Joanna Kotwica, absolwentka Wydziału Podstawowych Problemów Techniki wygrała konkurs Polskiego Towarzystwa Inżynierii Biomedycznej na najlepszą pracę magisterską obronioną w 2023 r.

Laureatka swoją pracę „Opracowanie algorytmu do wyznaczenia parametrów pulsacji tętniczopochodnych prędkości przepływu krwi mózgowej w dziedzinie czasu i częstotliwości” przygotowała pod opieką dr inż. Agnieszki Urygi z Katedry Inżynierii Biomedycznej.

– Nasza współpraca rozpoczęła się już podczas pisania pracy inżynierskiej, która dotyczyła analizy sygnału ciśnienia wewnątrzczaszkowego. Wówczas zafascynowałam się badaniami sygnałów mózgowych oraz ich istotną rolą w poznawaniu mózgu i krążenia mózgowego – mówi Joanna Kotwica.

W swoich badaniach związanych z pracą magisterską przeprowadziła analizę retrospektywną na danych pozyskanych w ramach projektu Narodowego Centrum Nauki Sonata Bis „Analiza dynamicznej autoregulacji mózgowej w połączonej dziedzinie czasu i częstotliwości" realizowanego w latach 2013-2017 przez zespół Brain Lab kierowany przez prof. Magdalenę Kasprowicz.

Groźne udary

Mózg stanowi jedynie ok. 2% masy naszego ciała, ale otrzymuje 15-20% całkowitej pojemności minutowej serca. Podkreśla to, jak ważne dla organizmu jest zachowanie prawidłowego przepływu krwi mózgowej. Choroby naczyń mózgowych są jednym z najpoważniejszych współczesnych problemów zdrowotnych. Zgodnie z danymi Światowej Organizacji Zdrowia udary mózgu są drugą najczęstszą przyczyną śmierci – w 2019 r doszło do 12,2 mln udarów mózgu, z czego 6,66 mln zakończyło się zgonem.

Zakres pracy naszej laureatki obejmował opracowanie algorytmu w języku Python, służącego do oceny parametrów pulsacji tętniczopochodnych w dziedzinie czasu i częstotliwości. Zbadała ona hipotezę mówiącą, że amplituda oraz współczynnik pulsacyjności (ang. pulsatility index, PI) wyznaczone z wykorzystaniem analizy spektralnej są niedoszacowane w przypadku pulsacji prawidłowych (w normokapnii). Dodatkowo, porównała także parametry uzyskane w hiperkapnii (stan zwiększonego stężenia dwutlenku węgla we krwi tętniczej) i normokapnii.

– Największym wyzwaniem było poszukiwanie najbardziej optymalnych, uniwersalnych dla wszystkich sygnałów, metod ich analizy, tj. np. dobór parametrów filtrów cyfrowych lub okien czasowych. Jak wiemy, sygnały biologiczne są sygnałami niestacjonarnymi, a ich parametry w krótkim czasie mogą się zmienić – wyjaśnia Joanna Kotwica. – Nie bez wpływu pozostaje również zmienność osobnicza, wynikająca z różnic anatomicznych i fizjologicznych. Nie stanowi to większego problemu w dziedzinie czasu, natomiast w dziedzinie częstotliwości często powoduje utratę informacji. W pracy próbowałam przeanalizować ten problem i zaproponować metryki do oceny rozbieżności – dodaje.

W swojej pracy magisterskiej skupiła się na dwóch aspektach:  jednym związanym z analizą sygnałów, a drugim biomedycznym, związanym z  krążeniem mózgowym. Porównując metody czasowe i częstotliwościowe wykazała, że nie są one tożsame i stosowanie metod częstotliwościowych w sytuacji wystąpienia bodźca działającego na naczynia mózgowe (takiego jak zwiększenie stężenia dwutlenku węgla) powinny być stosowane z uwzględnieniem ich ograniczeń. Aby podkreślić istotę problemu, w ostatnim etapie pracy na oryginalny przebieg sygnału autorka nałożyła sygnał sinusoidalny, odtworzony na podstawie pierwszej harmonicznej, co wizualnie potwierdziło utratę informacji w analizie częstotliwościowej.

Dopasowanie przebiegu sygnału sinusoidalnego, odtworzonego na podstawie amplitudy i fazy pierwszej harmonicznej do przebiegu sygnału oryginalnego. Widoczna jest utrata informacji (grafika autorki pracy).

– Aby lepiej zrozumieć aspekt biomedyczny należy krótko przedstawić przebieg fali prędkości przepływu krwi mózgowej (CBFV). Przebieg ten wykazuje trzy charakterystyczne punkty (ekstrema lokalne i punkty przegięcia krzywej), zwane „pikami”. Pik dominujący (1) związany jest z wyrzutem krwi z serca. Kolejny pik (2) wynika z odbicia się fali tętna od zamykających się zastawek serca oraz częściowo związany jest z efektem Windkessela. Ostatni pik (3) związany jest ze rozkurczowym przepływem krwi. W hiperkapnii obserwuje się wzrost prędkości fali tętna, co wiąże się z szybszym powrotem do serca fali odbitej. Skutkuje to interferencją i wzmocnieniem pierwszego wierzchołka fali ciśnienia tętniczego krwi – tłumaczy laureatka.

Przebieg fali prędkości przepływu krwi mózgowej (źródło: Ziółkowski, A., Pudełko, A., Kazimierska, A., Uryga, A., Czosnyka, Z., Kasprowicz, M., Czosnyka, M., Peak appearance time in pulse waveforms of intracranial pressure and cerebral blood flow velocity, Frontiers in Physiology. 2023, tom 13, str. 2670

Pierwszy szczyt fali CBFV pochodzi bezpośrednio od ciśnienia skurczowego, zatem należało się spodziewać wzmocnienia pierwszego wierzchołka fali CBFV (obserwacji wzrostu współczynnika szczytu fali). Nasza absolwentka zaobserwowała, że współczynnik szczytu fali CBFV jest mniejszy w hiperkapnii niż w normokapnii, co jest związane ze zwiększeniem objętości krwi mózgowej w wyniku poszerzenia naczyń mózgowych. – Obserwacja ta była dla mnie największym zaskoczeniem podczas pracy – podkreśla Joanna Kotwica.

Wykres pudełkowy obrazujący zmianę wartości współczynnika szczytu (CF) w hiperkapnii w stosunku do normokapnii (grafika autorki pracy).

Obecnie nasza absolwentka pracuje w szpitalu, jednak nie wyklucza powrotu do nauki i kontynuacji badań na doktoracie.

Do konkursu na najlepszą pracę magisterską w dyscyplinie inżynierii biomedycznej obronioną 2023 r. zgłoszono osiem prac. Ostatecznie komisja przyznała cztery nagrody, w tym dwie pierwsze, oraz dwa wyróżnienia.

Pełną listę z wynikami można znaleźć na stronie PTIB.