Artykuły z kategorii Nauka
Dr hab. inż. Piotr Kijanka, prof. AGH, fot. Marianna Cielecka
Dr hab. inż. Piotr Kijanka, prof. AGH z Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH uczestniczył w opracowaniu miniaturowego sensora przeznaczonego do stałego monitorowania organów wewnętrznych, który opracował zespół uczonych z Massachusetts Institute of Technology (MIT) oraz University of Southern California (USC). Urządzenie może znaleźć zastosowanie m.in. u pacjentów po transplantacjach nerek i wątroby, u których pozwoli na wczesne wykrywanie symptomów ostrej niewydolności narządów i odrzucenia przeszczepów.
Urządzenie, które ma wielkość znaczka pocztowego i jest przyklejane do ciała, grupa naukowców opisała niedawno na łamach prestiżowego czasopisma „Science Advances”. Aparat, wykorzystujący jedną z technik obrazowania medycznego – elastografię ultradźwiękową, jako sondy organizmu używa przenikających do jego wnętrza fal ultradźwiękowych. Organy poddane impulsom skupionej wiązki akustycznej zaczynają delikatnie wibrować i emitują sprężyste fale poprzeczne, które są rejestrowane przez urządzenie. Technika wykorzystuje fakt, że procesy patologiczne powodują stopniowe zmiany właściwości mechanicznych narządów. Chorobowo zmienione organy poddane impulsowi skupionej wiązki akustycznej wibrują odmiennie niż zdrowe, co przekłada się na zmianę prędkości i profilu rozchodzenia się fal poprzecznych. Jeśli odbiegają one od wartości referencyjnych, jest to sygnał, że w ciele pacjenta dzieje się coś niedobrego.
Naklejka ultradźwiękowa opracowana na MIT, fot. Zdjęcie udostępnione przez badaczy
Dr hab. inż. Piotr Kijanka, profesor na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, podczas opracowywania urządzenia odpowiedzialny był za walidację numeryczną procesów falowych zachodzących w tkankach.
– Wiele zjawisk fizycznych, takich jak propagacja fali akustycznej czy sprężystej, można zapisać przy pomocy równań różniczkowych. Same równania są znane od dawna, ale żeby dokonywać jakichkolwiek obliczeń, trzeba najpierw dokonać optymalizacji numerycznej z uwzględnieniem wszelkich warunków brzegowych – wyjaśnia naukowiec z AGH. – Zakresy parametrów są już opisane w literaturze i potwierdzone wieloma badaniami. Nie jest jednak tak, że sprawa nie wymagała w tym przypadku zastanowienia. Zanim znalazłem właściwe rozwiązania numeryczne, spędziłem godziny na rozmowach z kolegami z zespołu na temat tego, jak będą wyglądały eksperymenty. Kluczowe było dla mnie, żeby poznać jak najwięcej szczegółów, które wymagają uwzględnienia w obliczeniach numerycznych. Gdybym pominął jakieś istotne aspekty, mogłoby się okazać, że uzyskane wyniki nie mają pokrycia w rzeczywistości.
Małe urządzenie o dużych możliwościach
Sama technika elastografii ultradźwiękowej nie jest w medycynie nowością, jednak dotychczas stosowana do tego celu aparatura wymaga używania trzymanej w ręku głowicy, którą diagnosta przesuwa nad ciałem badanego pacjenta. Takie rozwiązanie nie pozwala na prowadzenie stałego monitoringu, którego wymagają na przykład pacjenci po operacji przeszczepu nerek czy wątroby, u których zmiana właściwości mechanicznych organu może zwiastować jego ostrą niewydolność i odrzucenie przez organizm przeszczepu. Tymczasem opracowane przez inżynierów z MIT i USC urządzenie pozwala na ponad 48 godzin nieprzerwanej pracy, a oznaki procesu patologicznego jest w stanie wykryć już w ciągu 6 godzin od ich wystąpienia. Pomimo miniaturyzacji, na długości 24 mm udało się twórcom umieścić 128 przetworników piezoelektrycznych, co odpowiada ich liczbie w stosowanych obecnie głowicach komercyjnych, które mają rozmiar 40 mm. Aparat mocowany jest na skórze pacjenta za pomocą opracowanego wcześniej na MIT specjalnego żelu na bazie wody i polimerów, który umożliwia bezstratne przekazywanie impulsów dźwiękowych pomiędzy urządzeniem a ciałem pacjenta. Inną zaletą tego urządzenia jest to, że może ono wytwarzać impuls siły promieniowania akustycznego w celu indukowania fal poprzecznych, co zwykle nie jest osiągalne w przypadku tak małego urządzenia.
Naklejka ultradźwiękowa opracowana na MIT, fot. Zdjęcie udostępnione przez badaczy
Jak dotąd skuteczność opracowanego rozwiązania została potwierdzona podczas testów na szczurach. Obecnie zespół pracuje nad tym, żeby urządzenie mogło być używane przez osoby po przeszczepach narządów na szpitalnych oddziałach transplantologicznych. Docelowo twórcy aparatu chcieliby, aby kosztem nieznacznego powiększenia gabarytów z urządzenia mogły korzystać potrzebujące tego osoby w warunkach domowych. Jak deklaruje prof. Piotr Kijanka, przejście z modelu szczurzego na model ludzki z numerycznego punktu widzenia nie stanowi tutaj problemu:
– Tkanki są bardzo podobne, jeżeli chodzi o ich właściwości mechaniczne. Zmiany wartości mogą wymagać jedynie parametry wejściowe, na przykład opisujące sztywność i lepkość materiału.
Od inżynierii mechanicznej do biomedycznej
Prof. Piotr Kijanka tematyką ultradźwięków zajmuje się od początku kariery naukowej, ale początkowo jego uwaga koncentrowała się na wykrywaniu przy ich pomocy uszkodzeń w konstrukcjach mechanicznych. Temu zagadnieniu uczony z AGH poświęcił swoją rozprawę doktorską. Przełomem w jego naukowym CV było dwuletnie zatrudnienie, począwszy od 2017 roku, w szpitalu Mayo Clinic w Rochester w Stanach Zjednoczonych, gdzie za osiągnięcia naukowe otrzymał awans na stanowisko Assistant Professor of Radiology.
– Od momentu, kiedy rozpocząłem pracę w szpitalu, całą moją wiedzę z inżynierii mechanicznej mogłem przełożyć na inżynierię biomedyczną. Miałem też możliwość wiele się nauczyć, bo dostęp do infrastruktury badawczej był doskonały. Uczestniczyłem również w wielu badaniach klinicznych, więc mogłem osobiście doświadczyć, jak to wygląda. Od tamtego czasu praktycznie przesunąłem wszystkie moje siły i zainteresowania w kierunku inżynierii biomedycznej – opowiada prof. Kijanka.
Jak zadbać o zdrowie i nie dać się GLUTOM? | Bunkier Nauki odc. 61 
Znikające lodowce - AGH NAUKA spotkania (nr 29) 
Projekty BG AGH z finansowaniem z programu „Społeczna odpowiedzialność nauki” 
W AGH powstanie Fabryka Sztucznej Inteligencji 
Jak wygląda codzienność osoby z ADHD? | Bunkier Nauki odc. 60 
Delegacja AGH z wizytą w Japonii 
