В Томском политехе разрабатывают роботизированную платформу для проведения эндоваскулярных операций на сердце

Опубликовано 07.05.2018 г.
Ученые лаборатории дизайна медицинских изделий Центра RASA на базе Томского политехнического университета работают над созданием не имеющей аналогов роботизированной платформы. Разработка возьмет на себя функцию «навигатора» для врача при проведении операций на сердце — поможет добраться до нужного участка жизненно важного для человека органа, не повредив по пути его ткани и сосуды. Кроме этого, с помощью этой технологии студенты и молодые специалисты смогут отрабатывать технику проведения эндоваскулярных операций на сердце.
 
Эндоваскулярное лечение патологий сердца заключается в том, что через сосуд к сердцу проводится катетер для диагностики и терапии сердечных заболеваний. Катетер помогает врачу доставить в сердце различные устройства, провести манипуляции. Например, установить при пороке сердца на месте дефекта окклюдер. Также катетеризация сердца может быть использована для различных измерений — сколько крови сердце качает в минуту (сердечный выброс), а также для выявления врожденных дефектов сердца и опухолей. Добавим, что эндоваскулярная процедура является гораздо более щадящей, чем традиционное вмешательство с разрезом тканей и вскрытием грудной клетки. На следующий день после эндоваскулярной операции пациент уже может самостоятельно передвигаться.

Чтобы при операции не возникло проблем, важно, чтобы катетер не травмировал стенки сердца и сосуды. Роботизированная платформа, разрабатываемая политехниками, по аналогии с GPS-навигатором призвана помочь «составить маршрут» — задать точные координаты для прохождения катетера к нужному участку сердца.

«Основными направлениями лаборатории являются, во-первых, исследование и разработка новых методов обработки графических данных, с целью безопасного и эффективного выполнения робот-ассистированных минимально инвазивных кардиохирургических операций внутри работающего сердца. Во-вторых, мы занимаемся разработкой роботизированных средств доставки инструментов в камеры сердца. Сложность обработки медицинских изображений приводит к необходимости разрабатывать новые автоматические методы сегментации анатомических структур сердца, трекинга инструмента и 3D-реконструкции, — рассказывает Ольга Гергет, научный сотрудник лаборатории дизайна медицинских изделий Центра RASA на базе ТПУ. — Для проведения исследований мы получаем реальные анатомические данные. К сожалению, медицинским данным характерна большая вариабельность признаков и малые объемы выборок, ограниченность времени принятия решения и большая зашумленность снимков. В процессе предобработки данных мы решаем проблему наличия цифрового шума и других дефектов без потери качества медицинских графических данных. Для этого нами был разработан новый метод автоматической сегментации изображений на основе гибридных алгоритмов, что позволило выделить контуры анатомических структур и медицинского инструмента внутри сердца с высокой точностью».

В настоящее время научный коллектив лаборатории работает над созданием математической модели роботизированных катетерных устройств, системы управления такими устройствами на основе визуальных методов трекинга, а также разрабатывает алгоритм прецизионной реконструкции трехмерной персонализированной модели сердца пациента на основании данных эхокардиографии и магнитно-резонансной томографии.

«Сердце непрерывно сокращается, и его очертания на разных изображениях тоже разные. Трудность работы на этом этапе заключается в том, чтобы определить его четкую границу. Сегментирование снимков позволяет это сделать. Результаты предоперационного МРТ помогают получить наиболее четкую неподвижную картинку, а данные УЗИ — определить границы сердца в движении. Таким образом, мы восстанавливаем динамическую 3D-модель сердца», — объясняет Ольга Гергет.

После того, как динамическая модель сердца получена, начинается работа над определением «пути» в сердце пациента для катетера. Система передает координаты дистального конца катетера на роботизированную установку, а дальше идет решение задачи построения «траектории» его движения.

«Применение роботизированных устройств с изменяемой жесткостью (минимальной при доставке катетера и максимальной при работе на ткани-мишени), управляемых с помощью интеллектуальной системы позиционирования катетера внутри камер сердца на основе трехмерных данных визуализации позволит выполнять реконструктивные операции», — заключает Ольга Гергет.

Сейчас испытание платформы проводится в лабораторных условиях на динамических фантомах сердца, а также планируется апробация разработки на свиных сердцах.

Испытания будут проводиться под руководством заведующего лабораторией дизайна медицинских изделий Центра RASA на базе ТПУ Николая Васильева (Медицинский факультет Гарвардского университета, Детский госпиталь Бостона, США). Кроме этого, научным коллективом ведется сотрудничество с НИИ кардиологии Томска.

«Роботизированная платформа на сегодняшний день не заменит хирурга, однако с ее помощью работать будет проще. Установка позволит точно определить местоположение инструмента и прийти в нужный участок сердца. Главное же предназначение, которое мы видим для нашей установки, —  обучение начинающих врачей и студентов, еще не уверенно работающих и разбирающихся в этом сложном процессе. С помощью нашей роботизированной платформы они смогут отработать и приобрести нужные опыт и навыки», — заключает Ольга Гергет.