Výzkumník z CEITEC VUT vyvíjí software pro objektivní hodnocení úspěšnosti fúze obratlů

Jakub Lázňovský z CEITEC VUT se věnuje počítačovému zpracování obrazu. V jedné z jeho posledních publikací ve vědeckém časopise Computers in Biology and Medicine představil automatický software, který umožňuje objektivně a přesně posoudit úspěšnost fúze obratlů páteře prasat ve 3D. Tato inovativní metodika má potenciál ovlivnit klinickou praxi a v budoucnu pomoci lékařům stanovit kvalitu fúze a vyhodnotit úspěšnost léčby pacientů s problémy páteře.

K vývoji softwaru jste se dostal prakticky náhodou, je to tak?

V podstatě ano, protože jsem se tím začal zabývat na základě spolupráce s výzkumnou skupinou docentky Vojtové, která vyvíjí nové materiály pro biologické aplikace. Zajímali se konkrétně o meziobratlovou fúzi, což je chirurgický postup, který se používá k léčbě širokého spektra páteřních onemocnění, jako např. bolest zad v důsledku degenerativních onemocnění, úrazů, nestability nebo deformace páteře. Během této operace jsou dva nebo více obratlů spojeny pomocí implantátů a šroubů tak, aby se zabránilo pohybu mezi nimi. Tím se pacient zbaví jak symptomů onemocnění, tak i bolesti.

A kolegové přišli s novým typem implantátu?

Přesně tak. Během operace je obvykle odstraněna postižená plotýnka mezi dvěma obratli a následně je do této oblasti vložen štěpový materiál, který podporuje růst kosti. Tím vytváří spojení mezi dvěma obratli, které postupně srůstá a vytváří stabilní kostní most. Kostní štěp se nejčastěji odebírá přímo z pacienta – z lopaty kosti kyčelní.

Výzkumná skupina docentky Vojtové vyvinula dva typy nových nanokompozitních implantátů na bázi polymerní/keramické pěny zahrnující buď růstové faktory, nebo polyfosfáty. Tento nový typ nanokompozitních implantátů lze použít pro podporu srůstu obratlů místo štěpového materiálu, jehož odběr je pro pacienta dalším náročným zásahem, který prodlužuje jeho rekonvalescenci.

University of Waterloo a CEITEC VUT uzavřeli memorandum o spolupráci

Jaká byla Vaše úloha?

Mojí úlohou bylo charakterizovat kostní spojení – zjistit, jak je fúze kvalitní, a porovnat výsledky při použití jednotlivých typů implantátů a kostního štěpu. Pro tyto účely jsem navrhl metodiku s automatickým/objektivním přístupem k hodnocení fúze páteře ve 3D pomocí rentgenové počítačové mikrotomografie (mikroCT). Úspěšnost spojení se totiž často hodnotí subjektivně – záleží na zkušenostech radiologa. Musím ale zdůraznit, že naším modelem nebyla páteř člověka, ale prasete, která je té lidské nejpodobnější.

Můžete pro lepší představu popsat postup výzkumu?

Nejdříve musely tři skupiny čtyřměsíčních prasat o hmotnosti přibližně 40 kg podstoupit operaci bederní páteře. Každá skupina dostala jiný implantát – štěp z vlastní kosti a již zmíněné dva nové biomateriály. Po dobu 16 týdnů probíhala zmiňovaná fúze, hojení obratlů. Pak se vzorky extrahovaly. Všechny kusy páteře z celkem 15 prasat byly naskenovány pomocí mikroCT a já začal pracovat na automatizovaném hodnocení výsledků.

V čem spočívá výhoda mikroCT?

Jedná se o metodu, díky které dokážeme relativně rychle a levně zobrazit vnitřní strukturu skenovaného objektu ve 3D. Velmi detailně, neinvazivně a nedestruktivně. Proto je mikroCT vhodný nástroj i pro tento výzkum. Měl jsem tedy skeny 15 vzorků páteře, ale chyběla objektivní metodika, jak je vyhodnotit – jestli je srůst kvalitní, či nikoli.

Existují pouze zavedené metodiky, které slouží jako návod pro radiology. Ti vyhodnocují kvalitu fúze pouze pohledem na rentgenové snímky, jenž pak kategorizují na základě jejich kvality. Problém tohoto postupu spočívá v subjektivitě a nepřesnosti. Proto jsem chtěl, aby to za člověka udělal počítač a aby výsledek – jak dobře obratle srostly – byl vyjádřen přímo v procentech. Což se podařilo.

Kdo bude moct s vytvořenou automatickou analýzou kvality srůstu kostí pracovat?

Kdokoli na světě, kdo zkoumá materiály. Celý proces je automatický není tam prostor pro nějaké subjektivní hodnocení, a tedy mylnou interpretaci výsledků. Kdokoliv tedy vyvíjí bioimplantáty pro obratlovou fúzi, může naši metodiku využít pro hodnocení. Výsledky fúze za použití jiných bioimplantátů budou pak srovnatelné například s výsledky získanými za použití bioimplantátů vyvíjených zde na CEITEC.

Jaký implantát z analyzovaných tří skupin nejvíc pomohl srůstu obratlů?

Bioimplantát, který vyvinula výzkumná skupina docentky Vojtové dosahoval lepších výsledků než zlatý standard – využití kostního štěpu z kyčle operovaného. Vzhledem k tomu, že se jedná o drahý materiál, chtěli kolegové otestovat ještě jeho levnější úpravu. U této úpravy se ale bohužel vhodnost pro použití při obratlové fúzi nepotvrdila. K tomu materiálu ale jinak nemůžu moc říct, na to odborník nejsem. Já zkoumal naměřená data.

Díky výzkumu čipů je brněnské VUT nejen v CNSC, ale i v Silicon Europe

Publikace, o které se bavíme, vyšla už loni v červnu. Posunul se výzkum dál?

Získali jsme v rámci vnitřní podpory od VUT grant na další rozvíjení této metodiky směrem k hlubšímu testování kvality jednotlivých materiálů, které se dají použít pro fúzi obratlů. To znamená, že už vyšel další článek a s ním i softwarový balík, který poskytuje metodiku hodnocení kvality srůstu. Je veřejně dostupný všem zájemcům.

Kde by mohl být Váš software ideálně využívaný?

Vzhledem k tomu, že tento přístup je univerzální a automatický, má tato metodika potenciál vytvořit standardní přístup pro hodnocení kvality fúze u vzorků ex vivo, který bude možné následně využít i na klinických datech. Budeme rádi, když na nás někdo naváže. Moje vize je, že by se to dostalo do klinické praxe na kontrolu úspěšnosti fúze.

Na to je ale potřeba úprava metodiky, protože mikroCT pro výzkumné využití má řádově lepší rozlišení oproti klinickému – jak známe z nemocnic. Takže je pak potřeba hodnotit trochu jiné parametry kvality fúze. Čili mým cílem je, aby software jednou pomohl radiologům při stanovení kvality a vyhodnocení toho, jestli byla operace úspěšná.

Studujete doktorát na CEITEC už třetím rokem, jak široký je Váš záběr?

Hodně široký. Naše výzkumná skupina vedená profesorem Kaiserem, respektive CT laboratoř vedená docentem Zikmundem pracuje jak na čistě výzkumných, tak i na průmyslových projektech. Já osobně zkoumám vnitřní strukturu biologických a průmyslových materiálů. Mimo to se zabýváme tím, jak vylepšit zobrazování obtížně měřitelných materiálů.

Například biologické vzorky jsou hůř zobrazitelné kvůli malému rozdílu kontrastu mezi jednotlivými typy měkkých tkání ve vzorku. U CT platí pravidlo: čím větší rozdíl v hustotě jednotlivých zobrazovaných materiálů, tím lepší je kontrast mezi nimi. To určitě znáte i z rentgenových snímků. Poznáte, že má pacient šrouby v kosti – svítí jasnou bílou barvou. A pochopitelně taky vyvíjíme metodiku, algoritmy, zmiňované softwary, jak data zpracovat.

Takže za Vámi často chodí kolegové, abyste jim udělal charakterizaci materiálu? I třeba firmy?

Ano. To byl vlastně i případ publikace, o které se bavíme. A zaměřujeme se i na spolupráci s průmyslovými firmami. Běžně se stává, že nám nějaká společnost – třeba automobilka – pošle výrobek a my děláme výstup kvality. Zkoumáme pórovitost, přesnost výroby, případné kazy…

Co nejzajímavějšího se Vám dostalo do laboratoře?

Podle mě asi meteorit, který spadl u Žďáru nad Sázavou. Taky jsme zkoumali vývoj myších embryí, nanomateriály, baterie, farmaceutické výrobky nebo dokonce olympijskou helmu. Všechny projekty jsou velmi unikátní a zajímavé. Pak jsem taky pracoval s klinickými daty z nemocnic, kde cílem bylo optimalizovat dechovou podporu předčasně narozených dětí. V podstatě jsem na základě těchto dat modeloval jejich dýchací systém. Převážně se tedy zaměřuji na ta biomedicinská témata s možným přesahem zlepšení kvality lidského života.

Zdroj: CEITEC VUT