Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Operace nanečisto

Prostorové počítačové modelování v medicíně pomáhá lépa plánovat operace
 |  13. 4. 2006
 |  Vesmír 85, 220, 2006/4

Moderní medicína stále více využívá technická zařízení a přístroje, které zlepšují jak diagnostiku, tak ošetření pacientů. K nim patří počítačová tomografie (CT) a magnetická rezonance (MR) – diagnostické metody, které poskytují prostorové (3D) informace o vnitřních tělesných strukturách. Získaná data sleduje lékař zpravidla jen na plošných (2D) snímcích, podle nichž slovy popíše nález. Moderní počítačová technika však již umožňuje trojrozměrné zpracování. Tak vznikají prostorové modely, které se využívají při plánování chirurgických a rekonstrukčních operací, slouží k simulaci jejich průběhu, k navigaci a zaměřování nástrojů nebo při tréninku lékařů na simulátoru.

Prostorovému modelování lidských tkání na základě počítačové tomografie a magnetické rezonance se věnuje Ústav počítačové grafiky a multimédií na Fakultě informačních technologií VUT v Brně. 1) Společně s Klinikou zobrazovacích metod Fakultní nemocnice u sv. Anny v Brně se snaží vytvořit klinicky použitelný systém, hledá a uskutečňuje použití těchto modelů v klinické praxi ortopedů, plastických chirurgů, stomatologů a dalších specialistů.

Virtuální pracoviště

Je náročné vybudovat středisko pro spolupráci medicíny, informačních technologií, strojírenství a dalších oborů. Řešením je „virtuální vývojové a aplikační pracoviště“. Drahé technické vybavení (přístroje pro počítačovou tomografii, magnetickou rezonanci, 3D tiskárna, grafické pracovní stanice ad.) i pracovníci zůstávají ve svých mateřských ústavech (k nimž kromě již jmenovaných patří také Úrazová nemocnice v Brně aj.). Pohybují se pouze data, a to prostřednictvím akademické počítačové sítě CESNET2 (viz Vesmír 82, 492, 2003/9). Samozřejmě to nebrání setkáním odborníků v reálném světě a ani je to nemůže plně nahradit. V akutních případech, kdy jde o čas, to však může mít velký význam pro pacientovo zdraví, někdy i pro záchranu jeho života. Navíc se „virtuální pracoviště“ může bez větších problémů rozšiřovat o další klinické a technické jednotky v regionu, kraji či republice.

Plastická chirurgie

Nemocný měl po odstranění nádoru deformované okolí oka na levé straně obličeje. Na základě vyšetření počítačovou tomografií bylo rozhodnuto doplnit chybějící části měkkou tukovou tkání (tukovým lalokem). Podle tomografických dat jsme vytvořili prostorový model pacientovy tváře a s využitím symetrie jsme doplnili chybějící část obličeje. Na 3D tiskárně jsme vyrobili vhodný doplněk, který chirurgové použili během operace pro přesnější přípravu a odebrání přenášené tkáně. Výsledek byl mnohem přesnější, operace byla kratší, snížilo se riziko komplikací a vyloučily další korekční operace. Rozdíly mezi počátečním subjektivním odhadem rozměrů laloku a rozměry vyrobeného doplňku se pohybovaly mezi 5–10 mm. Obdobně můžeme připravit operace skeletu při rekonstrukcích po těžkých úrazech obličeje, hlavy, rukou ad. (obrázek 1 a obrázek 3). 2)

Stomatologie

Někdy mohou dětem vyrůst druhé zuby na špatném místě nebo špatným směrem, např. vodorovně uvnitř čelisti nebo v bradě (obrázek 5a). Řešením je autotransplantace, při níž se postižené zuby vyjmou a „přesadí“ na správné místo. Pokud není transplantovaný zub dlouho mimo zubní lůžko a nepoškodí se vrstva jeho růstových buněk, pak jsou u dětí tyto operace velmi úspěšné.

Postup byl podobný jako v předchozím případě. Podle tomografického vyšetření jsme vytvořili prostorový model transplantovaného zubu (obrázek 5c) a na 3D tiskárně vyrobili jeho přesnou kopii (obrázek 5b). Při autotransplantační operaci se nové zubní lůžko připravilo s pomocí této kopie. Teprve potom byl živý zub vyjmut a usazen na nové místo (obrázek 4). Bez použití kopie transplantovaného zubu se příprava lůžka provádí s vlastním živým zubem a je mnohem větší riziko poškození nebo odření jeho růstových buněk. 3) Obdobné postupy používáme při zavádění implantátů a chystáme podporu rekonstrukčních operací komplikovaných rozštěpů patra.

Ortopedie

Je velmi obtížné provést totální náhradu kyčelního kloubu po komplikovaných úrazech, kdy je oblast kyčelního kloubu silně poškozena a obsahuje mnoho druhotných nárůstků a kostěných úlomků. Nelze postupovat standardně, protože není jasná situace ani geometrie postiženého místa. Pro určení nejvhodnějšího operačního postupu a implantátů (umělých jamek a hlavic kyčelního kloubu) je výhodné předem vyzkoušet na modelu několik variant (obrázek 6). Pokud je v některých případech nutné použít nestandardní implantáty nebo implantáty vyrobené na míru, lze je na základě prostorového modelu předem objednat nebo přesně navrhnout. Vlastní operace proběhne mnohem rychleji, přesněji a s menším rizikem komplikací. 4)

Medicína na míru

Snažíme se zachytit současný světový trend moderní medicíny, který klade důraz na individuální přístup k ošetření pacienta. Nejsme totiž stejní, jsme si podobní, ale lišíme se v rozměrech, proporcích a drobných detailech. Proto se domníváme, že především v komplikovaných případech je třeba postupovat individuálně. V chirurgii, ortopedii, stomatologii a dalších oborech je jedním z klíčů prostorové počítačové modelování tkání.

Poznámky

1) Na tomto pracovišti bylo vyvinuto uživatelské rozhraní programového systému TissueBuilder pro prohlížení dat počítačové tomografie a magnetické rezonance, segmentaci tkání a tvorbu trojrozměrných modelů tkání. Lze zadávat např. polohy jednotlivých řezů, rozmezí hustoty (denzity) snímku, což odpovídá zdůraznění určitých typů tkání, dále pak parametry k vytváření trojrozměrných modelů ad.
2) Dosud se uskutečnily dvě takové operace, a to na Klinice plastické a estetické chirurgie ve FN u sv. Anny v Brně. Aplikace byla realizována ve spolupráci s MUDr. M. Molitorem a prof. MUDr. J. Veselým, CSc.
3) Dosud se provedlo sedm operací tohoto druhu, a to na Stomatologické klinice ve FN u sv. Anny v Brně. Aplikace byly realizovány ve spolupráci s MUDr. P. Černochovou, Ph.D., a MUDr. K. Kaňovskou.
4) Dosud byly provedeny čtyři takové operace, a to na Klinice traumatologie v Úrazové nemocnici v Brně. Aplikace byly realizovány ve spolupráci s MUDr. J. Stoklasem.
5) Systém MeDiMed (Metropolitan Digital Imaging System in Medicine) byl vyvinut na Masarykově univerzitě v Brně a využívá síť CESNET2. Jeho úkolem je zajišťovat bezpečný přenos lékařských dat mezi lékařskými pracovišti v České republice.
6) Na FIT VUT je pro tento účel k dispozici 3D tiskárna Zprinter 310 od firmy Z-corporation. Toto zařízení produkuje pevné i pružné modely do rozměrů 250 × 200 × 200 mm s přesností ±0,1 mm. Rychlost tvorby je podle rozměru modelu od několika desítek minut do 6 hodin. Prostorový reálný model vybrané tkáně lze vytvořit do osmi hodin od vyšetření počítačovou tomografií a magnetickou rezonancí.

Od digitálních dat po model v rukou lékaře

Vstupní obrazová data, která zachycují vyšetřovanou část pacientova těla, poskytne počítačová tomografie či magnetická rezonance. Tyto digitální údaje se musí dostat v plné kvalitě tam, kde je lze zpracovat. Umožňuje to počítačová síť CESNET2 a systém MeDiMed, 5) díky nimž údaje putují v široce rozšířeném standardu pro komunikaci a přenos medicínských dat – DICOM 3.0 (obrázek 1a). Dříve než pacient stačí po vyšetření opustit pracoviště počítačové tomografie nebo magnetické rezonance, mohou mít jeho data k dispozici technici, kteří připravují prostorové modely.

Dalším krokem je segmentace vyšetřovaných tkání na základě dat z počítačové tomografie či magnetické rezonance. To znamená, že se v počítačovém trojrozměrném zobrazení označí oblasti obsazené vybranými tkáněmi. Původní digitální data totiž obsahují pouze informace o struktuře a vlastnostech tkání uvnitř pacientova těla. Segmentovaná data přidávají informaci o jejich rozložení (obrázek 1b).

Proces segmentace není triviální. Pro tomografická a rezonanční data dosud neexistuje dostatečně obecná plně automatická segmentační metoda. Ke zpracování obrazu se používají kombinace vhodných obecných metod a korigují se ručně, což je náročné časově (na úrovni hodin).

Z dat segmentovaných tkání lze přímo generovat prostorové počítačové modely. Existuje několik plně automatických metod, které vstupní segmentovaná data postupně převádějí (vektorizují) na trojrozměrné povrchové polygonální modely, vyhlazují je a upravují na požadovaný rozsah i přesnost. Vytvoření takového modelu s přesností ± 0,5 mm dnes na počítači trvá několik minut. I když tyto modely nepopisují vnitřní strukturu ani vlastnosti, jsou přímo použitelné pro mnoho aplikací klinické medicíny. Proces segmentace tkání může být zatížen subjektivní chybou operátora. Proto v praxi ještě správnost výsledků ověřuje kvalifikovaný lékař a spolu s technikem výsledek doladí. Na „virtuálním pracovišti“ se oba odborníci setkávají prostřednictvím sítě CESNET2, aniž musí sedět před jedním monitorem.

Pro lékaře je v mnoha klinických aplikacích vhodnější a přirozenější, když mají v rukou skutečný model. Získají tak přesnější představu o rozměrech, tvarech a vztazích jednotlivých tkání. Mohou si také přímo vyzkoušet různé operační postupy, vybrat vhodné nástroje nebo implantáty.

Prostorové počítačové modely tkání lze plně automaticky a rychle (do několika hodin) zhmotnit (materializovat) technologií Rapid prototyping. 6)

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Medicína

O autorech

Přemysl Kršek

Petr Krupa

Milan Šárek

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné