- W 2017 roku do zgłosiła się do nas para lekarzy z pytaniem, czy dalibyśmy radę komputerowo oszacować, przewidzieć ze zdjęć USG wczesny poród – opowiada Szymon Płotka, absolwent Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. A problem jest niemały, bo ok. 15 proc. ciąż kończy się przedwcześnie. Według raportu Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) aż milion noworodków rocznie umiera z tego powodu. Wiele musi być przez lata pod opieką fizjoterapeutów, logopedów albo przez całe życie mierzyć się z niepełnosprawnością. Niestety, z badań, jakie przechodzą kobiety w ciąży, nie zawsze da się określić, że pacjentka urodzi wcześniej. - Gdyby nam się to udało, to lekarze mogliby zareagować i być może uratowalibyśmy więcej dzieci - wyjaśnia Szymon Płotka.
Zapobiec przedwczesnym porodom
Lekarze zebrali i przygotowali z archiwum szpitala Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego zdjęcia USG szyjek macicy pacjentek z oznaczeniem, która urodziła przedwcześnie. - Spotkaliśmy się z zespołem informatyków, zrobiliśmy burzę mózgów. W końcu po analizach, badaniach, próbach opracowaliśmy autorską metodę algorytmu opartego o głębokie sieci neuronowe - mówi naukowiec.
Na czym to dokładnie polega? Obraz USG ma określone piksele. Sieć analizuje piksel po pikselu. Uczy się cech tego obrazu, redukując go, to znaczy wyciąga cechy od niskiego poziomu do wysokiego. Przy przedwczesnym porodzie kluczowe są dwa parametry: długość szyjki macicy i jej kąt ułożenia. - Gdy sieć zredukuje obraz do bardzo małej wielkości, to my gołym okiem nic nie zobaczymy, ale komputer może określić na podstawie tych wszystkich wyciągniętych cech z różnej skali, co widzi – wyjaśnia Płotka.
Algorytm można wykorzystać do analizy zdjęć USG już z pierwszego trymestru ciąży
Informatycy do tego stworzyli algorytm, który jest w stanie stwierdzić, wykorzystując cechy, których nauczyły się sieci neuronowe, że np. tak wyglądająca szyjka macicy oznacza przedwczesny poród. - To trochę tak jak uczymy się w nowej pracy twarzy kolegów. Po jakimś czasie nie pytamy o imię, tylko spojrzymy i wiemy, że to jest np. Ania, Kasia, Marcin – tłumaczy Płotka. Algorytm można wykorzystać do analizy zdjęć USG z pierwszego trymestru ciąży i już wtedy określi on, czy prawdopodobnie dojdzie do przedwczesnego porodu.
Odpowiedź w ciągu kilku sekund
Aby skorzystać z rozwiązania opracowanego przez zespół informatyków z PW, wystarczy zwykły komputer i aplikacja, do której wrzuca się zdjęcia USG. Wygenerowanie odpowiedzi trwa kilka sekund. Szymon Płotka zaznacza jednak od razu, że to narzędzie, choć działa w zakresie błędu lekarskiego i nie wymaga wiedzy eksperckiej, jedynie wspomaga lekarzy, nie zastępuje ich.
- Narzędzie już działa, ale żeby wdrożyć je do szpitali, klinik potrzebujemy większej liczby obrazów, żeby douczyć algorytm, by mniej się mylił – mówi Płotka. To rozwinęłoby diagnostykę komputerową, pomogłoby ginekologom i położnikom z większą dokładnością przewidywać przedwczesne porody i w efekcie mogłoby uratować życie i zdrowie wielu noworodków.
Specjaliści z PW na tym nie poprzestali.- Zaczęliśmy właśnie pracę nad innym projektem, również wykorzystującym sieci neuronowe - dodaje Płotka. Chodzi o oszacowanie wagi porodowej dziecka.
Waga płodu to jeden z parametrów, na podstawie którego lekarz musi zaplanować, czy poród będzie naturalny czy przez cesarskie cięcie. - Jeśli dziecko waży ponad 3,5 kg, to wskazana jest cesarka – wyjaśnia Płotka. Tymczasem aparat USG określający podczas badania wagę dziecka, które ma się urodzić, myli się nawet do 1,5 kg, np. wskazuje, że dziecko ma 3 kg, a może mieć ponad 4 kg. Dlatego specjaliści z PW od uczelni medycznych z Warszawy i Poznania zebrali dane biometryczne płodów, to znaczy nagranie głowy, brzucha i kości udowej. Są to dane z badań, które wykonano do 24 godz. przed porodem. Na podstawie tych nagrań oznaczają wagę płodu, do tego dodają dane, ile dziecko miało rzeczywistej wagi po porodzie i porównują z błędem, który dał aparat. W ten sposób lepiej można określić, ile tak naprawdę waży dziecko. Gotowy już jest prototyp narzędzia.
Eko-kask jak plastry miodu
- Zaczęło się od swobodnych dyskusji. Wszyscy jeździmy na rowerze, nartach. Większości zdarzyło się, np. jadąc w góry, zapomnieć kasku. Trzeba go było wypożyczać, a jest to mało higieniczne. Mając jednocześnie doświadczenia w materiałach, które pochłaniają energię, stwierdziliśmy, że można coś z tym zrobić - opowiada dr Paweł Kaczyński z Katedry Obróbki Plastycznej, Spawalnictwa i Metrologii na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej.
Dostępne na rynku kaski chroniące głowy rowerzystów, narciarzy czy snowboardzistów mają jeszcze jedną poważną wadę. Wystarczy nawet małe zderzenie, upadek i kask powinien trafić do kosza, bo już tak dobrze nie chroni. Jak tłumaczy dr Kaczyński, w tradycyjnych kaskach wykładzina energochłonna, która daje bezpieczeństwo np. rowerzyście, to w dużej mierze styropian. Po uderzeniu pochłania on energię, ale z czasem ubija się. - Tak jak gąbka od zlewozmywaka. Po każdy ściśnięciu niby wraca do swojego kształtu, ale jest bardziej sprasowana – porównuje ekspert.
W praktyce jednak mało kto wymienia kask po drobnym upadku, choćby ze względu na koszt zakupu nowego sprzętu. - Dlatego konstruujemy kask, który różni się trzema elementami od tych dzisiaj dostępnych: będzie bezpieczniejszy, każdy po zderzeniu samodzielnie i tanio wymieni wkładkę energochłonną, a przez to zadbamy też o względy higieniczne – wyjaśnia dr Kaczyński.
Ta wymienna wkładka to główny element pracy specjalistów z Politechniki Wrocławskiej. Pochłania ona energię za pomocą innego mechanizmu niż dostępne kaski, przez to będzie bezpieczniejsza. - Wykorzystujemy mechanizm plastycznego fałdowania - precyzuje dr Kaczyński. Wkładka jest wykonana z otwartych, pofałdowanych struktur przypominających plastry miodu. Dzięki temu może się odkształcać i pochłaniać nawet 84 proc. energii. Poza tym zgniecenie materiału jest od razu widoczne, nie będzie więc pola do zastanawiania się: czy kask jest uszkodzony, czy jeszcze da radę go używać.
Tworzywa rozłożą się w pół roku
Według projektu specjalistów z Politechniki Wrocławskiej po upadku konieczna będzie tylko wymiana wkładki, a koszt wyprodukowania takiej, jak szacują naukowcy, to 1 zł. - Nie zanieczyszczamy środowiska odpadami – od razu zaznacza też dr Kaczyński. Według szacunków każdego roku utylizuje się około miliona takich sprzętów w Polsce, co oznacza około 500 tys. kg odpadów. W dodatku obecnie, jak tłumaczy ekspert, dostępne wykładziny ochronne kasków powstają z nieekologicznych, ropopochodnych produktów, które rozkładają się co najmniej 100 lat.
- Musieliśmy więc stworzyć wkładkę, która z jednej strony rozłoży się szybko, ale z drugiej będzie chroniła sportowca – tłumaczy dr Kaczyński. - Mamy już wytworzone autorskie tworzywo – dodaje. Naukowcy wykorzystali materiały biodegradowalne, m.in. na bazie skrobi modyfikowanej, celulozy, ligniny, czy chityny. - Tworzywa te w warunkach kompostowych rozkładają się po pół roku całkowicie na węgiel i dwutlenek węgla – zaznacza dr Kaczyński.
Wkładka energochłonna do eko-kasku strukturą przypomina plastry miodu
Poza tym dzięki takim materiałom i formie wkładka będzie zapewniała większą przewiewność kasku, co da komfort rowerzystom czy narciarzom. Ważny jest tu też montaż. - Każdy sportowiec będzie mógł łatwo włożyć nową wkładkę bez doktoratu, instrukcji i bez użycia siły – zapowiada dr Kaczyński. Naukowcy stworzyli już prototyp, który cały czas udoskonalają. Teraz koncentrują się na opracowaniu technologii wytwarzania wkładki, tak by udało się ją produkować taśmowo. - Będziemy starali się też umożliwić użytkownikowi samodzielny wydruk takiej wkładki na drukarce 3D – dodaje dr Kaczyński.
Wkładki nie da się co prawda wmontować w dowolny kask, ale, jak twierdzi specjalista, wystarczy tylko niewielka modyfikacja tych, które są, czyli niewielkie otwory montażowe w miejsce styropianu, by było to możliwe. Nad projektem pięcioosobowy zespół pracuje od stycznia 2021 roku. Prace mają potrwać jeszcze dwa lata. - Myślę, że już wtedy będziemy mogli umówić się na przejażdżkę w nowych kaskach – mówi dr Kaczyński.
Proteza rośnie razem z dzieckiem
- Od dziecka marzyłam, żeby zostać lekarzem. W gimnazjum wiedziałam już, że nigdy nim nie zostanę. Okazało się, że mdleję na widok krwi – wspomina Ewelina Drelich, studentka Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Wybrała więc profil matematyczno-fizyczny w liceum, a potem automatykę i robotykę na politechnice. - Na studiach inżynierskich miałam specjalność z biomechaniki i biorobotyki, stwierdziłam, że będzie to fajna metoda na kontynuowanie marzenia z przeszłości – opowiada.
Na specjalizacji szukając materiałów do jednej z prac, wpadła na informacje o tym, jak trudno jest zdobyć protezę dłoni, a te, które są, są drogie i mało funkcjonalne, zwłaszcza dla dzieci. Tak w skrócie zrodził się pomysł na stworzenie w ramach pracy inżynierskiej modułowej protezy dłoni. - Dzięki temu mogłabym pomóc ludziom po amputacji i połączyłabym to z dawnymi planami i zamiłowaniem do techniki – wyjaśnia Drelich. Szacuje się, że każdego roku na świecie prawie 200 tys. osób poddawanych jest amputacji, większość protez nie obejmuje samej dłoni, ale też część przedramienia i łokieć. Poza tym dzieci dostają na początku tylko protezy estetyczne, które zapewniają im jedynie podstawowe chwyty - luka na rynku więc była.
Ewelina Drelich podczas prac nad rosnącą protezą
- Cele mieliśmy takie: stworzyć uniwersalną i tanią w wykonaniu protezę. Dziecko cały czas rośnie, więc chodziło też o to, by proteza rosła razem z nim – wylicza studentka. Stąd modułowy mechanizm jej napędzania. Palce według wstępnego projektu będą napędzane silniczkami elektrycznymi, do których naukowcy chcą użyć tanich napędów. Mają one swoje ograniczenia, ale z drugiej strony, jak wyjaśnia dr Witold Rządkowski z Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa, opiekun pracy Eweliny, proteza będzie miała mniejszą masę. - Gdybyśmy chcieli zachować wszystkie stopnie swobody ruchu, które ma dłoń, to musielibyśmy wykorzystać kilkanaście napędów. Tego raczej nie da się zrealizować, ale najważniejsze ruchy, jak chwyt, zrealizujemy - tłumaczy dr Rządkowski.
Najtrudniejszy kciuk
Jednym z głównych założeń konstrukcyjnych jest też umieszczenie wszystkich mechanizmów, czyli siłowników, napędów, elektroniki, która tym steruje, wewnątrz obudowy. - A mamy do czynienia z małą przestrzenią – przypomina specjalista. Wszystkie te mechaniczne elementy stanowią także dużą część kosztów, stąd wysokie ceny protez. W tym wypadku będą one wielokrotnego użytku. - Nie kupujemy silników, łożysk, przekładni, mechanizm zostaje ten sam, tylko wymieniamy części szkieletowe – wyjaśnia dr Rządkowski.
Paliczki, czyli kości w palcach, naukowcy drukują na drukarce 3D z wykorzystaniem technologii FDM, czyli przetapiania plastiku lub z żywicy. Przez to te elementy są tanie i lekkie, a gdy dziecko rośnie, można wydrukować kolejne, większe, w ten sposób - przez wymianę elementów szkieletowych – proteza ma „rosnąć” wraz z człowiekiem.
Paliczki, czyli kości w palcach, naukowcy drukują na drukarce 3D
- W tej chwili pracujemy nad protezą kciuka. Wymaga on najwięcej pracy, bo kciuk ma dużo większy zakres ruchu niż pozostałe palce - wyjaśnia Ewelina Drelich. – To jest palec, którego tak naprawdę nie da się zastąpić. Bez każdego z pozostałych da się funkcjonować właściwie w niezmieniony sposób, a bez kciuka nie – dodaje dr Rządkowski. Kciuk wymaga połączenia ruchów przywodzenia i odwodzenia, a co się tym wiąże trzeba umieścić więcej silniczków w urządzeniu, które sterują tym ruchem. Naukowcy starają się też, by stworzona przez nich proteza kciuka dawała podobne siły uchwytu.
Popularne w magazynie
Kształt protezy ekspertów z PW powstał na podstawie zdjęć rentgenowskich, potem został odwzorowany w programie komputerowym i przeskalowany tak, by jak najbardziej przypominał ludzki kciuk. - To też wpływa na odbiór protezy – zaznacza dr Rządkowski. Ta na razie ma wymiary, jak dla dorosłego mężczyzny. Naukowcy chcą ją najpierw przetestować i sprawdzić jej funkcjonalność. Docelowo będzie zminiaturyzowana tak, by pasowała dla dzieci w wieku szkolnym, nawet od 6. roku życia. - Dziecko po amputacji nabiera pewnych nawyków i z czasem radzi sobie bez dłoni, dlatego im wcześniej będzie nosić protezę i przyzwyczajać się do niej tym lepiej – mówi dr Rządkowski.
Swój pomysł Ewelina Drelich kontynuuje w ramach pracy magisterskiej na kierunku inżynieria biomedyczna na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych. Projekt trwa niecały rok, do czerwca naukowcy planują skończyć prototyp protezy kciuka, potem mają zająć się pozostałymi palcami.
