Dr inż. Marek Wodziński z Wydziału Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej planuje wykorzystać sztuczną inteligencję do projektowania implantów czaszkowych w znacznie szybszy sposób niż ludzie. Choć medycyna wyposażyła nas już we wszystkie narzędzia niezbędne do pomocy ludziom z ubytkami kości czaszki, wiele osób wciąż czeka na operację wszczepienia implantu czaszkowego.

Nowoczesna technologia w zasięgu ręki neurochirurga

Obecnie proces wytwarzania zindywidualizowanych implantów czaszkowych jest bardzo czasochłonny, a liczba neurochirurgów niewystarczająca, co jest główną przyczyną długiego czasu oczekiwania na operację. Dlatego projekt dr. Wodzińskiego może mieć ogromne znaczenie dla pacjentów, którzy potrzebują szybkiej interwencji medycznej, aby powrócić do zdrowia.

Do chwili obecnej projektowanie implantów czaszkowych jest procesem czasochłonnym i wymagającym sporej liczby specjalistów. Zazwyczaj biomechanicy muszą dopasowywać implant do pacjenta, a następnie przekazać model do producenta, który stworzy fizyczną formę implantu. Cały proces przed dopuszczeniem go do wszczepienia pacjentowi może trwać tygodnie lub miesiące. Dr inż. Marek Wodziński, Naukowiec z AGH, postanowił rozwiązać ten problem i w ramach projektu badawczego chce wykorzystać sztuczną inteligencję, aby projektować implanty czaszkowe spersonalizowane dla danego pacjenta. Neurochirurg na sali operacyjnej będzie mógł jednym kliknięciem otrzymać gotowy model do wydruku 3D.

Dr inż. Marek Wodziński jest już znanym naukowcem w dziedzinie medycyny. Jego prace nad dopasowaniem obrazów medycznych zostały nagrodzone w konkursie ABB, a za swoją dotychczasową działalność otrzymał stypendium START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej oraz stypendium ministra dla wybitnych młodych naukowców. Sam badacz zwraca uwagę na trudności związane z projektowaniem implantów czaszkowych, gdyż defekty czaszkowe są zróżnicowane, a implant musi być spersonalizowany do każdego pacjenta. Dotychczas zespoły badawcze próbujące stworzyć algorytmy do projektowania implantów spotkały się z umiarkowanym sukcesem, ponieważ nie są w stanie abstrahować swojej wiedzy na nowe przypadki. W projekcie dr. Wodzińskiego wykorzystywana będzie sztuczna inteligencja, aby zwiększyć zdolność do generalizacji zaproponowanych algorytmów. Ponadto twórca projektu uwzględnia również materiały, z których wykonane są implanty, ich odpowiedź mechaniczną i biologiczną, a także fakt, że bezpośrednio po zabiegu mózg może być zdeformowany lub może pojawić się obrzęk, dlatego dalsze modyfikacje modelu defektu są wymagane przed przeprowadzeniem implantacji.

Sztuczna inteligencja może pomóc w projektowaniu spersonalizowanych implantów czaszkowych za pomocą algorytmów uczenia głębokiego, które są w stanie przetwarzać duże ilości danych. Algorytmy te uczą się, jak projektować implanty, korzystając z obrazów z tomografii komputerowej lub rezonansu magnetycznego. Są one szybkie i skuteczne, dlatego mogą zwiększyć innowacyjność projektu, gdyż pozwalają na projektowanie implantów nawet bezpośrednio na sali operacyjnej, co może znacznie skrócić czas całej operacji.

Wirtualne przymiarki implantów czaszkowych

Dr inż. Marek Wodziński chce wykorzystać podgrupę metod uczenia głębokiego, m.in. uczenie ze wzmacnianiem. Metoda ta polega na tworzeniu botów, które zdobywają informacje poprzez reakcję na swoje działania w "środowisku". Podobnie jak w przypadku gier, algorytm projektowania implantu będzie stymulowany w ten sam sposób, kiedy proponuje właściwy implant, a w inny sposób, gdy jego wynik nie nadaje się do implantacji. Dzięki dostatecznej ilości przypadków, algorytm będzie w stanie dopasować implant do każdego ubytku czaszki.

Lekarze będą mieli możliwość łatwej modyfikacji projektu za pomocą przyjaznego interfejsu, co pozwoli na dostosowanie implantu do indywidualnych preferencji każdego chirurga. Dodatkowo, system umożliwi manualne sterowanie procesem projektowania. Projektanci wprowadzili również technologię mieszanej rzeczywistości, dzięki której lekarz będzie mógł „przymierzyć” implant do czaszki z użyciem specjalnych gogli. Dzięki temu będą mogli dokładniej dostosować implant przed jego wydrukiem, co pozwoli zaoszczędzić kosztowne materiały.

Kolejne kroki w rozwoju projektu

Projekt finansowany z konkursu LIDER będzie poświęcony na opracowanie i przetestowanie skuteczności nowego rozwiązania dotyczącego rekonstrukcji kości czaszki. Większość środków zostanie wykorzystana na zakup sprzętu oraz materiałów niezbędnych do stworzenia prototypu implantów i przetestowania ich skuteczności. W ramach projektu zostaną wydrukowane testowe implanty z materiałów certyfikowanych medycznie, które zostaną zaprezentowane neurochirurgom z różnych krajów. Naukowcy nie będą jeszcze wszczepiać implantów pacjentom na tym etapie, ponieważ potrzebna jest certyfikacja medyczna samego oprogramowania, co jest znaczącym kosztem i wymagałoby dodatkowego dofinansowania. Mimo to, dr inż. Marek Wodziński podkreśla, że uzyskanie certyfikatu na oprogramowanie jest szybszym procesem niż uzyskanie certyfikatu na drukarki czy materiały biomedyczne, co daje nadzieję na szybkie wdrożenie tego rozwiązania.

Literatura:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169260722005545

https://www.agh.edu.pl/en/news/detail/implants-at-the-push-of-a-button

Powyższy artykuł powstał wyłącznie w celach informacyjnych i nie jest reklamą. Nie ponosimy żadnych korzyści finansowych, ani innych korzyści związanych z jego publikacją.