Termovizní skenery se v medicíně okrajově používají, avšak širšímu nasazení do praxe brání jejich technologické limity. Výzkumnému týmu pod vedením Adama Chromého ze skupiny Kybernetika a robotika CEITEC VUT se však podařilo vyvinout robotický 3D skener RoScan, který se díky své konstrukci, osazení senzory i unikátní kalibrační metodě dokázal vyrovnat s největšími problémy termovize a v rámci pilotního experimentu tak pomáhal pacientům diabetologické kliniky Fakultní nemocnice u sv. Anny v Brně.
RoScan je v podstatě robotický manipulátor osazený třemi typy snímačů. Proč jste ke konstrukci použili zrovna průmyslové rameno? Na trhu je dostupných poměrně hodně 3D skenerů, ale všechny jsou v podstatě kompromisem. Buď mají malou odchylku při měření, ale zároveň jsou málo flexibilní, protože se pohybují často například po kolejnicích. Nebo jsou flexibilní dostatečně, zpravidla v podobě ručního zařízení, ale jejich nevýhodou je malá přesnost.
Hledali jsme proto řešení, které by dokázalo spojit výhody obou variant. To jsme nakonec našli v běžném průmyslovém, robotickém, šestiosém ramenu, které poskytuje velikou flexibilitu, a zároveň tím, že je stále spojeno souřadným systémem, neztrácíme pohybem přesnost. K ramenu jsou připevněny standardní a termovizní kamera doplněné laserovým dálkoměrem. Díky němu víme, kde přesně se rameno nachází, kterým směrem se dálkoměr dívá a do jaké vzdálenosti. Můžeme tak vypočítat, kde se v prostoru měřený bod nachází.
Měření se mnohokrát opakuje a ve výsledku z něho vznikne 3D model snímaného objektu. V průběhu tvoření 3D modelu probíhá také snímání běžnou i termokamerou a tyto fotografie pak namapujeme na povrch modelu.
Takto popsané to zní vlastně velmi jednoduše. V čem byl zakopaný pes?
Jedním z nejtvrdších oříšků byla přesnost. Abychom dokázali udržet odchylku v měření maximálně 0,05 mm, musí být kamera upevněna s přesností na desetitisíciny stupně. To ale technicky není možné, protože když se u kamery jen trošičku utáhne šroubek, přesnost se dole na skenovací podložce u paty ramena rozjede klidně o několik desetin milimetru. I když tedy kameru nastavíme v úhlech, o kterých si myslíme, že jsou správné, k určitým odchylkám nakonec dojde a snímky nám k sobě nepasují úplně přesně. Proto jsme vyvinuli kalibrační metodu, která správné úhly vypočítá s přesností na požadované desetitisíciny stupně. Tvoří ji nejen soustava samotných rovnic, ale také vlastní software a díky těmto výpočtům nám pak snímky na 3D modelu perfektně sedí.
Kde lze RoScan využít?
RoScan má mnoho různých aplikací, my jsme se při našem výzkumu zaměřili zejména na medicínské využití, protože zde vidíme největší potenciál. V medicíně by totiž mohla hodně pomáhat termovize, ale má tři velká úskalí, která jejímu masovému rozšíření brání. A tak jsme se pomocí RoScanu snažili tyto problémy vyřešit, aby byla termovize efektivní a mohla lékařům skutečně pomoci.
Zásadním pro nás byl problém s rozlišením termovizní kamery. I když se vývoj stále posouvá dopředu, je rozlišení termokamer desetinové oproti běžným snímačům používaným třeba v mobilních telefonech. Jde o velký limit, protože buď jsme schopni nasnímat celého člověka, ale snímek je hrubý, bez detailů, nebo můžeme nasnímat malou část těla velmi zblízka. Snímek má pak sice hodně detailů, jde však jen o malý výřez, který nestačí. Lékař zpravidla potřebuje vidět velkou plochu a s vysokým rozlišením. Šli jsme tedy cestou dílčích výřezů, které pak mapujeme na 3D model, díky jemuž dokážeme vytvořit obraz celku s dokonalým termovizním rozlišením. Dalo by se říci, že velmi přesně slepujeme detailní výřezy k sobě. Pokud nebudete mít k dispozici 3D technologii, nikdy k sobě dílčí snímky nenapasujete dobře, protože jednotlivé snímky v sobě nenesou přesnou prostorovou informaci. My ji ale máme, a tak to dokážeme.
Takže problémů k vyřešení bylo více. Jaké byly ty další dvě překážky ve zmíněném případě?
Nejlépe se to dá ilustrovat na snímku končetiny. Pokud na výstupu z termokamery vidíme teplejší místo, může to znamenat, že v této lokalitě probíhá zánět. Ale je to, jako kdybychom pracovali se slepou mapou, nevíme, k čemu přesně to teplé místo patří. Zda třeba k zanícenému mateřskému znaménku, zanícenému vlasovému lůžku o půl centimetru vedle nebo třeba ke štípanci od klíštěte. To je právě ta velká nevýhoda termosnímku a zároveň také důvod, proč se zatím technologie termovize v medicíně příliš neujala.
My však máme 3D model, na nějž jsou namapované nejen teplotní informace, ale zároveň i barevné informace z běžné kamery. Mezi těmito vrstvami můžeme přepínat podobně jako v grafickém programu a díky tomu můžeme přesně identifikovat, k čemu teplotní informace patří. Podíváme se na 3D model, zjistíme lokální zvýšenou teplotu, místo označíme a následně, po přepnutí do barevné vrstvy zjistíme, k čemu se vyšší teplota může vázat. Dokážeme tedy zjistit, že sledovaný bod na termovizním snímku odpovídá konkrétnímu bodu na snímku barevném.
Jako podpůrnou funkci máme navíc také sledování hrubosti povrchu. Ta může rovněž pomoci s identifikací místa.
Kromě toho jsme zvládli vyřešit i problém při opakovaném snímkování v případě, že je potřeba sledovat vývoj postižené oblasti. U termovize se oblast, kterou potřebuje lékař porovnávat, vyznačit nedá. Na obrázku si sice přesnou oblast, kterou chcesledovat, vyberete, ale kvůli hladkým a pozvolným přechodům ji při opětovném vyšetření nedokáže znovu lokalizovat. U nás přišel na řadu černý fix, kterým lze pacientovi zájmovou oblast na těle označit. Díky tomu, že máme na 3D modelu namapované obě vrstvy a můžeme se tedy orientovat podle barevných snímků, zvládneme zaměření také v termovizní vrstvě. To v samotné termovizi zkrátka udělat nelze.
Jaké konkrétní využití tedy RoScan najde v medicínské praxi?
RoScan je určen primárně ke sledování zánětlivých procesů na částech těla. Různé zdravotní problémy se dost často projeví zánětem, s nímž jsou spojené metabolické procesy lokálně zvyšující teplotu. Proto jej lze použít ve fyzioterapii, diabetologii a podobně.
Zároveň se dá ovšem využít i obráceně. Můžeme s ním sledovat nižší teplotu určitých míst, zejména ischemie a nekrózy. Například diabetici přestávají mít cit v končetinách, nevnímají tedy ani bolest a zároveň je jejich tkáň citlivější k poškození. Tyto dvě věci mohou být v konečném důsledku fatální, protože když pacient necítí bolest třeba na plosce nohy, může i banální zranění kvůli rozvinuté nekróze skončit amputací končetiny. Díky RoScanu je možné nekrózu sledovat a následně zastavit, protože zapouzdření se dá na termovizních snímcích z opakovaných měření velmi dobře rozpoznat. Zda nekróza postupuje, nebo se zastavila, bez termovize pozná jen velmi zkušený lékař. Dalo by se tedy říci, že RoScan je také záležitostí prevence.
Může zařízení nahradit jiné medicínské přístroje jako například magnetickou rezonanci?
Nahradit určitě ne. Nejde o stejně zaměřené zařízení. U magnetické rezonance vidíte veškeré detailní struktury uvnitř těla, u RoScanu vidíte pouze to, co se promítne na povrch. Na druhou stranu u magnetické rezonance (MRI) nevidíte teplotu v jednotlivých místech, zatímco u RoScanu ano. RoScan tedy vidí mnoho zajímavých věcí, které MRI nevidí, a naopak MRI zase vidí mnoho, co neodhalí RoScan.
Nicméně určitý průnik mezi nimi je: například měření objemů měkkých tkání lze provést oběma technologiemi. A tady má RoScan navrch, protože přináší stejný, dokonce i mírně lepší výsledek za zlomek ceny při použití MRI. Uvedu to na příkladu měření objemu oteklé nohy. Pokud se vám vůbec podaří pacienta vměstnat do pořadníku na nedostatkové MRI mezi mnohem závažnější případy, získáte model s mnoha detaily vnitřních struktur. Tuto informaci zahodíte a spočítáte z MRI 3D modelu objem. Měření bude trvat cca 30—50 minut, dalších 30 minut zabere analýza získaných dat a celkově vyjde na zhruba pět tisíc. S RoScanem to nasnímáte za minutu, za další minutu máte výsledek, a zaplatíte pouze pár wattů elektřiny.
A to jsem u MRI nezmínil komplikace s lidmi trpícími klaustrofobií, s kovovými prvky v těle apod. Nahradit MRI RoScanem tedy určitě nemůžeme, a ani nechceme, ale určitě můžeme odlehčit vytíženost MRI tak, že některé případy pošleme místo na MRI na RoScan. Nicméně jak již jsem říkal, primární zaměření RoScanu je někde jinde.
Přístroj již prošel reálným nasazením ve FN u sv. Anny v Brně. Jak se v reálném provozu osvědčil?
Když jsme na RoScanu pracovali v rámci velkého projektu Astonish z evropských fondů, zaměřeného na vývoj nových zobrazovacích metod, probíhala u sv. Anny validační fáze výzkumu. Spolupracovali jsme konkrétně s oddělením diabetologie, kde byla realizována pilotní studie na přibližně 40 pacientech. S koncem evropského projektu jsme ale spolupráci přerušili a nyní hledáme finance, abychom mohli pokračovat. Ale osvědčil se opravdu dobře, porovnávali jsme naše snímky s okem zkušeného diabetologa a panovala zde shoda. RoScan dokázal lokalizovat, kvantifikovat i monitorovat postižené oblasti.
Kromě toho jsme pak provedli i několik větších či menších pilotních experimentů v dalších oblastech, který byly někdy i neplánované. Jednou jsem si například při běhu lehce zranil palec na noze. Začal jsem jej sledovat v krátkých intervalech a nepřestal jsem, ani když bolest zhruba po šesti hodinách odezněla. Teplotní změna však byla na 3D modelu viditelná tři dny. Přístroj je tedy schopný zaznamenat i hojení. A když to obrátíme, je schopen rozpoznat i problém, který ještě nebolí, což může skutečně pomoci mnoha pacientům.
Mají na brněnské diabetologii RoScan stále k dispozici?
Nemají, byl zde pouze po dobu studie. RoScan je totiž doposud pouze experimentální vzorek a nemá tedy samozřejmě žádnou certifikaci pro zdravotnická zařízení. Pacienti, kteří se chtěli zúčastnit, podepisovali informovaný souhlas a já jsem jako technik musel být neustále přítomen při provozu. Zodpovídal jsem za bezpečnost.
A vzhledem k tomu, že nyní nemá vývoj RoScanu financování, musím se věnovat jiným věcem. Proto jsme jej dočasně přerušili. Jakmile ovšem získáme finance na další vývoj, chceme v něm rozhodně pokračovat.
Když jste hovořil o příhodě s palcem, tak mě napadá: s jakou přesností dokáže RoScan teplotu měřit?
Obecně u termovize záleží na tom, jaká kamera se použije. Ta naše dokáže rozlišovat s přesností na 0,04 °C. Řekl bych však, že u termokamer je potíž v absolutní teplotě. Zatímco drobné rozdíly jsme schopni rozlišit velmi přesně, celková hodnota může ulétnout klidně i o 3 °C, což je u těla příliš. V našem případě to ale nevadí, protože vždy můžeme porovnávat se zdravou částí těla. Nepotřebujeme vědět, zda je v lokalitě 37,2 °C, potřebujeme zjistit, že dané místo má oproti zdravé partii vedle o 0,2 °C více.
Pro zajímavost dodám, že například můj ukopnutý palec byl teplejší o 4 °C. Takové velké rozdíly se ale mohou vyskytnout pouze na periferii. Ve chvíli, kdy tam došlo k poškození tkáně, začala se oblast více prokrvovat, čímž bylo urychleno hojení. Zvýšení teploty se tak znásobilo. Blíže k srdci by teplotní rozdíl samozřejmě nebyl tak markantní.
RoScan je vaše disertační práce, nebo má kořeny jinde?
V naší skupině robotiky na Ústavu automatizace se věnujeme hlavně vojenské robotice a v rámci této vojenské robotiky se termovize využívá úplně běžně, například pro detekci osob.
Konkrétně tato medicínská aplikace napadla v roce 2012 mého školitele prof. Luďka Žaluda, protože měl s termovizí zkušenosti a zároveň měl nějaké kontakty s lékaři v nemocnici u sv. Anny. Díky němu se tedy podařilo propojit tyto dva světy a já jsem téma mohl rozpracovat nejprve v diplomové práci. RoScan se pak postupně ještě přes disertační práci a různé výzkumné projekty dostal až do funkční fáze, kde je dnes.
Je to funkční vzorek, který je schopen fungovat v medicínské praxi.