Nové využitie telemedicíny v oblasti biomedicínskeho inžinierstva -

Strojnícka fakulta Technickej univerzity v Košiciach (SjF TUKE) je v súčasnosti známa najmä vývojom vodíkových technológií, ktoré boli integrované a predstavené na Expo v Dubaji vo forme vodíkového autobusu a športového auta. Za týmto špičkovým výskumom nezaostáva ani výskum v oblasti biomedicínskeho inžinierstva. Už dlhodobo je nosne orientovaný do oblasti návrhu, testovania a výroby personalizovaných implantátov pomocou 3D tlače.

Strojnícka fakulta TUKE v spolupráci so spoločnosťou Biomedical Engineering, s.r.o. vyvíjajú novú generáciu inovatívnych kraniálnych, maxilo-faciálnych, spinálnych, hrudných implantátov a implantátov pre regeneratívnu medicínu s prísľubom ich skorej klinickej adaptácie a využitia v rámci výrobných nemocníc. Doposiaľ bolo vyvinutých, vyrobených a chirurgicky aplikovaných takmer 500 implantátov na Slovensku, ale aj vo svete. K ďalším oblastiam, ktorým sa katedra venuje patrí biosenzorika, medicínske modelovanie a simulácie, vývoj a výroba zdravotníckych pomôcok a zariadení pre oblasť traumatológie, protetika a ortotika a taktiež meranie so zameraním na počítačovú tomografiu. Jednou z výskumných úloh na katedre je taktiež aplikácia magnetických mikrovlákien ako bezkontaktných a bezdrôtových senzorov v spolupráci s UPJŠ v rámci Cassovia New Industry Cluster (CNIC) v Košiciach.

Biomedicínske inžinierstvo je interdisciplinárna oblasť, vyžadujúca si spoluprácu viacerých vedných odborov a klinickej praxe. SjF TUKE má preto efektívnu spoluprácu s viacerými nemocnicami na Slovensku, ku ktorým patrí napríklad UNLP v Košiciach, Nemocnica Košice-Šaca a.s., Univerzitná nemocnica Martin a ďalšími zdravotníckymi pracoviskami. Nezaostáva ani spolupráca so zahraničnými univerzitami a inštitúciami, ako napr. ČVUT v Prahe, Univerzitou v Maribore (Slovinsko), Univerzitou v Bialystoku (Poľsko), UIC v Chicagu (USA), resp. významnými zahraničnými partnermi sú belgická spoločnosť Materialise, nemecká EOS GmbH, resp. rakúsky LIthoz. Momentálne sa rozbiehajú aktivity s viacerými spoločnosťami mimo oblasti personalizovaných implantátov, ako napr. so Siemens Healthineers, Goldmann Systems a dalšími. Ide o oblasti medicínskeho modelovania, simulácií, umelej inteligencie, resp. telemedicíny. Každým rokom stúpa počet traumatických poranení, ktoré súvisia najmä so športovými aktivitami a automobilovými haváriami. Medzi takéto traumy patria aj zlomeniny holennej kosti a zlomeniny v oblasti krčnej chrbtice. Fixácia takýchto zlomenín sa v súčasnosti rieši viacerými spôsobmi, najmä internou a externou fixáciou.

Najčastejšie používané interné a externé fixátory sú však veľmi invazívne, pretože ich skrutky (piny) pri fixácii penetrujú kosť pri internej fixácii v rámci vnútra dreňovej dutiny a pri externej fixácii skrz celý prierez kosti, t. j. cez obidve kompakty a celú dreňovú dutinu. Dôležitý aspektom externej fixácie je aj telemedicína, nakoľko pacient s externým fixátorom v domácom prostredí potrebuje monitoring prostredníctvom senzorov a telemetrického prenosu dát. Kombináciu týchto technických riešení vznikla spolupráca na spoločnom projekte so spoločnosťou Godmann Systems. Nápad spojenia externých fixátorov bez penetrácie kosti so senzormi a telemetrickým prenosom dát vyústil do prípravy spoločného projektu Katedry biomedicínskeho inžinierstva a merania, SjF TUKE (zodpovedný riešiteľ), spoločnosti Goldmann Systems a Biomedical Engineerings – akronymom SmartFIX.

^{Personalizované implantáty vyrobené pomocou 3D tlače, ako výstup spolupráce Katedry biomedicínskeho inžinierstva a merania SjF TUKE a spoločnosti Biomedical Engineering}

Výskum a vývoj inteligentných traumatologických externých fixačných systémov vyrobených s využitím digitalizačných metód a technológií aditívnej výroby, ako znie jeho názov, je spolufinancovaný z Európskeho fondu regionálneho rozvoja, operačného programu Integrovaná infraštruktúra, projekt 313010BWQ1 financovaný z výzvy OPII-VA/DP/2021/ 9.3- 1. Hlavným cieľom projektu je aplikácia monitorovacích funkcií na individualizované inteligentné zariadenia – tzv. smart devices vyvinutých partnermi projektu v oblasti externých fixátorov dolných končatín a hlavy so spätnou väzbou zameranou pre zamedzenie zlyhania fixácie a zabezpečenie správnosti terapeutického procesu. Vzdialený monitoring post traumatických pacientov bude zabezpečovaný prostredníctvom IT riešenia na mieru (softvéru) a tzv. traumatologického telemetrického multisenzorického interface (hardvéru) na základe zozbieraných real time údajov z jednotlivých smart zariadení a bude podporený priamou online, resp. telefonickou konzultáciou prevádzkovanou technickým a pomocným zdravotníckym personálom. Ambíciou projektu je biomechanicky, materiálovo a funkčne pomocou inteligentných riešení inovovať externý fixátor, ktorý disponuje viacerými výhodami oproti klasickým pinovým fixátorom.

Napríklad pri aplikácii na dlhých kostiach nepreniká pinless fixátor do dreňovej dutiny a značne redukuje riziko šírenia zápalu, pri jeho zavádzaní sa miesto penetrácie kosti nemusí predvŕtať, čo značne znižuje čas montáže. Ďalšou úlohou projektu je zlepšenie terapeutických vlastností osteosyntetického aparátu, ktoré v súčasnosti nevyhovujú požiadavkám z klinickej praxe vzhľadom k nízkej modularite, nedostačujúcim fixačným vlastnostiam a nemožnosti monitorovania fixátora na diaľku pomocou telemedicíny.

Katedra biomedicínskeho inžinierstva a merania SjF TUKE bude v spolupráci so spoločnosťou Biomedical Engineering zabezpečovať konštrukciu a výrobu a testovanie externých fixačných systémov pre dolné končatiny a hlavu s použitím inovatívnych prvkov a personalizácie. Proces návrhu, konštrukcie a výroby bude zabezpečený formou digitalizačného reťazca výroby pomocou CAD softvérov s možnosťou tvorby poréznych štruktúr, topologickej optimalizácie a generatívneho dizajnu. Variantné riešenia budú následne vyrobené pomocou progresívnych technológií výroby, napr. aditívna výroba, hybridná výroba. Inovatívne prvky fixačných systémov budú v podobe penetrácie kosti bez preniknutia do dreňovej dutiny spojenej s aplikáciou senzorov tlaku, teploty, zrýchlenia a vôle fixácie. Externé fixátory budú vyrobené na základe využitia personalizovaného prístupu spojeného s exaktnou parametrizáciou pacienta pomocou rôznych druhov skenovacích a diagnostických metód s výberom vhodných senzorických riešení po rozmerovej a funkčnej stránke. Na aktivite sa budú podieľať najmä pracoviská SjF TUKE v Košiciach, na ktorých pôsobia odborní garanti projektu.

Po nadobudnutí poznatkov získaných z aktivít partnerov bude v rámci aktivity vyrobený funkčný smart fixátor – SMARTFIX na úrovni TRL 5, schopný monitorovania správnosti jeho funkcie v reálnom čase na diaľku. Projekt má priniesť vývoj a výrobu externých fixátorov bez penetrácie kosti pre oblasť traumatológie, ktoré obmedzia výskyt kontaminácie kosti a skrátia dobu rekonvalescenicie, čo v konečnom dôsledku prinesie šetrenie nákladov na liečbu pacienta.

Významným prínosom bude tiež aplikácia telemedicíny v traumatológii, pre vzdialené monitorovanie pacienta s externým fixátorom. Umožní sa tak sledovať proces fixácie – mechanické parametre „sily“ fixácie, ako aj snímanie vybraných fyziologických parametrov pacienta. Našou snahou je kontrolovať hojenie zlomeniny a v prípade potreby preventívne zasiahnuť.

Autori:
prof. Ing. Radovan Hudák, PhD., Katedra biomedicínskeho inžinierstva a merania – SjF, TUKE
Ing. Marek Schnitzer, PhD., Biomedical Engineering
Ing. Jana Hlubeňová, PhD., Katedra biomedicínskeho inžinierstva a merania – SjF, TUKE
Dr. h. c. mult. prof. Ing. Jozef Živčák, PhD., MPH. dekan SjF TUKE
Ladislav Bitto, Goldmann Systems, a.s.

Lekárske noviny november 2022