Projekti / Programi
Računalniško-podprto načrtovanje operativnih posegov hrbtenice na podlagi kvantitativne analize slik
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.06.07 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
Biomedicinska tehnika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T111 |
Tehnološke vede |
Upodabljanje, obdelava podob |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.06 |
Tehniške in tehnološke vede |
Zdravstveni inženiring |
analiza slik, obdelava slik, načrtovanje operativnih posegov, predoperativno načrtovanje, računalniško-podprta kirurgija
Raziskovalci (24)
Organizacije (2)
Povzetek
Sodoben način življenja, prekomerno sedenje ter povečana telesna teža se v povezavi s staranjem populacije odražajo v povečanem obsegu hrbteničnih in s hrbtenico povezanih obolenj. Zdravljenje hrbteničnih obolenj z operativnimi posegi je običajno pri bolnikih z akutnimi težavami ali poškodbami hrbtenice, nujno pa takrat, kadar so drugi pristopi k zdravljenju neučinkoviti (npr. sredstva proti bolečninam, fizioterapija, opornice). Stabilizacija vretenc je operativni poseg, ki se uporablja pri zdravljenju skolioze, kifoze, spondilolisteze, spondiloze, degenerativnih obolenj in hernije medvretenčne ploščice, vretenčnih tumorjev in zlomov, kot tudi pri zdravljenju drugih degenerativnih obolenj, ki povzročijo nestabilnost hrbtenice. Ker nestabilnost hrbtenice lahko povzroči poškodbe hrbtenjače in iz hrbtenice izhajajočega živčevja, je cilj stabilizacije vretenc zmanjšati njihovo premičnost ter se tako izogniti omenjenim poškodbam. Operativni poseg temelji na medsebojni pritrditvi dveh (ali več) vretenc s kovinskimi orodji za stabilizacijo, kot so povezovalne palice, plošče in/ali vijaki. Med najbolj uporabljanimi tehnikami je pritrditev s pedikularnimi vijaki, ki v osnovi temelji na prebadanju vretenčnih pediklov z vijaki proti notranjosti vretenčnega telesa ter na pritrditvi povezovalnih palic na zunanji del teh vijakov, in sicer na vsaki strani vretenca. Ker je med operacijo vidljivost anatomskih struktur omejena, je potrebna miselna predstava o tridimenzionalni (3D) anatomiji hrbteničnih struktur, ki niso neposredno vidne. Za uspešno vstavitev pedikularnih vijakov mora ortopedski kirurg med načrtovanjem operativnega posega upoštevati morfologijo (obliko in zgradbo) pediklov in vretenčnih teles, tako da lahko izbere ustrezno velikost (premer in dolžino) ter določi ustrezno vstavitveno trajektorijo (vstopno točko in naklon) za vsak pedikularni vijak posebej, saj lahko na ta način precej zmanjša tveganje za njihovo neuspešno postavitev. Iz navedenih razlogov se je za pritrditev s pedikularnimi vijaki uveljavilo predoperativno načrtovanje, med katerim kirurg na podlagi 3D slik hrbtenice natančno preuči anatomijo obravnavanega bolnika. Predoperativno slikanje je torej predpogoj za zanesljivo načrtovanje operativnih posegov, pri čemer je tehnika slikanja z računalniško tomografijo (ang. computed tomography, CT) postala najbolj uveljavljena za vrednotenje kostnih struktur, iz katerih sestoji hrbtenica. Sodobna programska oprema kirurgu tudi omogoča, da ročno načrtuje velikost in vstavitveno trajektorijo vsakega pedikularnega vijaka, pri čemer mora obvladati navigacijo po 3D sliki ter manipulacijo s 3D modeli hrbtenice, vretenc in vijakov v 3D prostoru. Človeška sposobnost načrtovanja operativnih posegov na podlagi ustrezne interpretacije medicinskih slik je pa omejena zaradi naših nesistematičnih iskalnih vzorcev in naravne biološke variabilnosti človeške anatomije, poleg tega pa lahko prisotnost šuma v slikah povzroči prikrivanje dejanskih geometrijskih odnosov med anatomskimi strukturami. Načrtovanje operativnih posegov je zaradi tega časovno precej zamudno opravilo, zanesljivost in točnost načrtovanja pa sta odvisni od subjektivne interpretacije kirurga.
Cilj raziskave je doseči kvantitativno, objektivno ter ponovljivo vrednotenje morfologije vretenc na podlagi 3D slik hrbtenice, predvsem morfologije pediklov in vretenčnih teles za namen načrtovanja stabilizacije vretenc s pritrditvijo pedikularnih vijakov. V ta namen bomo razvili nove računalniško-podprte metode, ki bodo temeljile na avtomatski obdelavi in kvantitativni analizi 3D slik hrbtenice ter tako pripomogle k boljšemu načrtovanju postopkov pritrditve s pedikularnimi vijaki kot tudi drugih operativnih posegov hrbtenice, pri katerih je pomembno natančno poznavanje morfologije vretenca. Predmet raziskav predlaganega projekta je torej razvoj in vrednotenje novih metod za avtomatsko računalniško-podprto kvantitativno analizo 3D slik za načrtovanje operativnih posegov hrbtenic
Pomen za razvoj znanosti
Razvili bomo nove avtomatske postopke za računalniško-podprto obdelavo, analizo in kvantitativno vrednotenje 3D slik hrbtenice, s poudarkom na metodah za statistično in parametrično modeliranje vretenčnih teles, pediklov in drugih anatomskih struktur vretenca kot tudi na metodah za poravnavo in razgradnjo slik. Rezultati predlaganega raziskovalnega projekta bodo torej umeščeni v področje medicinskih tehnologij, saj bodo predstavljali uporabo znanj in veščin v obliki postopkov, ki bodo razviti za rešitev določenega problema v povezavi z zdravjem, torej lahko kot taki v splošnem izboljšajo kakovost življenja in splošno blagostanje posameznikov in družbe. Čeprav se končni uspeh neke nove medicinske tehnologije meri predvsem preko njenega vpliva na klinično prakso, se ga lahko vrednoti tudi preko prispevkov k znanosti. Glede na dani predlog raziskovalnega projekta in pretekle raziskovalne projekte članov raziskovalne skupine ter glede na ugled raziskovalne skupine na področju obdelave in analize medicinskih slik, ki se kaže v številnih objavah v visokokakovostnih znanstvenih revijah, pričakujemo, da bodo rezultati predlaganega raziskovalnega projekta ravno tako odmevni. Predvsem prispevki na področju tehniških in medicinskih ved bodo med zelo pomembnimi rezultati predlaganega raziskovalnega projekta. Nova spoznanja, povezana s slikanjem hrbtenice, morfologijo hrbtenice in vretenc ter pritrditvijo s pedikularnimi vijaki kot tehniko operativnega posega na hrbtenici, bodo prispevala k napredku na področju razumevanja hrbtenične anatomije ter razumevanja, diagnoze in zdravljenja hrbteničnih in s hrbtenico povezanih obolenj. Po drugi strani bodo spoznanja, povezana z načrtovanjem in razvojem avtomatskih postopkov za računalniško-podprto analizo in kvantitativno vrednotenje 3D slik hrbtenice, prispevala k napredku na področjih biomedicinske tehnike, medicinskih slikovnih tehnologij in biomehanike. Ta nova spoznanja se bodo odražala v novih objavah, uporabi novih dognanj in metod ter prenosu in implementaciji znanj v domačih in tujih zdravstvenih institucijah in poslovnih okoljih. Vpliv rezultatov projekta na področjih medicine, biomedicinske tehnike in analize slik lahko tudi spodbudi razvoj ustreznih tehnologij za prenos v klinično okolje.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultati predlaganega raziskovalnega projekta se bodo odražali na področjih medicine, biomedicinske tehnike in biomehanike, in sicer bodo priskrbeli neposredne koristi za bolnike, zdravnike in zdravstva na splošno, posledično pa tudi za gospodarstvo in družbo. Pričakovane koristi so naslednje:
Za bolnike, zdravnike in zdravstvo: Učinkovito načrtovane računalniško-podprte metode lahko pripomorejo k zmanjšanju časovne zamudnosti priprave predoperativnega ter izboljšanju zanesljivosti operativnih posegov. Rezultati bodo torej imeli pozitiven vpliv pri bolnikih, saj bodo operativni posegi na podlagi takih predoperativnih načrtov bolj natančni in zanesljivi, kar bo pomenilo tudi boljše rezultate operativnih posegov, manj zapletov po operativnih posegih in hitrejše okrevanje, posledično pa krajše bolnišnične čase in krajše okrevanje po odpustu, kar se bo odražalo v neposrednem zmanjšanju stroškov zdravljenja. Rezultati bodo koristni tudi za kirurge in zdravstveno osebje, saj jim bodo računalniško-podprte metode priskrbele dodatne informacije za izdelavo predoperativnih načrtov ter posledično bolj natančne in zanesljive odločitve in operativne posege.
Za gospodarstvo: Predlagane postopke se lahko implementira v obliki namenske programske opreme, ki bi lahko imela tržno vrednost, medtem ko bodo rezultati zanimivi za razvijalce in proizvajalce medicinskih naprav. Rezultati predlaganega raziskovalnega projekta bodo zato zanimivi za industrijske panoge na področju medicinskih slikovnih tehnologij in medicinskih naprav. Podjetja znotraj teh industrijskih panog, tako domača (npr. XLab d.o.o., Ekliptik d.o.o.) kot tuja (npr. Stryker – ZDA, DePuy Synthes – Švica, itn.), bi lahko potencialno imela korist od prenosa tehnologije v obliki avtorskih pravic in patentov. Za gospodarstvo bo koristno tudi zmanjšanje stroškov zdravljenja zaradi boljših rezultatov operativnih posegov, hitrejšega okrevanja bolnikov in posledično krajših bolnišničnih časov, kot tudi hitrejše okrevanje po odpustu iz bolnišnice in posledična hitrejša vrnitev na delo.
Za razvoj kadrov: Izboljšale se bodo osebne in organizacijske veščine ter znanja in spretnosti raziskovalcev. Izredno aktualna in zanimiva raziskovalna tema ter znanja in izkušnje raziskovalcev bodo privabile nove nadarjene raziskovalce iz področij tehnike in/ali medicine.
Za krepitev inštitucijskih zmožnosti: Oskrba z novimi ter izboljšanje oziroma prenova obstoječe strojne in programske opreme, literature, dostopa do znanstvenih objav ter administrativnih in upravljalskih sistemov.
Za raziskovalno sodelovanje: Na podlagi sodelovanja posameznikov, organizacij in inštitucij se bodo vzpostavile nove ali okrepile obstoječe delovne povezave, ki bodo prispevale k učinkovitejšemu sodelovanju v prihodnosti.
Za vire sredstev: Za predlagatelje projekta kot tudi za povezane organizacije se bo povečala sposobnost pridobivanja novih finančnih, tehničnih in organizacijskih virov za prihodnje raziskovalne projekte.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
