Bardziej inteligentne zabiegi chirurgiczne dla dzieci z chorobami czaszki
Anomalie czaszkowo-twarzowe u niemowląt związane z przedwczesnym zrośnięciem się kości czaszki są określane mianem kraniosynostozy(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Wada ta występuje u jednego na 1 700 noworodków, a wynikające z niej deformacje czaszki mogą prowadzić do poważnych komplikacji zdrowotnych, w tym utraty wzroku, opóźnień neurorozwojowych i trudności w oddychaniu. Konwencjonalne metody chirurgiczne mają na celu zmianę kształtu czaszki i zmniejszenie nacisku na mózg. Zazwyczaj wymaga to wykorzystania urządzeń zewnętrznych lub wewnętrznych. Przewidywanie rezultatów tych zabiegów pozostaje wyzwaniem ze względu na zmienność właściwości kości i złożone oddziaływania biomechaniczne.
Niezwykle precyzyjne modele obliczeniowe
Zespół finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych projektu CAD4FACE miał na celu opracowanie metod obliczeniowych pozwalających na opracowanie symulacji czaszkowo-twarzowych dzieci na potrzeby planowania dostosowanych do potrzeb młodych pacjentów interwencji chirurgicznych. Kluczowym celem projektu było zrozumienie właściwości biomechanicznych kości czaszki u dzieci urodzonych z kraniosynostozą. W tym celu zespół badawczy pobrał ponad 300 próbek kości podczas operacji przeprowadzonych w brytyjskim szpitalu Great Ormond Street Hospital(odnośnik otworzy się w nowym oknie) u przeszło 250 pacjentów. Próbki te zostały zobrazowane w wysokiej rozdzielczości i zbadane mechanicznie w celu analizy właściwości strukturalnych i materiałowych kości dzieci dotkniętych tą chorobą. Otrzymane w ten sposób dane posłużyły do opracowania modeli obliczeniowych, które symulują zmianę kształtu czaszki po zabiegu i przewidują rezultaty u danego pacjenta. Retrospektywne dane dotyczące wzrostu głowy w wyniku zabiegu kranioplastyki zostały również wykorzystane w procesie treningu modelu. „Łącząc obrazowanie w wysokiej rozdzielczości z badaniami biomechanicznymi próbek pobranych z czaszek dzieci opracowaliśmy modele, które pozwalają na dokładną symulację kształtu czaszki po operacji”, wyjaśnia Silvia Schievano, główna badaczka projektu.
Innowacje w ramach projektu
Szereg narzędzi opracowanych w ramach projektu CAD4FACE przechodzi obecnie z fazy badań do zastosowań klinicznych. Jednym ze znaczących przełomów było opracowanie nowych implantów czaszkowo-twarzowych wykonanych z nitinolu(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – stopu niklu i tytanu charakteryzującego się pamięcią kształtu. Urządzenia te, zaprojektowane i dopracowane dzięki testom in silico, wywierają ciągły i delikatny nacisk w celu zmiany kształtu czaszki, dzięki czemu stanowią mniej inwazyjną alternatywę dla konwencjonalnych rozwiązań stalowych. Zespół opracował także model uczenia maszynowego wyszkolony na ponad 3 000 symulowanych wirtualnych operacji. To narzędzie sztucznej inteligencji może przewidywać rezultaty operacji w czasie rzeczywistym, dzięki czemu stanowi szybki system wspomagania decyzji lekarskich. „Wyeliminowaliśmy tym samym inżynierów i konieczność przeprowadzania skomplikowanych obliczeń z procesu”, podkreśla Schievano. „Chirurdzy mogą uzyskać natychmiastową informację zwrotną na temat tego, jak różne zabiegi mogą wpłynąć na kształt głowy, co umożliwia dokładniejsze planowanie”. Poza narzędziami do symulacji zabiegów chirurgicznych, zespół projektu CAD4FACE opracował pionierskie narzędzia umożliwiające wykorzystanie rzeczywistości wirtualnej i rozszerzonej (VR/AR) w chirurgii czaszkowo-twarzowej. Narzędzia te umożliwiają chirurgom zdalne planowanie zabiegów, wizualizację przewidywanych rezultatów, a nawet wyświetlanie optymalnych planów bezpośrednio na głowie pacjenta podczas operacji. Rzeczywistość wirtualna jest wykorzystywana do poprawy komunikacji z rodzinami, umożliwiając im wizualizację stanu dziecka i oczekiwanych rezultatów zabiegu w bardziej przystępny sposób. Jak mówi Schievano: „Wykorzystanie technologii takich jak modelowanie obliczeniowe, uczenie maszynowe i rzeczywistość rozszerzona zmieni chirurgię czaszkowo-twarzową - dzięki nim stanie się bardziej spersonalizowana, bezpieczniejsza i skuteczniejsza. Jest to szczególnie istotne w przypadku dzieci urodzonych z nieprawidłowościami czaszkowo-twarzowymi, gdzie precyzja i długotrwałe rezultaty są najważniejsze”.
Wdrożenie i plany na przyszłość
Szereg innowacji opracowanych w ramach projektu osiągnęło poziom dojrzałości pozwalający na ich wykorzystanie w kontekstach klinicznych. Narzędzia VR/AR są wykorzystywane podczas kursów szkoleniowych, wspierając spersonalizowane planowanie zabiegów chirurgicznych w całej Europie. Nowe urządzenie nitinolowe przechodzi obecnie proces zatwierdzania do stosowania w leczeniu dzieci, a współpraca z partnerami branżowymi jest w toku. W przyszłości zespół planuje rozszerzyć modele uczenia maszynowego, zbadać urządzenia nowej generacji i kontynuować weryfikację swoich narzędzi w ramach badań klinicznych. Dzięki projektowi CAD4FACE badacze chcą spersonalizować chirurgię czaszkowo-twarzową i poprawić wyniki leczenia dzieci z kraniosynostozą.
