Nie trzeba wcale inwazyjnych metod, żeby sprawdzić, co dzieje się w mózgu człowieka. Wiele potrzebnych informacji można pozyskać z analizy obrazów pochodzących np. z błony bębenkowej ucha. Takimi badaniami zajmuje się dr inż. Agnieszka Uryga z PWr.

Badaczka pracuje na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki w Pracowni Neuroinżynierii Medycznej BrainLab, kierowanej przez dr hab. Magdalenę Kasprowicz, prof. uczelni.

Pracownia zajmuje się analizą procesów zachodzących w mózgu człowieka. Naukowcy wykorzystują w tym celu zaawansowane metody przetwarzania sygnałów biomedycznych. Dr inż. Agnieszka Uryga realizuje obecnie dwa projekty, w których współpracuje z placówkami medycznymi we Wrocławiu oraz w Wielkiej Brytanii i Francji.

Analiza wszystkich sygnałów

– W dużym uogólnieniu chodzi o to, żeby móc monitorować  parametry mówiące o stanie hemodynamiki mózgowej bez konieczności inwazyjnego „zaglądania” do mózgu – mówi dr Uryga z PWr. Nasze badania koncentrują się na pacjentach po urazach czaszkowo-mózgowych, którzy przebywają na oddziałach intensywnej terapii medycznej.

– Mamy bardzo dobrą współpracę z lekarzami pracującymi na Oddziałach Anestezjologii  i Intensywnej Terapii: dr n. med. Małgorzatą Burzyńską, dr n. med. Barbarą Dragan oraz Neurochirurgii: prof. Pawłem Tabakowem z  Uniwersyteckiego Szpitala Klinicznego im. Jana Mikulicza-Radeckiego we Wrocławiu – dodaje prof. Magdalena Kasprowicz. – Wspólnie realizowaliśmy projekt badawczy dofinansowany w ramach programu Opus Narodowego Centrum Nauki. Wtedy skompletowaliśmy aparaturę i opracowaliśmy wspólnie z  lekarzami procedury pomiarowe do stworzenia unikatowej bazy sygnałów biomedycznych – wyjaśnia szefowa BrainLabu.

Tłumaczy, że w swoich badaniach analizują wzajemne zależności między biosygnałami, które dla lekarzy mogą być na pierwszy rzut niewidoczne. Aktualnie koncentrują się wokół zagadnienia analizy morfologii pulsacji tętniczopochodnych sygnałów mózgowych, analizują zmiany w ich kształcie i na tej podstawie przewidują możliwość wystąpienia zagrażających życiu zdarzeń, takich jak np. wzrost ciśnienia wenątrzczaszkowego i wtórne uszkodzenie mózgu. W tym celu stosują algorytmy przetwarzania sygnałów i obrazów oraz metody uczenia maszynowego. 

– Chcemy przewidywać wzrosty ciśnienia wewnątrzczaszkowego na podstawie monitorowanych biosygnałów i ich współzależności. Lekarz będzie mógł wtedy zainterweniować i rozpocząć terapię z wyprzedaniem – wyjaśnia prof. Kasprowicz.

Ich badania mają pomóc lekarzom w ocenie stanu zdrowia pacjenta, doborze spersonalizowanej terapii, a w szczególności umożliwić predykcję niebezpiecznych dla pacjenta zdarzeń klinicznych. Dzięki obliczeniom naukowców z PWr będzie możliwe przewidzenie z wyprzedzeniem wzrostu ciśnienia wewnątrzczaszkowego, które może doprowadzić np. do niedokrwienia mózgu, a  w końcowym etapie do śmierci pacjenta. 

Bezinwazyjny dostęp do mózgu

– Jedną z metod jest wprowadzenie do ucha, w sposób bezinwazyjny, otoskopu laryngologicznego. Videoskop to laryngologiczna kamera, którą umieszczamy w uchu pacjenta przy pomocy specjalnego stelażu skonstruowanego przez dr. inż. Mateusza  Popka, członka naszego zespołu. Dzięki niej możemy rejestrować drgania błony bębenkowej, które są potencjalnie zsynchronizowane ze zmianami ciśnienia wewnątrzczaszkowego. Badania mają charakter pilotażowy i są prowadzone w ramach realizowanego na PWr projektu badawczego Opus dofinansowanego ze środków NCN. Idea naszych badań polega na tym, żeby z zapisu tych mini drgań wyciągnąć informacje o wzrostach ciśnienia wewnątrzczaszkowego – tłumaczy dr Agnieszka Uryga.

Wyjaśnia, że ma to istotne znaczenie w przypadku pacjentów, którzy nie mają wskazań klinicznych do założenia czujnika wewnątrzczaszkowego. – Dzięki zebraniu sygnałów z błony bębenkowej i przetworzeniu ich można będzie wyselekcjonować pacjentów zagrożonych możliwością pogorszenia się ich stanu zdrowia – uważa badaczka z PWr. 

Projekt wystartował w październiku tego roku i uczestniczy w nim już kilku pacjentów. – Ta metoda może dać nowe możliwości diagnostyczne lekarzom – podkreśla dr Uryga. 

Co się dzieje w mózgu?

Równolegle prowadzi też inne badania nad tym, co dzieje się w mózgu pacjenta po ciężkim urazie czaszkowo-mózgowym. – Sprawdzam zależności pomiędzy autoregulacją mózgową a autonomicznym układem nerwowym u tych pacjentów – wyjaśnia.  

Urazowe uszkodzenie mózgu dotyka co roku miliony osób na całym świecie. Pierwszy szczyt zachorowalności występuje u młodych dorosłych z powodu wypadków samochodowych, a kolejny u osób starszych z powodu upadków. Relacja pomiędzy upośledzeniem autonomicznego układu nerwowego a autoregulacją mózgową w kontekście wyników leczenia i predykcji śmiertelności pozostaje wciąż przedmiotem badań.

Nowatorski charakter projektu polega nie tylko na fakcie, że niewiele jest wiadomo na temat zmian w zakresie współzależności tych mechanizmów, ale również nie przeprowadzono dotychczas analiz czy występuje dynamika dobowa interakcji tych mechanizmów i czy ma ona wpływ na wyniki leczenia.

Swoje badania dr Uryga konsultuje z światowej sławy naukowcami z Uniwersytetu w Cambridge. 

– To współpraca, którą mamy od czasu, gdy profesor Kasprowicz pracowała tam w ramach stażu. Naukowcom z Wielkiej Brytanii udało się zgromadzić pokaźną bazę sygnałów i opracować innowacyjne algorytmy obliczeniowe, które zaimplementowali w unikatowym oprogramowaniu Intensive Care Monitor, stosowanym na oddziałach intensywnej terapii na całym świecie – wyjaśnia dr Uryga.

Od strony neurochirurgicznej konsultuje się z wybitną neurochirurg z Uniwersytetu w Tuluzie dr  n. med. Nathalie Nasr.
W ramach grantu Miniatura, finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki, nasza badaczka wyjedzie do jednego z najlepszych ośrodków badawczych zajmujących się neuroinżynierią – Brain Physics Laboratory na Uniwersytecie w Cambridge, kierowanego przez prof. Marka Czosnykę.

BrainLab jest częścią Laboratorium Zespołu Przetwarzania Sygnałów Biomedycznych w Katedrze Inżynierii Biomedycznej. Pracownia została powołana przez prof. Roberta Iskandera i dr hab. inż. Magdalenę Kasprowicz  w 2013 roku. Tworzy ją zespół składający się z naukowców, którzy są specjalistami w dziedzinie inżynierii biomedycznej, a których badania koncentrują się wokół oka i mózgu.

Inżynieria Biomedyczna prowadzona jest na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki. Łączy on w sobie wiedzę inżynierską i medyczną potrzebną to prowadzenia różnego typu badań. – Osoby, które mają zacięcie medyczne czy biologiczne, ale jednocześnie techniczne, świetnie się tu odnajdą – uważa prof. Magdalena Kasprowicz. – To kształcenie unikatowe, oferuje szeroką wiedzę z różnych dziedzin, dzięki czemu łatwo się potem odnaleźć w zespole badawczym, ale także na rynku pracy – dodaje szefowa BrainLab na PWr.

Iwona Szajner