliśmy model profesorowi Yosichawie, żeby podjąć z nim dyskusję. Przyznał, że nasz jest lepszy. Wtedy poczułem, jakbym nabrał wiatru w żagle. No i zaczęło się.
Potem…
Badaliśmy kręgosłup już nie tylko na modelach, ale również na preparatach sekcyjnych. Zrobiliśmy kolejny, trójwymiarowy model, dobrze przyjęty na kongresie ortopedów w Berlinie i Nowym Jorku. I Wall, i ja zrobiliśmy habilitacje z kręgosłupa lędźwiowego.
Potem zajęliśmy się biodrem, które też jest newralgicznym punktem, choć odzywa się później niż kręgosłup, zwykle około 60-tki. Pracowaliśmy nad endoprotezą – ustalaliśmy, dlaczego połączenia stawów pomiędzy miednicą a kością udową stają się nietrwałe, dlaczego endoprotezy się obluzowują, stają bolesne, jak można optymalnie ustawić sztuczną panewkę. W Polsce rocznie wszczepia się 20-30 tysięcy sztucznych bioder. Jedno kosztuje średnio 25 tysięcy zł. Przemnóżmy przez 30 tysięcy chorych i wyjdzie nam, jakie to są koszty z budżetu państwa. Nie mówiąc o tym, że brak przeszczepu stawu biodrowego to umieranie w przyspieszonym tempie. Chory leży i czeka. Wszczepienie protezy pozwala odzyskać komfort, sprawność, pełną aktywność zawodową, a nawet sportową.
Dlatego biomechanika, czy szerzej - bioinżynieria są tak istotne. Współpracując z lekarzami zajęliśmy się poszukiwaniem układów zastępczych dla ludzi po urazach, z wrodzonymi chorobami. Takich, które mają przywrócić utracone funkcje ruchowe: protez, implantów, stentów. Poszukiwaniem odpowiednich materiałów, konstrukcją, rozkładem sił, wytrzymałością. Badamy też interakcje między implantem a otaczającą go tkanką.
Każdy metal wprowadzony do ciała, na przykład w postaci stabilizatora kręgosłupa, jest w pewnym stopniu toksyczny. Części zastępcze robi się m.in. ze stali, tytanu, niklu, wolframu, aluminium. Krążą potem w organizmie oddziałując na organy, odkładając się m.in. w wątrobie i w mózgu. Istnieją przypuszczenia, że nadmiar aluminium może przyspieszać rozwój choroby Alzheimera. Poza tym metale korodują, szacuje się, że w piętnastu procentach przypadków te elementy trzeba wymieniać.
Uważam, że jak tylko element spełni swoje zadania, czyli na przykład kość zrośnie się, stabilizator należy usuwać. Najlepiej byłoby „sztukować” ciało własnymi tkankami, pobierając fragment kości czy mięśnia. Najlepiej, bo wówczas mamy biozgodność. Nie zawsze jednak tak się da.
Rozwiązaniem są też elementy biodegradowalne, które po spełnieniu zadania rozpuszczają się w organizmie.
Tak, opatentowaliśmy stenty naczyniowe z polilaktydu, tworzywa, które po pewnym czasie zanika, a jednoczenie przywraca drożność naczynia. Badania stentów, także biodegradowalnych, były przedmiotem pracy doktorskiej moje doktorantki Magdaleny Bartkowik-Jowsa.
Medycyna zaczęła pana zagarniać coraz bardziej, w ubiegłym roku został pan doktorem honoris causa Uniwersytetu Medycznego.
No tak, po ortopedach pojawili się neurochirurdzy, laryngolodzy… Pracowałem z wrocławską Kliniką Ortopedii, Kliniką Neurochirurgii, Wojewódzkim Szpitalem Specjalistycznym i innymi ośrodkami medycznymi z Polski. Lekarze mówią, że moja „Biomechanika inżynierska” to jedyna książka, w której rozumieją cokolwiek z techniki. Badaliśmy na Politechnice wspólnie z neurochirurgią wpływ używek na stan naczyń krwionośnych w mózgu. Zajęliśmy się implantami stomatologicznymi i wypełnieniami nowej generacji. Jestem ekspertem w programie „Polskie serce”, który stworzył profesor Religa, oceniam tam rozwiązania konstrukcyjne.
Na pewno bardzo ważne jest to, że Polska dołączyła do elitarnej, światowej grupy twórców zaawansowanych technologii. Innym bardzo ważnym elementem stała się integracja różnych zespołów badawczych. Do twórczej pracy włączyli się specjaliści z medycyny, biologii, inżynierowie, w tym elektronicy, automatycy, mechanicy, specjaliści z inżynierii materiałowej. To godna podziwu integracja w pracy nad stworzeniem sztucznego serca. Niewiele jest zespołów na świecie, które w tym zakresie osiągnęły jakiś sukces. Natomiast nasz program już odniósł sukces. Stworzono i rozwinięto zaawansowaną konstrukcję polskiego sztucznego serca, które jest wszczepiane pacjentom.
Czy lekarze korzystają z waszych pomysłów?
Tak, lekarze w Polsce i Niemczech, m.in. ortopedzi w klinice w Ulm i laryngolodzy we Frankfurcie, korzystają ze wspólnie opracowanego komputerowego wspomagania zabiegów operacyjnych. Ten system, nagrodzony przez premiera, jest oparty na obrazowaniu z zastosowaniem USG, które jest nieinwazyjne, w przeciwieństwie do promieniowania rentgenowskiego i rezonansu magnetycznego. Na podstawie zdjęć tworzy się dokładny trójwymiarowy obraz chorej okolicy. Pozwala on na ustalenie dokładnego planu leczenia. Chirurg, obserwując ten obraz na monitorze, może najpierw zaplanować operację i potrenować ją wirtualnie. System nawigacji komputerowej wspiera go także już podczas samego zabiegu, pozwalając na dokładniejsze operowanie. Potem, podczas rehabilitacji, system pomaga lekarzowi w określeniu, jak regeneruje się dany fragment ciała.
Trzy miesiące temu w warszawskim Centrum Onkologii przydał się podczas operacji 21-letniej dziewczyny z nowotworem twarzoczaszki. Obserwowałem, jak od godziny 9 do 19.30  trzy ekipy usunęły jej część żuchwy, pobrały kawałek kości biodrowej i dokonały rekonstrukcji fragmentu czaszki, precyzyjnie łącząc drobne naczynia krwionośne i nerwy. Byłem pod wrażeniem.
W tym roku dostał pan tytuł Mistrza Techniki i nagrodę Naczelnej Organizacji Technicznej za pierwszy w Polsce prototyp protezy dłoni. Jak jest sterowana?
Można nią sterować za pomocą impulsów elektrycznych lub akustycznych idących z mięśni. Każdy nasz mięsień generuje impulsy elektromiograficzne. Czujniki w protezie zbierają te sygnały, przetwarzają i przekazują do mikroprocesora, który steruje silnikiem. Natomiast silnik wraz z przekładnią powoduje otwieranie i zaciskanie palców.
Tylko trzech - kciuka, wskazującego i środkowego.
Ale tymi trzema można wykonywać niemal wszystkie podstawowe ruchy i każdy z palców zgina się niezależnie od pozostałych. Można uczesać się, podnieść talerz, trzymać łyżkę, prowadzić samochód… Proteza obraca się w przegubie, wyczuwa kształty. Waży kilogram, jest skonstruowana z aluminium, stali, plastiku i wiązki przewodów, okryta silikonową powłoką, imitującą skórę. Zakłada się ją na kikut ręki dociskając elektrody do mięśni. Człowiek wyobraża sobie na przykład, że chce wyjąć książkę z półki i ruch jest generowany.
Sztuczna dłoń poruszana siłą woli?
Właściwie tak, bo nawet po utracie ręki sygnały z mózgu nadal płyną do mięśni, które je „odczytują”. Nawet tam, gdzie ręka jest już tylko fantomowa, czyli tak naprawdę jej nie ma. Tam pracę przejmują czujniki.
Są zainteresowani produkcją?
W Polsce rocznie zakłada się 50 protez rąk, więc uruchomienie linii produkcyjnej nie jest opłacalne dla potencjalnego przedsiębiorcy. Rozmawiałem z nimi, nie są zainteresowani, zwłaszcza, że wymaga to zaawansowanej technologii. Rozmawiam z pewną firmą z Warszawy w sprawie uruchomienia fabryki implantów, ale więcej na razie nie mogę powiedzieć. Brak odpowiedniego przemysłu jest problemem w naszym kraju.
Szkoda, bo nasz wynalazek jest kilkakrotnie tańszy od podobnych na świecie. Zagraniczny kosztuje 180 tys. zł, a nasz tylko 16 tys. Nowością jest to, że można wykorzystać generowane przez mięśnie nie tylko sygnały elektromagnetyczne, ale również dźwiękowe. W tym przypadku elektrody zbierają te drgania i przekazują do silnika. Pracowaliśmy nad tym przez trzy lata, w zespole.
W którym byli także pana podopieczni. Ilu naukowców pan wychował?
21 doktoratów i pięć habilitacji. Wyjątkowo zdolna Celina Pezowicz jest już profesorem i prowadzi po mnie Zakład Inżynierii Biomedycznej i Mechaniki Eksperymentalnej.
Jak potoczyły się losy innych?
Andrzej Przybyła, którego wysłałem na doktorat do Wielkiej Brytanii, po obronie wyjechał do Stanów Zjednoczonych, dostał rządowe stypendium i zajął się badaniem struktur mózgu w związku z poszukiwaniem komputerów nowej generacji.
Moi najlepsi wyemigrowali do Stanów Zjednoczonych, Szwecji, Włoch. Chyba ze stratą dla polskiej nauki.
Spośród nagród ponoć najbardziej ceni pan tytuł Złotego Opiekuna, który dwukrotnie przyznali studenci. Jak to się robi?
Chyba jestem nadopiekuńczy: prowadziłem dla nich koło naukowe biomechaniki, po sesjach wyjazdowych wędrowaliśmy po górach, chętnie ich słuchałem. Lubiłem z nimi gadać. Nie ma głupich pytań, są głupie odpowiedzi.
Rodzice też byli tego zdania?
Podczas wojny ojciec był felczerem w wojsku. Kiedyś nad Bzurą przywiózł do lazaretu rannego i wpadł w ręce Niemców. Stanął pod płotem w rzędzie z innymi skazanymi na rozstrzelanie. Kula przeszła koło gardła, rozszarpała mu płuca, ale nie zabiła. Padający obok sąsiad przykrył go. Potem ten ranny, którego ojciec przywiózł do lazaretu, wyciągnął go spod stosu trupów. Po wojnie ojciec był dyrektorem sanatorium, wychowałem się w świecie lekarzy. To on ustawił mnie na szerokie myślenie, podsuwał Sartre’a, Huxleya. Był inwalidą, słabego zdrowia i wolał, żebym miał solidny fach w ręku. Poszedłem więc do technikum kolejowego, ale gdzieś w tle pozostało zainteresowanie medycyną. A potem pojawiła się możliwość łączenia medycyny i inżynierii, co stało się moim zawodowym wariactwem.
Zaczęło się od szukania odpowiedzi na pytanie, dlaczego dochodzi do przeciążeń kręgosłupa. Do dziś nauka nie wie tego dokładnie. Bo choć wiemy coraz więcej, wciąż nie jest takie oczywiste, dlaczego kręgosłup odmawia posłuszeństwa. Nie poznaliśmy wszystkich mechanizmów.
Ból kręgosłupa to już plaga. Co człowiek, który wie wszystko o jego funkcjonowaniu, mógłby poradzić?
Kręgosłup jest jak łańcuch, dysfunkcje na jednym poziomie oddziałują na całość. Wystarczy, że źle ustawimy głowę patrząc godzinami w monitor i kręgosłup szyjny zaczyna się odzywać, rzutując na pozostałe odcinki. Sam to czuję, niestety.
Dodajmy jeszcze brak ergonomii, to na jakich sprzętach pracujemy, jak mieszkamy. Dużo czasu spędzamy w samochodach, więc istotne jest dobre ustawienie fotela. Mój jest odchylony pod kątem 118 stopni. Dobre fotele we współczesnych samochodach zawdzięczamy Alfowi Nahemsonowi, Szwedowi, którego badania były finansowane przez przemysł lotniczy i motoryzacyjny. Naszemu kręgosłupowi nie służy też nadwaga.
Wybitny ortopeda, profesor Wiktor Dega, mawiał, że ruchu nie da się zastąpić żadnym lekiem, natomiast lek ruchem owszem.
Pewien ortopeda pani skarżącej się na uporczywe bóle kręgosłupa i związane z nimi bóle głowy doradził, żeby przyszła, kiedy będzie o piętnaście kilogramów lżejsza. To nie jest bezczelność, to święta racja. Ruch przede wszystkim. Bo człowiek to maszyna doskonała, tylko niewłaściwe eksploatowana.
rozmawiała Aneta Augustyn
Profesor Romuald Będziński - emerytowany profesor Politechniki Wrocławskiej, związany z nią od 1964 do 2012 roku, twórca inżynierii biomedycznej na uczelni. Inicjator uruchomienia w Polsce kierunku inżynieria biomedyczna, który został wpisany na listę kierunków kształcenia Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w 2006 roku. Jego osiągnięcia to m.in. wyjaśnienie mechanizmu powstawania przeciążeń struktur kostnych kręgosłupa, opracowanie kryteriów doboru oraz konstrukcji stabilizatorów kręgosłupa, konstrukcja implantów stawu biodrowego, stworzenie podstaw obciążeniowych korekcji zniekształconego stawu kolanowego, konstrukcja stabilizatorów do wydłużania i leczenia skomplikowanych złamań kończyn. Jest autorem bądź współautorem 25 zgłoszeń patentowych.
Nagrodzony medalem "Zasłużony dla Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej". Za działalność dydaktyczną studenci dwukrotnie wyróżnili go tytułem „Złoty Opiekun”. Jego wychowanka Monika Stefańska w 2007 roku została najlepszą studentką w Polsce, otrzymała nagrodę prezydenta RP, a w 2010 roku najlepszą absolwentką Politechniki Wrocławskiej.
W tym samym roku profesor został wyróżniony pierwszą nagrodą premiera za wybitne osiągnięcie naukowo-techniczne: "Nieinwazyjny system wspomagania zabiegów operacyjnych w szczególności ortopedycznych i laryngologicznych” (praca zespołowa, wspólnie z lekarzami z Polski i Niemiec). Obecnie pracuje na Uniwersytecie Zielonogórskim, na wydziale mechanicznym. Był prezesem, teraz jest wiceprezesem Polskiego Towarzystwa Biomechaniki i honorowym profesorem Uniwersytetu Bolońskiego. Od pracy ucieka do filharmonii, zwykle w piątkowe wieczory.