Nowe oblicze tomografii termicznej

Prof. Nowakowski w swojej pracowni

Zespół prof. Antoniego Nowakowskiego, kierownika Katedry Inżynierii Biomedycznej na Politechnice Gdańskiej, otrzymał główną nagrodę firmy Siemens za opracowanie nowej, nieinwazyjnej techniki diagnostycznej, pozwalającej wykorzystać tomografię termiczną m.in. do oceny głębokości oparzeń, stanu zaawansowania tkanki nowotworowej, obszarów niedokrwienia mięśnia sercowego, jakości narządów do przeszczepu, jak również do oceny narządu przed interwencją chirurgiczną. Specjaliści tomografii termicznej uznali wyniki badań za nowatorskie.

Badania nad nową techniką diagnostyczną prowadzone były przez kilkunastoosobowy zespół interdyscyplinarny. Uczestniczyli w nich pracownicy z katedry prof. Nowakowskiego: dr inż. Mariusz Kaczmarek i dr inż. Marcin Hryciuk. Dołączyła do nich niemała grupa specjalistów z innych dziedzin, a zwłaszcza medycyny. Spory wkład posiadają też inżynierowie, biolog, a także pracownicy pomocniczy. Nowa technika diagnostyczna była również przedmiotem prac doktorskich i dyplomów magisterskich.

Liczne doświadczenia przeprowadzano zarówno w warunkach in vitro, jak in vivo (na żywych tkankach). A wszystkie prace prowadzone były w ramach dwóch grantów Komitetu Badań Naukowych. Pierwszy z nich obejmował prace badawcze wytyczone na lata 1999-2001, związane z zastosowaniem termografii dynamicznej przy różnicowaniu tkanek przeznaczonych do badania nieinwazyjnego. Drugi grant natomiast, obejmujący możliwości i ograniczenia tomografii termicznej, realizowany był w latach 2001-03.

Odległe źródło

Biomedycyna jest niezwykle fascynującą dziedziną nauki, dającą wymierne korzyści człowiekowi. Nie może być mowy o postępie w medycynie bez rozwoju technik badań diagnostycznych. Nie dziwi, że prof. Nowakowski zainteresował się biomedycyną jeszcze w trakcie studiów w Politechnice Warszawskiej, które ukończył w latach 60. Pracę dyplomową na temat termografii medycznej (techniki podczerwieni, wykorzystywanej w diagnostyce) zrobił pod kierunkiem prof. Juliusza Kellera w Katedrze Aparatury Biomedycznej.

Ogromny postęp zaistniał w diagnostyce od momentu zastosowania przed stu laty pierwszych badań rentgenowskich. Mimo że jeszcze i dziś gabinety radiologiczne posługują się tą techniką, możliwości badania chorych w najnowocześniejszych placówkach diagnostyczno-leczniczych są dużo większe. Można obecnie nie tylko doskonale zbadać tkankę kostną, ale również „prześwietlić” naczynia wieńcowe, tętnice mózgu, naczynia kończyn, wniknąć w głąb jamy brzusznej oraz innych narządów.

- Istota rzeczy polega na tym - wyjaśnia prof. Nowakowski - że znacznie zwiększyła się rozdzielczość (czułość) metod detekcyjnych. Niezmiernie istotne znaczenie miał rozwój tomografii, pozwalającej na obrazowanie organów wewnętrznych człowieka za pomocą bardzo różnych technik. A zaczęło się od tomografii rentgenowskiej przed niespełna 30 laty. Obecnie wykorzystuje się MRI, czyli rezonans magnetyczny (Magnetic Resonance Imaging), pozwalający nawet na obrazowanie funkcji mózgu. Da się na przykład ustalić, że inaczej wygląda praca mózgu człowieka, który uczył się języka angielskiego jako dorosły człowiek i inaczej kogoś, kto jest osobą bilingual, czyli biegle władającą i angielskim, i polskim od wczesnego dzieciństwa.

Rezonans magnetyczny pozwala na pokazanie obszaru zwiększonego ukrwienia w rejonie, gdzie aktywna jest dana część mózgu. Zatem najnowocześniejsze techniki obrazowania i diagnozowania są nie tylko bardzo precyzyjne, ale również zwiększają zakres badań.

Żmudne prace badawcze

Za czasów studenckich Antoniego Nowakowskiego aparatura w laboratorium naukowo-badawczym działała na nieco innych zasadach. - Gdy zaczynałem studia - mówi profesor - wykonywało się urządzenia w technice lampowej. Technologia w elektronice rozwijała się w sposób niezwykle szybki. Istotny postęp dokonywał się praktycznie co cztery lata!

- Pierwszy komputer skonstruowany został w 1944 r. w Stanach Zjednoczonych - kontynuuje prof. Nowakowski. - Zajmował ogromną powierzchnię. Od tamtego czasu bardzo wiele się zmieniło.

Nowe narzędzie diagnostyczne jest bardzo obiektywne. Daje bowiem wiedzę o stanie uszkodzonej tkanki, opartą na rzetelnym pomiarze.

Prowadzono kompleksowe badania możliwości oraz ograniczeń metody tomografii termicznej i tomografii dynamicznej, z myślą o możliwości zastosowania obu w diagnostyce medycznej. Opracowano stosowne narzędzia pomiarowe, prowadzono badania symulacyjne za pomocą odpowiedniego oprogramowania komputerowego. W Katedrze Fizjologii Zwierząt Uniwersytetu Gdańskiego prowadzono badania na zwierzętach, a następnie zajęto się badaniami klinicznymi w gdańskiej Akademii Medycznej.

Niezbędne było zbudowanie szeregu stanowisk do niezwykle mozolnych i precyzyjnych badań. Utworzono stanowisko do badań aktywnej termografii dynamicznej, wyposażone w kamerę podczerwieni i zestaw źródeł pobudzenia sinusoidalnego i impulsowego. Działalność wszystkich urządzeń była zsynchronizowana. Wykorzystano różne źródła pobudzeń: optyczne halogenowe, podczerwieni, impulsowych lamp wykładowczych, laserów, nadto źródła mikrofalowe. Stosowano też pobudzenia strumieniem zimnego i gorącego powietrza oraz chłodzenie wodą.

Utworzono stanowisko kamer podczerwieni oraz kamer obserwacyjnych z cyfrową kamerą wideo do multispektralnych analiz procesów pobudzeń dynamicznych. Dysponowano ponadto trzema zestawami do pomiarów termicznych tkanek biologicznych. Co więcej, opracowano i przebadano szereg procedur pomiarowych oraz algorytmów analizy danych.

Specjalne oprogramowania

Utworzono specjalne oprogramowania: do sterowania stanowisk i do akwizycji danych, a zwłaszcza do analizy sekwencji serii obrazów podczerwieni; do modelowania procesów roznoszenia się ciepła w tkankach; do analizy rozkładu parametrów termicznych tkanek i do rozwiązywania tzw. zagadnienia odwrotnego, stanowiącego sens tomografii termicznej oraz do wyznaczania nowych sposobów opisów obrazu termalnego.

Niezwykle żmudne i pracochłonne badania doprowadziły do opracowania teoretycznych podstaw nowej techniki badań z wykorzystaniem tomografii termicznej. Istotne, że nową technikę zastosowano w praktyce, dając lekarzom po raz pierwszy narzędzie do nieinwazyjnej oceny stanu chorej tkanki. W 2003 r. długoletnie badania zaowocowały wdrożeniem nowych metod wizualizacji i diagnostyki termicznej w medycynie. Wtedy właśnie nowe techniki diagnostyczne wdrożono w Klinice Kardiochirurgii oraz w Klinice Leczenia Oparzeń i Chirurgii Plastycznej Akademii Medycznej w Gdańsku. Temat prac badawczych był na tyle fascynujący, że stał się przedmiotem rozpraw doktorskich Mariusza Kaczmarka i Marcina Hryciuka (obaj są pracownikami katedry kierowanej przez prof. Nowakowskiego). Ponadto wyniki badań opublikowano w dwóch monografiach.

Następnie przyszedł czas na nagrody. Szczególnie satysfakcjonuje prestiżowa nagroda Andronicos Kantsios Award, wręczona na światowej konferencji termograficznej w Orlando (USA) w kwietniu 2001 r. - Kiedy wręczano mi tę nagrodę - mówi profesor Nowakowski - podkreślono, że nasze wyniki badań otwierają nowe horyzonty zastosowań techniki termograficznej w medycynie. Wyniki badań zespołu prof. Nowakowskiego są bardzo przydatne zwłaszcza w diagnostyce oparzeń i dokonywaniu przeszczepów skóry. Nowa technika diagnostyczna stwarza niemałe nadzieje dla ludzi chorych na serce. Okazuje się, że można chronić mięsień sercowy w trakcie zabiegów kardiochirurgicznych. Już teraz można określić przyczyny niektórych nagłych, śródoperacyjnych zawałów w trakcie zabiegów wykonywanych bez krążenia pozaustrojowego. Wystarczy nie dopuścić do przechłodzenia uszkodzonej tkanki, by zapobiec migotaniu komór.

Co dalej?

Ambicją profesora jest uruchomienie produkcji aparatury do badań. Aparaturę taką tworzyłby standardowy termograf. Natomiast pozostałe urządzenia trzeba byłoby wykonać, w tym źródła pobudzenia termicznego, sprzęgnięcia z aparaturą termograficzną, jak również należałoby opracować specjalne oprogramowanie. Tego rodzaju aparatura przydałaby się zwłaszcza w oddziałach szpitalnych i klinicznych, gdzie leczy się oparzenia, choroby serca i choroby nowotworowe.

Wypada dodać, że zespół prof. Nowakowskiego zajmuje się także badaniami związanymi ze stosowaniem tomografii elektroimpedancyjnej, pozwalającej na pokazanie rozkładu parametrów elektrycznych tkanek biologicznych. Ma to też istotne znaczenie w diagnostyce medycznej. W Politechnice Gdańskiej powstał unikatowy model tomografu trójwymiarowego elektroimpedancyjnego, który wzbudził nie lada sensację na konferencji naukowej w Heidelbergu w połowie lat 90.

- Istnieje podobieństwo między tomografią termiczną a tomografią elektroimpedancyjną, ponieważ parametry termiczne i elektryczne tkanek biologicznych są mocno ze sobą skorelowane - stwierdza prof. Nowakowski. - Tomografia elektroimpedancyjna pozwala np. określić obszar tkanki nowotworowej piersi. Nie ma więc potrzeby stosowania badań inwazyjnych.

Metody i techniki diagnostyczne, nad którymi pracuje interdyscyplinarny zespół prof. Nowakowskiego, mają przyszłość.

- Zaobserwowaliśmy, że tkanka chorobowa (mastopatyczna) zmienia swoje właściwości elektryczne na znacznie szerszym obszarze niż zajmuje guz nowotworowy, który można wykryć np. aparaturą rentgenowską, badającą gęstość tkanki - mówi szef Katedry Inżynierii Biomedycznej PG. - Okazuje się, że z chwilą, gdy zaczyna tworzyć się nowotwór, zmienia się ukrwienie tkanki. A ukrwienie można badać metodą elektroimpedancyjną, co może mieć duże znaczenie w terapii.