Vědec z Vysokého učení technického v Brně zkoumá působení implantátů po operaci v těle pacienta, zda příliš nezatěžují a nepoškozují své okolí. To vše dokáže zjistit tím, že nasimuluje jejich chování.
Jste součástí vědeckého týmu, který patří ke světové špičce ve výpočtovém modelování, a mimo jiné dokážete vypočítat pravděpodobnost porušení stěny výdutě srdeční aorty. Co všechno dokážete namodelovat?
V případě kosterně-svalové soustavy se zabýváme namáháním kostí, páteře, kloubů, lebky a jejich vzájemným působením s různými typy implantátů. V případě srdečně-cévní soustavy se věnujeme zejména výdutím srdeční aorty. U našich výpočtových modelů velmi záleží na vstupních informacích, které dostaneme. Čím věrohodnější a detailnější jsou, tím více výpočtový model odpovídá skutečnosti. Snažíme se samozřejmě, aby jí odpovídal co nejvíce.
Jaké informace od pacientů potřebujete?
Naprosto zásadní jsou pro nás snímky z CT vyšetření a magnetické rezonance, v případě srdeční aorty pak také krevní tlak pacienta. Anonymizovaná data nám poskytují lékaři, kdyby nám je nedodávali, samozřejmě by se nám bádalo poměrně těžko.
V čem je tato metoda výpočtového modelování nejvíc přínosná?
Představte si, že u pacientů po zavedení implantátu dochází k určitému jevu – například je příliš přetěžována kost v okolí implantátu a dochází k jejímu úbytku. Naším úkolem je zjistit, proč se tak stalo. Hodiny o tom diskutujeme, pak měsíce pracujeme na výpočtových modelech a naše výsledky předáme lékařům, aby je mohli při své práci využít. V tom je největší přínos výpočtového modelování.
Spolupracujeme také na vývoji implantátů, a protože dnešním trendem je vyrábět je pacientovi na míru pomocí 3D tiskáren, výpočtové modelování nám pomáhá navrhnout implantát tak, aby vyhovoval individuálním potřebám pacienta. V případě už zmíněné výdutě srdeční aorty je cílem výzkumu poskytnout lékařům nástroj, který jim umožní rozlišit rizikové nestabilní výdutě od stabilních, které pacienta neohrožují. Pro někoho je totiž riziková samotná operace.
Můžete uvést příklad, jaký implantát pro konkrétního pacienta jste pomáhali vyvinout?
Před osmi lety lékaři pacientovi voperovali implantát části spodní čelisti, který je vyrobený z titanu na 3D tiskárně na míru pro pacienta. Na Ústavu mechaniky těles se zaměřuji na lebku – zabývám se biomechanikou horní a dolní čelisti, zubními a lebečními implantáty. V tomto konkrétním případě jsme o pacientovi měli detailní informace z CT snímků a virtuálně jsme si s tím mohli hrát a co nejpřesněji na počítači namodelovat. Vše vypadalo perfektně, jenže pak přišla operace a lékař zjistil, že implantát nesedí. Spolu s finskými a holandskými kolegy jsme nad tím začali bádat.
Jak to, že když dopředu všechno propočítáte, při operaci implantát nesedí?
Problém je s přesností. Pacient jde na CT vyšetření neboli, jak se říká, do tunelu, tím získáme dvojrozměrné řezy a z nich jsem schopen pomocí speciálních algoritmů vytvořit model. Při tom musím v mnoha ohledech zjednodušovat skutečnost, takže výpočtový model se může ve výsledku od reality více či méně odlišovat. Stejně tak při výrobě – tiskárna z modelu také nevytvoří úplně přesný kus. Každý, byť vyrobený podle přesných parametrů pacienta, bude originál. Potřebovali bychom být ještě přesnější. Narážíme však na hranice techniky a přístrojů. Přesnější snímky nám dá mikroCT, ale na ni nemůžeme pacienta poslat, protože by dostal příliš silnou dávku radiace.
Výroba implantátů pomocí 3D tisku na míru pacientovi je současný světový trend. Podle vašich slov mi přijde, že jste k němu spíše skeptický.
Přístup „budeme si všechno tisknout“ je totiž podle mě až příliš optimistický. Je to taková módní záležitost, kde velkou roli hraje wow efekt. Všichni narážejí na problém s přesností výsledného produktu. Implantáty umíme vytisknout, ale výsledek většinou ještě není to pravé. Navíc při používání takových implantátů by mohl nastat problém ve chvíli, kdy si lékař na pomoc nepřizve biomechanika. Přece jen implantát je inženýrské dílo a v tomto ohledu lékaři nemají tak technicko-inženýrské znalosti. A proto je v zahraničí běžné, že biomechanici pracují přímo v nemocnici a s lékaři takové zákroky konzultují. U nás tomu tak není.
Vy spolupracujete s brněnskými ortopedy z fakultní nemocnice. S čím jim pomáháte?
Začínáme s nimi řešit skoliózní páteře, tedy ty esovitě prohnuté, pro něž vytváříme výpočtový model. Lékaři páteř pomocí drátů dokážou narovnat. Tím se páteř vyztuží, takže některé ploténky mohou být více namáhané a může dojít k jejich vyhřeznutí. My řešíme, jak to lépe provést, aby k vyhřeznutí nedošlo.
Propočítáte to ještě před operací?
K tomu bychom se chtěli dostat, ale fakt je ten, že to dnes není běžné. Dnes je to tak, že lékaři provedou operaci, zavedou implantát a pacienta dlouhodobě pozorují. Když je kostní tkáň přetěžována, odumírá. Řeší se, proč jsou některé části namáhané víc, než by měly. To je právě otázka na nás mechaniky, abychom zpětně zjistili, proč se tak stalo. Na vině může být právě i implantát svým konstrukčním nedostatkem nebo ostrými hranami, které kost lokálně přetěžují.
V čem především tkví potenciál výroby implantátů pomocí 3D tisku na míru?
Metoda je na začátku, ale potenciál má velký. Budoucí trend je především v rychlosti operace. Když se vrátíme k implantátu dolní čelisti, bez něj lékaři musí pacientovi vyoperovat část lýtkové kosti a použít ji v čelisti. To je rozsáhlá a časově náročná operace s velkou ztrátou krve. Snahou je, aby lékaři měli aplikaci, která by jim ještě před operací vytvořila výpočtový model a s jeho využitím se zjistilo, jak se podle současných teorií bude chovat kostní tkáň, jaké má mít implantát rozměry, kde ho ke kosti připevnit, a analyzovat, zda v některých místech nebude kost příliš zatížená.
Už se taková aplikace vyvíjejí?
Ano. V rámci mezinárodní spolupráce se na vývoji také podílíme. Představte si, že lékař bude mít v mobilu aplikaci, pomocí níž si v krátkém čase naplánuje operaci a navrhne implantát. Z programu se odešle návrh do tiskárny, která implantát na míru vyrobí, než pacienta připraví na sál.
Zahraniční spolupráce je u tak specificky zaměřeného oboru asi nezbytná.
Ano, měli jsme štěstí, protože jsme se spíše náhodou dostali ke spolupráci s holandskými a finskými kolegy. Neměli výpočtáře a naše práce je zaujala. Byli jsme začínající doktorandi a rychle jsme se chopili příležitosti. Pozvali nás k sobě, dokonce nám zaplatili letenky. V dentální biomechanice spolupracujeme také s Tokijskou univerzitou, kde mají skvělé vybavení. Výzkum ve spolupráci s Japonci se týká zavádění malých zubních implantátů do horních čelistí myší, řízeně se zatěžují a zkoumá se reakce kostní tkáně až na buněčné úrovni. Takže v tom jsme se dostali skutečně na mikroúroveň.
Můžete obor ještě někam posunout?
Když jsem nastoupil, byl problém vůbec data získaná z CT převést do 3D modelů. Dnes jsme díky specializovaným softwarům a vybavení o kus dál. Snažíme se zvyšovat úroveň modelu a jít do větších detailů – v biomechanice tepen jsme teď na úrovni kolagenních vláken a u kostí jsme na úrovni trámečkové architektury. Díky tomu máme s našimi modely světový ohlas.
Mluvil jste o zahraniční spolupráci, co vazba na komerční sféru?
V tom se nám trochu blýská na lepší časy. Ufinancovat náš výzkum je poměrně složité, protože se nejedná o komerční záležitost. Nedávno se mi však ozvala firma, která vyrábí dentální implantáty, že by po nás chtěli provést výpočty. Zdá se, že v budoucnu by podle nových evropských norem měl každý nově vyráběný implantát mít nejen testování, ale nově i výpočty. To by nás mohlo trochu finančně podpořit.
