Nowe kierunki w medycynie cyfrowej

prof. dr hab. Wiesław L. Nowiński Centrum Anatomii Wirtualnej i Symulacji Chirurgicznej im. Jana Pawła II | Uniwersytet Kardynała Stefana Wyszyńskiego w Warszawie

Szybki rozwój technik obrazowania diagnostycznego w ostatnich dekadach nie tylko zwiększył zakres i skuteczność diagnozowania chorób, ale przyśpieszył rozwój medycyny cyfrowej. Skany w postaci obrazów cyfrowych umożliwiają tworzenie cyfrowych, wielowymiarowych modeli ciała ludzkiego, jak również budowanie systemów komputerowych. Modele cyfrowe, czyli wirtualne, mają szeroki zakres zastosowań: od edukacji medycznej przez trening, planowanie chirurgii i systemy decyzyjne. Budowa i stosowanie modeli wirtualnych wymaga rozwoju wielu metod (przetwarzanie obrazów, grafika komputerowa, modelowanie geometryczne i fizyczne, wizualizacja, interakcja i rzeczywistość wirtualna).

Nasze poprzednie prace

Do tej pory stworzyliśmy różnorodne wirtualne modele ciała ludzkiego, w tym serca, wątroby, klatki piersiowej, brzucha, naczyń krwionośnych całego ciała, oka i orbity[1]. Jednakże największego postępu dokonaliśmy w modelowaniu mózgu ludzkiego i zastosowaniach tych modeli w edukacji medycznej, badaniach i aplikacjach klinicznych (patrz przegląd w[2]). Postęp ten był na polach naukowym, klinicznym i wdrożeniowym. Modele mózgu w postaci atlasów to narzędzia do uczenia[3,4], badania[5,6], diagnozowania[7,8], podejmowania decyzji[9-11], leczenia[5,12-18] i prognozowanie efektów leczenia[19] mózgu ludzkiego. Nasze prace nad mózgiem ludzkim były wydrukowane w około 200 publikacjach i odzwierciedliły się również w odkryciach, takich jak m.in. funkcjonalna lateralizacja jąder głębokich[5], czy też określenie prostych proporcji naczyń krwionośnych mózgu pomimo ich wielkiej złożoności i zmienności[6].

Kliniczną wartość naszej pracy ilustrują 23 nagrody, w tym od czołowych towarzystw medycznych, m.in.: Magna cum Laude od Radiological Society of North America w 2009 (Oscar radiologiczny); Summa cum Laude w 2014, 2012, 2008 i 1997, i Magna cum Laude w 2009 i 2005 od American Society of Neuroradiology; oraz Pionier Medycyny od Society for Brain Mapping and Therapeutics w 2013. Przegląd naszego wkładu do neurochirurgii jest przedstawiony w  ?Textbook of Stereotactic and Functional Neurosurger?[18], a do neuroradiologii w ?The Neuroradiology Journal?[7].

Dodatkowo, dzięki właściwej organizacji, uzyskano również znaczny efekt wdrożeniowy (pomimo prowadzenia regularnych prac badawczo-rozwojowych w rządowym laboratorium naukowym). Ze swoim zespołem zbudowałem 35 komercyjnych atlasów mózgu rozprowadzanych w około 100 krajach. Atlasy zostały wylicencjonowane do 67 firm i instytucji, w tym 3 wydawców. Atlasy zostały również wylicencjonowane do 13 firm chirurgicznych, i zainstalowane w ponad 1550 stacjach chirurgicznych na całym świecie[18]. Setki tysięcy pacjentów było leczonych za pomocą moich atlasów mózgu. Thieme Medical Publishers, najlepszy wydawca w obszarze mózgu, wydał 15 moich atlasów jako książki elektroniczne i rozprowadził ponad 7500 kopii do szkół medycznych i indywidualnych lekarzy. Doświadczenia z tych wdrożeń próbuję przenosić na grunt polski.

Komputerowe wspieranie decyzji obejmuje systemy typu CAD (ang. Computer-Aided Detection/Diagnosis/Decision) i systemy chirurgii minimalno-inwazyjnej typu MIS (ang. Minimally-Invasive Surgery). Omówione zostaną pokrótce wybrane komputerowe systemy wspierania decyzji w neuroradiologii[7], mapowaniu mózgu[20,21], udarze mózgu[10] i neurochirurgii.

Ogólnie mówiąc, atlasy nałożone na skany pacjenta ułatwiają ich interpretację[7]. Szczególnie interpretacja małych, głęboko położonych guzów mózgu jest ułatwiona za pomocą atlasu, którego rozdzielczość anatomiczna (czyli parcelacja) jest znacznie większa niż oryginalny skan. Atlas działa wówczas jak ?anatomiczne szkło powiększające?[7]. Najnowsze tomografy komputerowe, takie jak 320-rzędowe, generują około 7000 obrazów na minutę powodując eksplozję danych. Interpretacja takich skanów w tradycyjny sposób nie jest możliwa. Wówczas atlas naczyniowy ułatwia interpretację skanów angiograficznych i działa jak ?magnes wybierający igły (czyli naczynia) w stogu siana?[7].

Wirtualny system chirurgiczny[22] umożliwia wczytanie i rejestrację skanów tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego, a następnie wyświetlanie ich stereoskopowo w 3D i manipulowanie otrzymanym modelem wirtualnym za pomocą obu rąk. Oprócz treningu chirurgicznego system ten (w formie komercyjnej zwany Dextroscope) został wykorzystany w podejmowaniu decyzji w planowaniu neurochirurgii w około 3000 operacjach na całym świecie. Najbardziej złożonym (i znanym) przypadkiem było planowanie rozdzielenia bliźniaków syjamskich zrośniętych głowami w 1997 roku przez doktora Benjamina Carsona ze szpitala Johns Hopkinsa w USA. Była to pierwsza udana operacja rozdzielenia takich bliźniaków bez ubocznych efektów neurologicznych. Dr Carson w liście skierowanym do nas tak napisał o naszym wkładzie: ?Technologia ta była kluczowa w moim ostatnim sukcesie?.

Neurochirurgia stereotaktyczna i funkcjonalna zajmuje się leczeniem za pomocą głębokiej stymulacji mózgu wielu chorób, włączając chorobę Parkinsona. Procedura ta wymaga precyzyjnego umiejscowienia stymulatora głęboko w mózgu. Wówczas atlas anatomiczny wspiera określenie struktury, w którą należy zaimplantować stymulator[16,23], zaś atlas funkcjonalny (skorelowany przestrzennie z atlasem anatomicznym[24]) dodatkowo określa najefektywniejszy punkt w tej strukturze[13,25,26].

Nowe inicjatywy UKSW

W oparciu o dotychczasowe doświadczenia i rozległą sieć naukowo-kliniczno-przemysłową, UKSW przedsiębierze nowe, ambitne, strategiczne dla kraju inicjatywy rozszerzając jednocześnie współpracę z instytucjami krajowymi i zagranicznymi. Największym wyzwaniem jest uczestnictwo w budowie Polski innowacyjnej[27,28], która będzie następowała krok po kroku: od Centrum Anatomii Wirtualnej i Symulacji Chirurgicznej poprzez Polskie Centrum Neurotechnologiczne, Technopolish, a kończąc na Polskiej Dolinie Krzemowej, w ktorej UKSW winno spełniać rolę ?polskiego Stanfordu?[29].

Na UKSW zostało powołane Centrum ANatomii Wirtualnej i Symulacji Chirurgicznej im. Jana Pawła II (w skrócie CAN). CAN to światowej klasy ośrodek edukacji i badań medycznych zapoczątkowujący szkołę medyczną na UKSW. Ustanowienie szkoły medycznej na UKSW było życzeniem Papieża Jana Pawła II w czasie odbierania Doktoratu Honorowego ? my wypełniamy ten testament. CAN oferuje nie tylko nowatorskie kursy po angielsku (w oparciu o światowej klasy atlasy mózgu, szeroko stosowane i nagradzane przez czołowe towarzystwa medyczne), ale również stworzy wirtualne modele ciała ludzkiego i zbuduje symulatory do edukacji i treningu medycznego, i sam w sobie będzie globalnym produktem. W czasie uroczystego otwarcia wicepremier Gowin stwierdził[29]: ?Nakreślony przez prof. Nowińskiego projekt Centrum w pełni wpisuje się w strategiczne cele polskiego rządu i polskiego państwa?.

Polskie centrum neuroTECHNOlogiczne

Kolejną inicjatywą przy UKSW jest tworzenie Polskiego Centrum Neurotechnologicznego (PCN). Mózg ludzki jest najbardziej skomplikowanym żywym organem wymagającym dalszych badań w celu jego poznania. Olbrzymie i stale rosnące koszty chorób neurologicznych, starzejące się społeczeństwo i 1/3 dorosłej populacji świata cierpiącej na choroby neurologiczne (które są najczęstsze), to również olbrzymia szansa rynkowa. Ponadto badania nad mózgiem będą następną olbrzymią falą technologiczną po badaniach kosmosu. Dlatego też XXI wiek jest uważany za wiek mózgu i umysłu, a na świecie prowadzone są kosztowne i długofalowe projekty badawcze w neurotechnologiach.

Celem PCN jest stworzenie (na bazie istniejących osiągnięć naukowych, klinicznych i komercyjnych) światowej klasy ośrodka neurotechnologicznego koncentrującego się na mózgu ludzkim w zdrowiu i chorobie. PCN ma spełniać rolę magnesu przyciągającego talenty badawcze, projekty, współpracę i finansowanie, jak również inkubatora globalnych technologii, produktów i startupów. Wyzwaniem PCN będzie stworzenie lepszych rozwiązań dla edukacji medycznej, diagnozy i leczenia, komercjalizowanych globalnie.

W ramach PCN sformułowano obecnie 11 projektów z pięcioma czołowymi instytucjami amerykańskimi: dwoma najlepszymi szpitalami/szkołami medycznymi (Johns Hopkins i Mayo Clinic), firmą Philips Healthcare/Research, najlepszym wydawcą o mózgu (Thieme) i najlepszym instytutem/ekspertem od obrazowania makro-, a zwłaszcza mikro-waskulatury (gdyż aż 40 proc. populacji USA do 2030 będzie miało pewną formę chorób naczyń krwionośnych). Duży nacisk położono na wdrożenia i komercjalizację. Zakres prac obejmuje m.in. udar mózgu (Johns Hopkins), chorobę Alzheimera i urazy mózgu (Philips), symulatory chirurgiczne (Mayo Clinic) i choroby naczyniowe.

Technopolish ? Polska Dolina Krzemowa

Technopolish to Polskie Technopolis. Jego rola to innowacyjno-technologiczna wizytówka Polski; magnes dla talentów, projektów i finansowania; inkubator inkubatorów; koordynator innowacyjnych zasobów kraju; oraz ?przystań? diaspory, którą należy aktywnie włączyć w budowę Polski Innowacyjnej. Technopolish winno być zorganizowane jako Centra Doskonałości prowadzone przez naukowców diaspory, mających doświadczenie w komercjalizacji nauki, łącznie z inkubatorem oraz tanią przestrzenią dla firm technologicznych. PCN będzie pilotażowym centrum doskonałości. Technopolish to zalążek, wokół którego będzie budowana nasza Dolina Krzemowa. Będzie to przystań dla krajowych firm technologicznych, filii krajowych i wybranych zagranicznych szkół wyższych, czołowych światowych firm technologicznych zakładających tu swoje regionalne oddziały badawczo-rozwojowe oraz inwestorów.

Piśmiennictwo

1. Nowinski WL: The future of imaging in orbital disease. In: Orbital Disease: Present Status and Future Challenges. (ed. Rootman J). Taylor & Francis, Boca Raton 2005:353-370.
2. Nowinski WL: Towards the holistic, reference and extendable atlas of the human brain, head and neck. Brain Informatics 2015;2(2):65-76; http://link.springer.com/article/10.1007/s40708-015-0012-4
3. Nowinski WL, A Thirunavuukarasuu A, Ananthasubramaniam A, Chua BC, Qian G, Nowinska NG, Marchenko Y, Volkau I: Automatic testing and assessment of neuroanatomy using a digital brain atlas: method and development of computer- and mobile-based applications. Anatomical Sciences Education 2009;2(5):244-52.
4. Nowinski WL, A Thirunavuukarasuu, Volkau I, Marchenko Y, Aminah B, Gelas A, Huang S, Lee LC, Liu J, Ng TT, Nowinska N, Puspitasari F, Qian G, Runge VM: A new presentation and exploration of human cerebral vasculature correlated with surface and sectional neuroanatomy. Anatomical Sciences Education 2009;2(1):24-33.
5. Nowinski WL, Belov D, Pollack P, Benabid AL: Statistical analysis of 168 bilateral subthalamic nucleus implantations by means of the probabilistic functional atlas. Neurosurgery 2005 Oct;57(4 Suppl):319-330.
6. Nowinski WL, Puspitasaari F, Volkau I, Orrison WW, Knopp MV: Quantification of the human cerebrovasculature – a 7 Tesla and 320-row CT in vivo study. Journal of Computer Assisted Tomography 2013;37(1):117-122.
7. Nowinski WL: Usefulness of brain atlases in neuroradiology: current status and future potential. The Neuroradiology Journal 2016 May 6. pii: 1971400916648338. [Epub ahead of print].
8. Nowinski WL: Electronic brain atlases: features and applications. In: 3D Image Processing: Techniques and Clinical Applications (eds. Caramella D, Bartolozzi C). Medical Radiology series, Springer, Berlin 2002:79-93.
9. Nowinski WL, Qian GY, Hanley DF: A CAD system for hemorrhagic stroke. The Neuroradiology Journal 2014;27(4):409-416. doi: 10.15274/NRJ-2014-10080.
10. Nowinski WL, Qian G, Bhanu Prakash KN, Thirunavuukarasuu A, Hu QM, Ivanov N, Parimal AS, Runge VM, Beauchamp NJ: Analysis of ischemic stroke MR images by means of brain atlases of anatomy and blood supply territories. Academic Radiology 2006;13(8):1025-34.
11. Nowinski WL, Qian G, Bhanu Prakash KN, Volkau I, A. Thirunavuukarasuu, Hu Q, A. Ananthasubramaniam, Liu J, Gupta V, Ng TT, Leong WK, Beauchamp NJ: A CAD system for acute ischemic stroke image processing. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery 2007;2(Suppl. 1):220-222.
12. Nowinski WL, Chua BC, Volkau I, Puspitasari F, Marchenko Y, Runge VM, Knopp MV: Simulation and assessment of cerebrovascular damage in deep brain stimulation using a stereotactic atlas of vasculature and structure derived from multiple 3T and 7T scans. Journal of Neurosurgery 2010;113(6):1234-41.
13. Nowinski WL, Belov D, Benabid AL: An algorithm for rapid calculation of a probabilistic functional atlas of subcortical structures from electrophysiological data collected during functional neurosurgery procedures. NeuroImage 2003;18(1):143-155.
14. Nowinski WL: Computerized brain atlases for surgery of movement disorders. Seminars in Neurosurgery 2001;12(2):183-194.
15. Nowinski WL, Yang GL, Yeo TT: Computer-aided stereotactic functional neurosurgery enhanced by the use of the multiple brain atlas database. IEEE Transactions on Medical Imaging 2000;19(1):62-69.
16. Nowinski WL: Anatomical targeting in functional neurosurgery by the simultaneous use of multiple Schaltenbrand-Wahren brain atlas microseries. Stereotactic and Functional Neurosurgery 1998;71(3):103-116.
17. Nowinski WL, Yeo TT, Thirunavuukarasuu A: Microelectrode-Guided Functional Neurosurgery Assisted by Electronic Clinical Brain Atlas CD-ROM. Computer Aided Surgery 1998;3(3):115-122.
18. Nowinski WL: Anatomical and probabilistic functional atlases in stereotactic and functional neurosurgery. In: Textbook of Stereotactic and Functional Neurosurgery (eds. Lozano A, Gildenberg P, Tasker R), 2ed edition. Springer, Berlin 2009:395-441.
19. Nowinski WL, Gupta V, Qian GY, Ambrosius W, Kazmierski R: Population-based stroke atlas for outcome prediction: method and preliminary results for ischemic stroke from CT. PLoS One. 2014 August 14; 9(8):e102048. doi: 10.1371/journal.pone.0102048. eCollection 2014; http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0102048
20. Nowinski WL, Thirunavuukarasuu A: A locus-driven mechanism for rapid and automated atlas-assisted analysis of functional images by using the Brain Atlas for Functional Imaging. Neurosurgical Focus, 15(1), Article 3, 2003.
21. Nowinski WL, Thirunavuukarasuu A: Atlas-assisted localization analysis of functional images. Medical Image Analysis 2001 Sep;5(3):207-220.
22. Kockro RA, Serra L, Yeo TT, Chan C, Sitoh YY, Chua GG, Ng H, Lee E, Lee YH, Nowinski WL: Planning and simulation of neurosurgery in a virtual reality environment. Neurosurgery 2000;46(1):118-137.
23. Nowinski WL, Benabid AL. New directions in atlas-assisted stereotactic functional neurosurgery. In: Advanced Techniques in Image-Guided Brain and Spine Surgery (ed. Germano IM), Thieme, New York, 2002:162-174.
24. Nowinski WL. Co-registration of the Schaltenbrand-Wahren microseries with the probabilistic functional atlas. Stereotactic and Functional Neurosurgery 2004;82:142-146.
25. Nowinski WL, Belov D, Pollak P, Benabid AL. A probabilistic functional atlas of the human subthalamic nucleus. Neuroinformatics 2004;2(4):381-398.
26. Nowinski WL, Belov D, A. Thirunavuukarasuu, Benabid AL. A probabilistic functional atlas of the VIM nucleus constructed from pre-, intra- and post-operative electrophysiological and neuroimaging data acquired during the surgical treatment of Parkinson?s disease patients. Stereotactic and Functional Neurosurgery 2006 Jan;83(5-6):190-196.
27. Onet.wiadomości, 7 grudnia 2015, Prof. Wiesław Nowiński w ?Ustalmy Jedno – Świat?: chcę utworzyć Polską Dolinę Krzemową http://wiadomosci.onet.pl/tylko-w-onecie/prof-wieslaw-nowinski-w-ustalmy-jedno-swiat-chce-utworzyc-polska-doline-krzemowa/3bx5p8
28. UKSW buduje Polskę Innowacyjną http://uksw.edu.pl/pl/uniwersytet/uczelnia-dzis/aktualnosci/464-uksw-buduje-polske-innowacyjna
29. UKSW ? made in Poland http://uksw.edu.pl/pl/uniwersytet/uczelnia-dzis/aktualnosci/470-uksw-made-in-poland