Greitas technologinių naujovių proveržis apima bene visas gyvenimo sritis. Medicina – ne išimtis. Čia pasiekti įvairių mokslo sričių rezultatai gali tapti naujais technologiniais sprendimais ar verslo idėjomis. Siekiant efektyvesnių rezultatų medicinoje, vis dažniau remiamasi kitų mokslų pasiekimais, o sąsajos su mechanikos mokslu užima ypač svarbią vietą. Egzistuojantį tvirtą medicinos ir mechanikos ryšį parodo Vilniaus Gedimino technikos universiteto (VGTU) Biomechanikos inžinerijos katedros dr. Gedimino Gaidulio sukurtas skaitmeninis širdies mitralinio vožtuvo modelis, leidžiantis virtualiai simuliuoti pažeistus audinius ar atliekamas operacijas.
Širdies mitralinio vožtuvo svarba
Vienas gyvybiškai svarbiausių žmogaus organų yra širdis. Jei kiti raumenys ilsisi, tai širdis niekada nesustoja dirbusi iki paskutinės mūsų gyvenimo minutės. Ji – tarsi mūsų organizmo variklis, kurį reikia ypač tausoti. Neretai net nekreipiame dėmesio, kai juntamas silpnumas, dažniau pasireiškia nuovargis, kankina dusulys, skausmas ar tinsta kojos – būtent šie pirmieji požymiai ir įspėja apie mitralinio širdies vožtuvo ydą. Šią ydą turintys pacientai dažniausiai skundžiasi širdies ritmo sutrikimu, jaučia permušimus, dusulį. Pastebėjus tokius požymius, reikia suskubti gydyti ligą, kol neatsiranda realus pavojus gyvybei.
Mitralinio vožtuvo ydos pasitaiko gana dažnai. Lietuvoje esančiose klinikose per metus atliekama apie 200 aortos vožtuvo operacijų, apie 100 mitralinio vožtuvo taisymų ir apie 100 mitralinio vožtuvo protezavimų. Skaičiuojama, kad Jungtinėse Amerikos Valstijose 1,7 proc. visų gyventojų turi mitralinio vožtuvo nesandarumą. Kasmet JAV nustatoma apie 250 tūkst. naujų mitralinio nesandarumo atvejų, tačiau išoperuojama tik 50 tūkst. tokių atvejų.
„Širdies vožtuvų ydos būna dvejopos – vožtuvų nesandarumas arba susiaurėjimas, vadinamas stenoze. Dažniausiai šios ydos būna įgimtos arba įgytos. Kai kurie žmonės gimsta su netinkamai susiformavusiais vožtuvais, o kitiems širdies vožtuvų ydos susiformuoja dėl įvairių priežasčių“, – apie mitralinio vožtuvo svarbą širdies darbui komentuoja Vilniaus universiteto ligoninės Santaros klinikų Kardiologijos ir angiologijos centro vadovas profesorius Audrius Aidietis.
Profesorius teigia, kad ypač rimtų širdies problemų atsiranda, kai žmogui nutrūksta mitralinio vožtuvo chordos. Joms nutrūkus, širdies vožtuvas tampa nesandarus. „Mitralinis vožtuvas sudarytas iš dviejų burių, kurias prilaiko chordos. Kad širdis veiktų kaip pompa, visi vožtuvai turi būti sandarūs, gerai veikiantys – laiku atsidaryti ir užsidaryti. Jei chordos plyšta, burės tinkamai neužsidaro, todėl kraujas grįžta atgal į kairįjį prieširdį. Užsitęsus šiam procesui, vystosi širdies nepakankamumas“, – sako prof. A. Aidietis.
Chirurgiškai mitralinio širdies vožtuvo nesandarumą gydyti rekomenduojama tada, kai dėl šios ydos pacientą vargina širdies ritmo sutrikimas, permušimai, dusulys. Kad gydymas būtų dar efektyvesnis, jau svarstoma ir apie mitralinio vožtuvo ydos chirurginį gydymą, kai simptomų dar nejaučiama – tokiu būdu būtų užkirstas kelias vystytis tolimesniems širdies pakitimams.
Skaitmeninių inovacijų poreikis širdies medicinoje
Sėkmingai parengta ir apginta mechanikos inžinerijos mokslo krypties disertacija „Transapikalinės mitralinio vožtuvo korekcijos skaitinis modeliavimas“ – pirmas žingsnis žmogaus širdies ir kraujotakos sistemos modeliavimo srityje, siekiant prisidėti prie širdies ydą turinčių žmonių efektyvesnio ir technologiškai pažangesnio gydymo.
G. Gaidulis pasakoja, kad domėjimąsi šia tema paskatino dviejų profesorių – darbo vadovo VGTU Taikomosios mechanikos katedros prof. habil. dr. Rimanto Kačianausko ir prof. A. Aidiečio – tandemas. Prof. R. Kačianauskas yra žinomas kompiuterinių skaičiavimo metodų ekspertas, o prof. A. Aidietis – vienas pirmųjų pasaulyje, pradėjusių taikyti naują kardiochirurgijos metodą, leidžiantį per nedidelį pjūvį, nestabdant paciento širdies, prisiūti nutrūkusias mitralinio vožtuvo chordas. Jis atkreipia dėmesį, kad daug kur pasaulyje mitralinio vožtuvo nesandarumo korekcija atliekama atviros širdies operacijos metu, kai prapjaunamas krūtinkaulis, stabdoma širdies veikla ir tik tuomet tvarkomas vožtuvas. Akivaizdu, kad naujasis metodas gerokai mažiau traumuoja pacientą.
„Mūsų tyrimo objektas – širdies mitralinis vožtuvas ir jo nesandarumas. Pagrindinė vožtuvo funkcija – leisti tekėti kraujui tik viena kryptimi iš prieširdžio į skilvelį. Todėl kiekvieno širdies ciklo metu vožtuvas turi sandariai užsidaryti, o tą užtikrina plonyčių sausgyslių, palaikančių vožtuvą reikiamoje padėtyje ir vadinamų chordomis, tinklas. Nutrūkus vienai ar kelioms chordoms, vožtuvas tampa nesandarus, todėl dalis kraujo sugrįžta į prieširdį, jame kyla spaudimas ir tai ilgainiui gali lemti širdies nepakankamumo išsivystymą. Tokį vožtuvą reikia „taisyti“, o tai kardiochirurgo kasdienybė“, – teigia G. Gaidulis.
Norint tiksliau diagnozuoti mitralinio vožtuvo nesandarumą, prognozuoti tolimesnę šios ligos eigą ar parinkti tinkamą gydymą, reikia gerai pažinti šio vožtuvo biomechaniką, ypač esant vožtuvo nesandarumui. Šiam tikslui pasiekti buvo pasirinktas vožtuvo skaitinis modeliavimas, kitaip tariant, vožtuvo veiklos matematinis aprašymas ir jo kompiuterinė simuliacija.
Anot G. Gaidulio, turint kompiuterinį vožtuvo modelį ir keičiant jo parametrus, kompiuteriu galima ne tik simuliuoti įvairius susirgimus, bet ir „išbandyti“ skirtingus tokių susirgimų gydymo metodus ar atlikti virtualias operacijas. Toks tyrimo būdas ateityje taps naudingu įrankiu, padedančiu prognozuoti įvairių mitralinio vožtuvo chirurginių operacijų rezultatus.
„Sukurtas skaitmeninis modelis yra makrolygio, taikant makromechanikos metodus. Buvo ypač svarbu išgauti tikslius mechaninius rodiklius. Pavyzdžiui, betoną, medį galime įstatyti į aparatūrą ir išbandyti, o gyvo žmogaus širdies ar kitų vidaus organų nėra galimybės išmatuoti. Teoriškai galima skaičiuoti, kadangi žinome ląstelių struktūrą, todėl pagal mikrostruktūrą galima spėti, kokios bus jos savybės. Plika akimi matome vieną siūlą, bet jei pažiūrėtume pro mikroskopą, ten išvystume ištisą siūlų aibę. Vožtuvas yra tam tikra membrana, vaizduojama kaip vienas paviršius, bet jos savybės yra sudėtingesnės“, – pastebi prof. R. Kačianauskas.
Pasak jo, širdis yra vienas sudėtingiausių žmogaus organų, kuriam skiriama daugiausia dėmesio. Todėl ieškota, kur labiausiai galima pritaikyti mechaniką. Širdies mechanika kažkiek primena mechanines konstrukcijas, kurios egzistuoja inžinerijoje, todėl ir bandyta tais metodais prisiderinti prie bioaudinių savybių.
Sukurtas skaitmeninis vožtuvo modelis pasitarnaus planuojant operacijas
Mitralinio vožtuvo geometrija yra gana sudėtinga ir individuali, todėl kiekvienam pacientui turi būti kuriamas atskiras kompiuterinis mitralinio vožtuvo modelis. „Tyrimo metu išnagrinėjome du atvejus ir pagal pacientų ultragarsinio tyrimo metu gautus duomenis sukūrėme du skaitmeninius mitralinio vožtuvo modelius. Šie modeliai buvo panaudoti chirurginių operacijų simuliacijoms ir mitralinio vožtuvo funkcijų po nesandarumo korekcijos įvertinimui. Abiem atvejais atlikę virtualią korekciją nustatėme, kaip po tokios operacijos širdies ciklo metu kontaktuoja vožtuvo burės, įvertinome, ar apskaičiuotieji biomechaniniai sistemos parametrai neviršija kritinių verčių. Tokie rezultatai ateityje galėtų būti naudojami planuojant chirurginę operaciją“, – įsitikinęs G. Gaidulis.
Jis priduria, kad praktikoje atlikto tyrimo metu gautus rezultatus taikyti dar ankstoka, reikėtų išnagrinėti daugiau klinikinių atvejų, taip pat pritaikyti sukurtą tyrimo metodiką naudojimui klinikoje, kad ja galėtų naudotis gydytojai, nes šiuo metu ji tam dar nėra pritaikyta. Todėl artimiausiu metu tai ruošiamasi įgyvendinti.
Prie tyrimo tęstinumo ketina prisidėti daugiau mokslininkų tiek iš mechanikos inžinerijos, tiek ir iš medicinos srities, tad jų padedamas VGTU mokslininkas tikisi sukurti klinikinį įrankį, leidžiantį prognozuoti mitralinio vožtuvo korekcijos rezultatus. Anot jo, tai produktyvus ir perspektyvą turintis darbas, nes šiuo metu realiai praktikoje taikomų panašių įrankių dar nėra.
Operacijos atliekamos nestabdant širdies – mažėja trauma pacientui
Tradiciškai mitralinio vožtuvo nesandarumo korekcija atliekama atviros širdies operacijos metu. Anksčiau atliekamų operacijų metu reikėdavo atverti krūtinės ląstą, prijungti dirbtinę kraujo apytaką, dirbtinę širdį ir plaučius. Kol medikai tvarkydavo vožtuvą, širdis būdavo sustabdoma maždaug valandai. Iš esmės žmogaus organizmui tokios operacijos – labai didelė trauma. Prof. A. Aidietis atkreipia dėmesį, kad naujosios technologijos vystosi tokia linkme, kad žmonės operacijų metu būtų kuo mažiau traumuojami.
„Nauja technologija leidžia nepjauti krūtinkaulio, užtenka kelių centimetrų pjūvio širdies viršūnėje, per kurį specialiu aparatu patenkama į širdį, ultragarsu randama nutrūkusi mitralinio vožtuvo burė, kuri susiuvama specialiais siūlais, pritraukiančiais burę ir leidžiančiais vožtuvui vėl sandariai užsidaryti – tokiu būdu panaikinamas vožtuvo nesandarumas. Anksčiau, norėdami pagydyti nesandarų vožtuvą, išilgai prapjaudavome pacientui krūtinkaulį, atverdavome krūtinės ląstą, prijungdavome dirbtinės kraujo apytakos aparatą. Naujas būdas padeda išvengti dirbtinės kraujo apytakos naudojimo ir leidžia operaciją atlikti normaliai dirbančios širdies sąlygomis“, – teigia profesorius.
Produktyvus tiksliųjų mokslų, medicinos ir verslo bendradarbiavimas
Kad mokslas ir verslas turi bendradarbiauti, patvirtina technologiškai pirmaujančių valstybių praktika. Situaciją Lietuvoje apibūdina Mokslo ir studijų stebėsenos ir analizės centro (MOSTA) atlikta apklausa. Remiantis jos duomenimis, verslo atstovai pagrindine partnerystės priežastimi įvardija mokslininkų gebėjimą pasiūlyti verslui reikalingų žinių bei technologinių sprendimų. Taip pat verslo atstovai tikisi, kad tyrėjai galės pasiūlyti idėjų, plėtojant tolesnes įmonės veiklos strategines kryptis. Bendradarbiauti su verslu tyrėjus skatina galimybė pasiūlyti turimas žinias, technologijas ir taip kurti naujus produktus bei paslaugas. Tyrimų vykdytojams aktualiausia atrodo perspektyva įgyti naujų žinių ir kompetencijų bei pagerinti asmeninius mokslo rezultatus.
„Galima teigti, kad medicina primena griežtai reglamentuotą verslą. Šiame sektoriuje siekiama patentų, o operacinės technologijos turi būti aprobuotos. Jeigu siekiame atrasti pasaulinę mokslo nišą, turime siūlyti idėjas, inžinerines naujoves, kurios būtų įdomios pasauliniame kontekste. Produktyvus mokslo ir verslo bendradarbiavimas yra būtinas, turėtų būti skatinami tarpdalykiniai tyrimai. Pastebiu tendenciją, kad pastaruoju metu esame per daug susikoncentravę tik į savo siaurą sritį, nematydami platesnių bendradarbiavimo galimybių. Kad atsirastų tarpdiscipliniškumas, visų pirma reikia peržengti esamus tarpinstitucinius barjerus“, – teigia prof. R. Kačianauskas.
Jis pastebi, kad daugelis nustemba prakalbus apie tai, jog bendradarbiauti gali skirtingų specialybių ekspertai: tiek inžinieriai, tiek matematikai, tiek medikai, tiek chemikai, tiek biologai. Jo manymu, tik mažai patyrusiam žmogui gali pasirodyti, kad šių skirtingų sričių specialistų metodai nepritaikomi medicinoje. Profesorius pažymi, kad matematinių modelių lygmenyje galime įžvelgti panašumų tarp naftos tekėjimo vamzdynuose ir kraujo tekėjimo.
„Dalyvavau Hjustone vykusioje konferencijoje tarpdiscipliniškumo tema, kur labiausiai nustebino inžinierių ir medikų bendradarbiavimas. Pasaulinio lygio chirurgas dalyviams rodė, kaip operuojama žmogaus širdis. Jis demonstravo širdį, pasakojo, ką jis daro kaip chirurgas, o šalia buvo kuriamas vaizdas, kaip širdies audinys modeliuojamas mechaniškai. Stebėtinas mechanikos žinių panaudojimas. Mechanikai gali būti naudingi sprendžiant kai kurias medikų problemas. Taip pat reikia medikų žinių ir patirties, kad mes, inžinieriai, galėtume prisidėti prie efektyvesnių gydymo metodų įgyvendinimo. Mes dažnai nežinome medikų poreikio, o jie nesuvokia mūsų mokslo galimybių“, – tarpdiscipliniškumo naudą atskleidžia prof. R. Kačianauskas.
Prof. R. Kačianauskas pasakoja, kad penkerius metus trukęs bendradarbiavimas su Santaros klinikomis, kuriant skaitmeninį širdies vožtuvo modelį, neapsiėjo be iššūkių. Vienas jų – komunikacija su medikais. „Mechanikos inžinieriai turi savo terminologiją, medikai – savo. Galime pasidžiaugti, kad savo atkakliu darbu jau pasiekėme kūrybinio bendradarbiavimo lygį, rengiame bendrus tyrimus ir publikacijas. Ateityje matau dar aktyvesnį bendradarbiavimą. Pavyzdžiui, kaulų, dantų protezavimas – tai tokie procesai, kur be mechanikos inžinerijos žinių medikai jau neišsiverčia. Įžvelgiu perspektyvų ir ląstelių mechanikos srityje. Jei įsivaizduojame ląstelės sandarą, tai galime sukurti ir mechaninį modelį, vaizduojantį, kaip skystis išteka iš ląstelės, juda joje“, – pasakoja prof. R. Kačianauskas.
