- Мини-куб для создания искусственного сердца
- «Умная» челюсть
- Медицинское ПО
3D-моделирование, цифровые «копии», искусственные органы – это уже не фантастика, в вполне применяемые в медицине технологии. Диджитал-модели помогают планировать операции с максимальной точностью, а искусственные органы помогают жить пациентам с серьезнейшими нарушениями. Сейчас в России создают и внедряют разработки, которые еще несколько лет назад казались фантастикой.
Лаборатория для проектировании искусственного сердца
Так, ученые ИТМО совместно с исследователями из Сибирского федерального университета, Фонда инфраструктурных и образовательных программ и «Научно-производственного объединения Пролаб» разработали мини-лабораторию для контроля клеточных и бактериальных систем. Это первая в России автоматизированная мобильная лаборатория для создания искусственного сердца. В лаборатории будут выращивать клеточные культуры, создавать базы данных на основе экспериментов и даже разрабатывать искусственное сердце.
Чтобы работать с культурами клеток тканей и органов или микроорганизмами, необходимо соблюдать особые условия в помещении: поддерживать стерильность и определенную температуру, очищать воздух, использовать специализированную одежду для сотрудников. Для этого эксперименты проводят в культуральных боксах — стационарных изолированных лабораториях, в которых поддерживают нужные условия. Проблема таких помещений в том, что они стационарные и плохо подходят для обучения, так как в них одновременно может находиться очень мало людей.
Для решения проблемы и была создана мобильная лаборатория. Она сборно-разборная, имеет форму куба и очень компактная, ширина стороны – три метра. В кубе находится оборудование для культивирования клеток, там можно установить роботизированную платформу для анализа материалов с помощью атомно-силовой микроскопии. Куб снабжен системами автономной вентиляции и дополнительной стерилизации — воздушными фильтрами высокой эффективности. Мини-лаборатория подходит для решения нескольких задач.
Такая лаборатория решает и образовательные задачи – куб собирается в любом помещении, он прозрачен и оборудован камерами, которые транслируют работу в лаборатории. Благодаря этому разработку можно использовать в школах и вузах, чтобы демонстрировать эксперименты школьникам и студентам.
Что касается исследований, то помимо уже упомянутых экспериментов ученые планируют исследовать, как мышечные клетки сердца приживаются на различных полимерах. Это поможет понять, как заставить клетки сокращаться нужным образом и в перспективе создать кардиоимплантаты.
«В лаборатории мы занимаемся модельной тканевой инженерией — создаем ткани и органы человеческого тела в простейшей культивационной системе. Для этого мы культивируем клетки на образцах биоразрушаемых полимерных материалов, обладающих различной микро- и наноструктурой, и смотрим, как на эти материалы реагируют клетки. В зависимости от типа сигналов, которые формируют материалы, клетки могут прилипать к поверхности материалов, размножаться, прорастать вглубь или умирать. В зависимости от этого мы будем разрабатывать такие материалы, которые бы помогли добиться нужных от клеток функций»
руководитель проекта, лауреат программы Екатерина Шишацкая
Фото НОЦ Инфохимии ИТМО
Также с помощью лаборатории исследователи будут развивать направление орган-на-чипе, это устройства для создания миниатюрных копий тканей и органов. В перспективе такие наработки можно масштабировать для создания полноценного искусственного сердца.
«Умная» челюсть для студентов-стоматологов
Зубы и их состояние – это боль, знакомая и близкая каждому. В последнее время стоматология взяла на вооружение множество технологически разработок, от умных материалов до полного моделирования. И вот в Пермском политехе разработали и уже внедрили так называемые «умные зубы». Занятия студентов-медиков стараются приблизить к максимально реалистичным условиям, чтобы исключить любое неверное действие. Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Пермского государственного медицинского университета имени академика Е.А. Вагнера и Московского государственного медико-стоматологического университета им. А. И. Евдокимоваразработали smart-челюсть для практических занятий студентов-стоматологов и повышения квалификации практикующих врачей.
По мнению разработчиков, наиболее сложной для понимания и освоения темой для студентов-стоматологов является эндодонтическое лечение зубов, то есть обработка корневых каналов, что связано с практически полным отсутствием визуализации рабочего поля внутри зубца и необходимостью осуществления манипуляций с основой на тактильных ощущениях. Одним из способов решения данной проблемы является использование специальных smart-зубов, встроенных в smart-челюсть.
«Мануальные умения отрабатываются продолжительным и многократным препарированием фантомных зубов. В данном контексте использование smart-челюсти со smart-зубами обеспечивает наглядность и реалистичность, присущие клиническим этапам, особенно в части диагностических навыков. Благодаря реализованной обратной связи по обработке зуба, появляется возможность проводить дифференциальную диагностику между различными патологическими состояниями твердых тканей на основании определения специфических симптомов или вовсе их отсутствия»
заведующий кафедрой «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ, доктор технических наук Александр Южаков
Smart-челюсть представляет собой имитатор нижней челюсти человека с интегрированными сенсорными элементами, а также электронный блок — управляющий контроллер для обработки данных. Сам механизм состоит из жесткого полимерного основания, мягкой накладки — имитатора десны и набора съемных зубов. В smart-челюсть и зубы встроено множество датчиков, что позволяет использовать мультисенсорный подход для увеличения точности измерений (введение регистраторов внешнего давления, температурного воздействия, глубины погружения инструмента при препарировании и так далее).
Ученые ПНИПУ уже внедрили свою разработку в антропоморфного робота-симулятора Promobot-Ct, который был ими создан для подготовки врачей-стоматологов в Пермском государственном медицинском университете имени академика Е.А. Вагнера. Это поможет студентам-стоматологам, а также уже действующим врачам максимально реалистично изучать и отрабатывать самые тяжелые случаи, которые могут встретиться с реальным пациентом.
Моделирование и программирование
Российские ученые ведут множество разработок, которые помогают медикам, особенно хирургам, наиболее точно придумать план лечения, операции и последующей реабилитации. Так, в прошлом году исследователи Сеченовского университета начали разработку цифровых моделей различных органов человека. Их можно будет персонализировать под конкретного пациента, оценивать, нужна ли ему операция. А если нужна, моделировать, как организм отреагирует на то или иное действие хирурга или лекарство. Это позволит в 10–20 раз сократить число побочных эффектов и послеоперационных осложнений, уверены специалисты. Особое значение технология имеет для кардиологов и онкологов. В перспективе ученые рассчитывают создать не просто виртуальные модели отдельных органов, а полные цифровые копии человека.
Цифровые двойники человека управляются алгоритмами искусственного интеллекта. Благодаря способности делать высокоточные прогнозы эта технология позволит в 10–20 раз сократить количество побочных эффектов и нежелательных послеоперационных явлений, отметил научный сотрудник Института персонализированной кардиологии Сеченовского университета Андрей Рожков.
Также ученые Сеченовки совместно с индустриальным партнером ООО «РТК Радиология» приступили к разработке приложения для компьютерной томографии, которое поможет врачам более быстро и точно планировать операции органов грудной клетки. Новый модуль значительно ускорит подготовку к торакальным операциям, в том числе удалению опухолей. Сейчас врачи опираются на собственные знания и опыт, и процесс занимает немало времени. Автоматизация с помощью искусственного интеллекта сократит время планирования операции, а также даст возможность обучать начинающих специалистов.
«Мы надеемся, что наша разработка позволит улучшить качество операций и помочь специалистам лучше ориентироваться на этапе планирования хирургического вмешательства. Сейчас хирурги опираются в первую очередь на свои знания и опыт, новый инструмент позволит автоматизировать ряд процессов. Кроме того, его можно будет применять для обучения будущих хирургов»
директор Института персонализированной онкологии Сеченовского Университета Марина Секачева
Ученые уверены, что разработка позволит не только облегчить работу врачей, но и позволит значительно повысить качество жизни пациентов в послеоперационный период.
