Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii im. prof. Zbigniewa Religi
ul. Wolności 345a, 41-800 Zabrze (32) 373-56-00 biuro@frk.pl

PRACOWNIA BIOCYBERNETYKI

Pracownia ta jest miejscem wstępnej weryfikacji wytworzonych produktów oraz badań sondażowych penetrujących nowe kierunku rozwoju bioinżynierii i kardiochirurgii. Wykonuje badania podstawowe nad sztucznym sercem, testy laboratoryjnie protez zastawek serca, dokonuje pierwszych prób modeli oraz kolejnych ich modyfikacji. Posiada unikatową aparaturę badawczą, w dużej mierze własnej konstrukcji, pozwalającą śledzić procesy przepływu krwi, analizować dynamikę pracy protez oraz nieustannie je doskonalić. W ostatnich latach szczególnie wyspecjalizowała się w zakresie robotyki medycznej. Realizuje prace związane z takimi projektami jak: - robotyka medyczna i mechatroniczne narzędzia chirurgiczne (pierwsze polskie roboty chirurgiczne o nazwie Robin Heart) – innowacyjne metody wspomagania chirurgii (w tym najbardziej zaawansowane w Polsce metody doradcze chirurgii oparte o symulacje komputerowe i modelowani fizyczne oraz pionierskie metody planowania operacji wykorzystujące technologie wirtualnej przestrzeni) – konstrukcja urządzeń i opracowanie metod testowania sztucznych narządów i biomateriałów (unikatowe techniki i stanowiska badawcze). Zgodnie z powyższym wprowadzeniem aktywność badawczo-naukową Pracowni podzielono na trzy obszary: ROBOT, EXPERT, TEST.

Robot - robotyka medyczna i mechatroniczne narzędzia chirurgiczne

Celem projektu jest opracowanie robota chirurgicznego oraz nowej generacji narzędzi zwiększających precyzję, bezpieczeństwo i zakres stosowania chirurgii małoinwazyjnej. Fundacja zainicjowała budowę robotów chirurgicznych w Polsce, pełniąc rolę pioniera w tym zakresie. Jest również miejscem promocji wiedzy, wymiany poglądów, doświadczeń oraz praktycznej nauki stosowania opracowywanych robotów i narzędzi mechatronicznych. Efektem prac prowadzonych od 2000 roku jest prototypowa rodzina robotów Robin Heart o strukturze segmentowej, umożliwiającej zestawienie sprzętu dla różnych typów operacji. W ramach rodziny polskich robotów Robin Heart powstały trzy modele: Robin Heart 0, Robin Heart 1 (z niezależną podstawą oraz sterowaniem za pomocą komputera przemysłowego) oray Robin Heart 2 (mocowany do stołu operacyjnego, posiada dwa ramiona, na których można zamontować różne narzędzia chirurgiczne lub tor wizyjny z kamerą endoskopową). Obecnie prowadzone są testy, prace nad dopracowaniem ich technologii i optymalizacją tak, by z prototypów powstała rodzina produktów do stosowania klinicznego. W latach 2007-2008 powstał robot Robin Heart Vision - służący do sterowania położeniem endoskopowego toru wizyjnego. Jako pierwszy ma on trafić na sale operacyjne i utorować drogę do kliniki całej rodzinie opracowywanych robotów. Sterowanie robotem odbywa się w ergonomicznej konsoli o nazwie Robin Heart Shell, imitującej pracę chirurga „wewnątrz organizmu” pacjenta. W planach jest kolejny projekt - Robin Heart PortVisionAble, który odpowiadałby na zapotrzebowanie świata medycznego na lekkie, przenośne (walizkowe), zrobotyzowane stanowisko sterowania położeniem kamery endoskopowej.
Trwają też prace nad opracowaniem i wdrożeniem w pełni oryginalnych, mechatronicznych narzędzi chirurgicznych specjalnych Robin Heart Uni System (takich np. jak: igłotrzymacz, nożyce-skalpel, nitownica, zszywacz, narzędzia do wszczepiania kaniul i zszywania tkanek), które można umocować na ramieniu robota (sterowane z konsoli robota) lub w specjalnym uchwycie (orientacja i sterowanie manualne). Zabiegi wykonywane za pomocą takich narzędzi, wprowadzonych przez niewielkie otwory w ciele pacjenta, będą mniej urazowe i inwazyjne, skracając czas samej operacji oraz rekonwalescencji.
W styczniu 2009 roku poddano roboty i mechatroniczne narzędzia chirurgiczne przetestowane zostały w pierwszych, eksperymentalnych badaniach na zwierzętach, w Centrum Medycyny Doświadczalnej Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach. W operacji usuwania pęcherzyka żółciowego oraz operacja naprawcza zastawek serca wzięli udział znakomici kardiochirurdzy: Romuald Cichoń, Joanna Śliwka, Grzegorz Religa, Michał Zembala. Podczas operacji na zwierzętach bez zarzutu poradził sobie Robin Heart Vision. Wykonując zadania związane ze sterowaniem położenia toru endoskopowego, spełnił oczekiwania twórców i użytkowników. Zebrane opinie i uwagi zostały wykorzystane do udoskonalenia narzędzi oraz pozostałych elementów robota chirurgicznego. Na ich podstawie, w 2009 r., podjęto decyzję o budowie zupełnie nowej wersji robota - Robin Heart mc2, który odpowiadałby na potrzeby precyzyjnego działania zarówno w klasycznych operacjach endoskopowych, jak i w małym obszarze (np. pobieranie naczyń do tzw. by-passów) oraz operacji chirurgicznych przez otwory naturalne chorego.
Z myślą o przyszłościowej komercjalizacji zrobotyzowanych urządzeń opracowanych w Fundacji, w 2005 r., powołany został, w ramach funduszy unijnych, Zakład Robin Heart Service.

EXPERT – innowacyjne metody wspomagania chirurgii

Celem projektu jest opracowanie nowych metod wspomagających proces planowania, konsultacji, przygotowania operacji oraz treningu chirurgów. W latach 1997 – 2000 Pracownia Biocybernetyki poprowadziła pierwszy w Polsce, nowatorski i unikatowy projekt badawczy dotyczący symulacji procedur chirurgicznych. Pozwala on, przy użyciu metod modelowania fizycznego, matematycznego oraz symulacji komputerowych, zoptymalizować efekt operacji chirurgicznej, zwłaszcza w układzie sercowo-naczyniowym. Procedura symulacji może znaleźć zastosowanie zwłaszcza przy operacjach wrodzonych wad serca u dzieci. Może być wykorzystywana zarówno w postaci ogólnej, jak i w odniesieniu do konkretnego pacjenta. W ramach programu symulacji procedur kardiochirurgicznych wykonywane są badania modelowe m.in. operacji Blalocka - Tausinga, operacji Fontany, operacji Batisty oraz operacji pomostowania naczyń wieńcowych (by-pass), jak również tworzony jest bank danych dotyczący wrodzonych wad serca.
Opracowywane są również specjalizowane programy ekspertowe dla chirurgów, np. związane ze stosowaniem sztucznych narządów, czy nowych narzędzi. Do celów dydaktycznych rozwijana jest zrobotyzowana sala operacyjna, w której w zintegrowany sposób można sterować wszystkimi jej elementami. W celach dydaktycznych i naukowych stosowane są najnowsze osiągnięcia z zakresu interaktywnej wirtualnej przestrzeni, która umożliwi testowanie realnego robota na wirtualnym pacjencie dla wybranego typu operacji chirurgicznej. Tak więc wirtualna sala operacyjna (oparta o oprogramowanie firmy EON) znajduje zastosowanie jako stanowisko treningowe przyszłych chirurgów mogących zapoznać się z zachowaniem i sposobem sterowania robotem Robin Heart, jako narzędzie do planowania procedur operacyjnych, z możliwym instruktażem „krok po kroku” danego toku postępowania oraz może być użyta w w programie doradczym, gdzie komendą głosową w trakcie zabiegu chirurgicznego zastanie przywołana procedura przećwiczona wcześniej na wirtualnym modelu. Technologia wirtualnej rzeczywistości jest wykorzystywana również w procesie projektowania nowych narzędzi chirurgicznych – już w trakcie projektowania możemy ocenić jego przydatność w określonej przestrzeni operacyjnej na modelu pacjenta. Obok wykorzystywania możliwości wirtualnej przestrzeni, rozwijane są też umiejętności w zakresie e-edukacji, na podstawie doświadczeń w telekonferencjach oraz zajęć dydaktycznych z wykorzystaniem technologii e-lerningowych.
W 2009 r. wdrożono kilka nowych stanowisk treningowych i zorganizowano kilka pokazów i warsztatów chirurgicznych, np. stanowisko Duo Teacher. Tworzą go dwa, zespolone komputerowym układem nadzoru, mechatroniczne stanowiska treningowe. Pozwalają one na interaktywną naukę użytkowania narzędzi chirurgicznych, szczególnie chirurgii mniej inwazyjnej, laparoskopowej, poprzez wykonywanie w trybie mistrz - uczeń zadań w czasie rzeczywistym oraz obserwację i analizę ich realizacji na monitorze. Jednocześnie trwają prace projektowe nad systemem edukacyjnym Robin Heart Virtual Teacher, który składałby się z konsoli sterowania oraz komputerowego programu Wirtualna Sala Operacyjna do nauki i badań stosowania narzędzi chirurgii mniej inwazyjnej, przede wszystkim polskich robotów Robin Heart.

TEST – konstrukcja urządzeń i opracowanie metod testowania sztucznych narządów i biomateriałów

Zespół Pracowni Biocybernetyki wciąż rozwija swój warsztat badawczy i wprowadza nowe projekty. Rezultatem tej pracy są stanowiska badawcze wizualizacji laserowej i pomiarów anemometrycznych przepływu cieczy, modele fizyczne układu krążenia, pełny system testerów zastawek serca, stanowisko badań własności biomechanicznych tkanek, sterowniki pneumatyczne i elektromechaniczne testerów, prosty napęd pneumatyczny sztucznego serca. Wszystkie stanowiska badawcze nadzorowane są komputerowo, w oparciu o własne programy systemu sterowania oraz automatycznego monitorowania, archiwizacji i opracowywania danych. Równolegle z badaniami modeli fizycznych wykonywane są symulacje komputerowe przepływu oraz symulacje matematyczne modeli, a także badania in vitro hemolizy i krzepnięcia krwi, co ma szczególne znaczenie w procesie projektowania nowych pomp krwi.
Celem projektu TEST jest nieustanny rozwój zaplecza naukowo-badawczego, poprzez dalszą budowę wyspecjalizowanych stanowisk, konstrukcję urządzeń i opracowanie metod badawczych oraz wykonanie za ich pomocą badań podstawowych, wspomaganie prac projektowych, badawczych, doradczych sztucznych narządów, biomateriałów.
W wyniku rozwoju unikatowych metod badawczych stosowanych w różnych fazach prac projektowych nad protezami serca, biomateriałami i robotami chirurgicznymi, powstały oryginalne urządzenia i stanowiska badawcze oraz doświadczenie lidera tej dziedziny w Polsce, wykorzystywane obecnie do dalszych prac rozwojowych, wyspecjalizowanych badań dla ośrodków medycznych oraz w dydaktyce akademickiej. Celem rozwoju aktywności naukowej w omawianym zakresie jest umocnienie pozycji wyspecjalizowanego partnera prac badawczo-rozwojowych związanych z testowaniem sztucznych narządów i biomateriałów, z badaniami komercyjnymi i rozwojowymi dla medycyny oraz przemysłu medycznego. Jednym z niezbędnych elementów realizacji tematu jest uzyskanie odpowiedniego statusu w europejskich sieciach laboratoriów oraz certyfikacja laboratorium w wybranym zakresie.
Wykonywane badania, opracowywane urządzenia i techniki badań służą zarówno jako element procedury przygotowania nowych protez serca, jak i wspierają ocenę kliniczną ich stosowania. Co roku w celu poprawy sprawności układu krążenia wszczepia się (implantuje) setki tysięcy protez zastawek serca, protez naczyń krwionośnych, tysiące stymulatorów serca i pomp krwi przywracając zdrowie prawie miliona pacjentów. Pojawiające się uszkodzenia i wady materiałowe (biodegradacja) są głównym powodem reoperacji, wymiany protez na nowe i inspiracją do poszukiwań lepszych materiałów, lepszych rozwiązań technologicznych protez. Fundacja prowadzi jedyne w Polsce działania w zakresie opracowania procedur badań, organizacji sieci laboratoriów oraz bazy danych obejmującej wyniki badań w kilku grupach protez układu krążenia stosowanych powszechnie u pacjentów. Projekt jest wynikiem zaangażowania w projekt europejski COST 537, a jego wynikiem jest największy w Europie zbiór eksplantowanych portez układu sercowo-naczyniowego zgromadzony właśnie w Fundacji. Według ustalonych procedur wykonywane są kompleksowe badania wybranych pozyskanych protez biologicznych i mechanicznych zastawek serca, homograftów, protez (graftów). W taki sposób przebadano ponad 100 protez układu sercowo-naczyniowego.

Robot jak ośmiornica

Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii od stycznia 2012 r. uczestniczy w międzynarodowym projekcie, którego celem jest stworzenie ramienia robota chirurgicznego o zmiennej, kontrolowanej sztywności i geometrii. Zespół robotyków z Kings College w Londynie (Centre for Robotics Research at King’s College London), pod kierunkiem prof. Kaspara Althoefer’a oraz prof. Prokara Dasgupty - chirurga  operującego przy pomocy robotów, podpatrując idealne rozwiązania stworzone przez naturę, a zwłaszcza ruchy, anatomię i sposób poruszania się ośmiornicy, rozpoczęli prace nad robotem, który wykazywałby podobne jak ona cechy motoryczne.
Pracownia Biocybernetyki Instytutu Protez Serca Fundacji odpowiada w projekcie za wykonanie systemu badań robota (stanowiska do planowania operacji i treningu dla chirurgów oraz stanowisko badań technicznych robota), a także za  konsolę sterowania robotem.
Projekt pod nazwą „Stiff-Flop: Inteligentny kontrolujący sztywność, elastyczny manipulator chirurgiczny”, realizowany jest w ramach 7 Programu Ramowego Unii Europejskiej. Oprócz naszej Fundacji uczestniczy w nim 11 partnerów międzynarodowych; z Wielkiej Brytanii, Niemiec, Włoch, Hiszpanii, Izraela i Polski.
Pod koniec roku planowane są w Fundacji pierwsze warsztaty grupy zagranicznych naukowców, zaangażowanych w projekt Stiff - Flop. Poprzedzą doroczną Międzynarodową Konferencję Roboty Medyczne, która 7 grudnia br będzie mieć swe X wydanie.
 
 
 

Projektowanie 3D


Znaczny postęp w metodach wydruku 3D może w przyszłości zrewolucjonizować medycynę. W ostatnich latach drukowane modele 3D znalazły szczególne zastosowanie w leczeniu wad wrodzonych serca, głównie ze względu na możliwość odtworzenia modeli o niewielkich rozmiarach i wysokim stopniu złożoności oraz zmienności geometrii. W Polsce każdego roku rodzi się ponad 3000 dzieci z wadami serca, które stanowią drugą, co do częstości przyczynę zgonów noworodków. Szansą na poprawę tej statystyki jest innowacyjna medycyna spersonalizowana, wspomagająca diagnozę oraz proces planowania operacji, która wykorzystuje najnowsze osiągnięcia nauki w obszarze technik informatycznych oraz metod obrazowych, której cechą jest indywidualne podejście do pacjenta. Leczenie wrodzonych wad serca obarczone jest wysokim ryzykiem i bardzo często wymaga leczenia wieloetapowego. Wydrukowany, trójwymiarowy model serca może się przyczynić do zmniejszenia liczby operacji. Dzięki modelom 3D lekarze mogą wybrać i omówić najkorzystniejszy dla pacjenta wariant operacji. To z kolei pozwoli dzieciom na uniknięcie długotrwałego przebywania na oddziałach intensywnej opieki medycznej. Obecnie w Pracowni Biocybernetyki Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii im. prof. Z. Religi w Zabrzu wraz z zespołem specjalistów ze Śląskiego Centrum Chorób Serca w Zabrzu prowadzony jest pilotażowy projekt symulacyjny z użyciem unikalnych, wydrukowanych modeli serca, odwzorowanych na podstawie obrazów z tomografii komputerowej. W 2016 roku trójwymiarowy model serca wykorzystano do symulacji zabiegu przecewnikowej implantacji zastawki biologicznej Edwards Sapien dla pacjenta wysokiego ryzyka operacyjnego z krytycznym zwężeniem zastawki mitralnej. Elastyczny, złożony model 3D lewej komory serca zawierał zarówno masywne obszary zwapnień w pierścieniu mitralnym jak i protezę mechaniczną zastawki aortalnej.   W czerwcu 2017 roku wykonano model 3D serca bardzo złożonej wady serca dziecka z zwężeniem drogi odpływu z prawej komory serca RVOT (Right Ventricular Outflow Tract), przetrwałym przewodem tętniczym Botalla (PDA - patent ductus arteriosus) oraz rozpoznanym ubytkiem przegrody międzykomorowej w części błoniastej (VSD –Ventricular Septal Defect), z którego odchodzi nieprawidłowo umieszczona aorta ("over-rides"). Ze względu na bardzo małe wymiary serca, w celu wyraźniejszego zobrazowania wady, wydrukowano również modele 3D kilkakrotnie powiększone.

W przyszłości takie modele 3D staną się standardem leczenia wad serca zarówno tych wrodzonych jak i nabytych oraz umożliwią optymalne przygotowanie strategii operacji, poprawienie jej skuteczności i zmniejszenie do minimum ryzyka wystąpienia powikłań pooperacyjnych.

 

Pracownia Biocybernetyki w obiektywie:

Publikacje naukowe:

Roboty Medyczne rozmiar: [5292.57 KB]Postępy Technologii Biomedycznych 1 rozmiar: [8120.82 KB]Postepy Technologii Biomedycznych 2 rozmiar: [4580.48 KB]ImplantExpert rozmiar: [6373.39 KB]

Kontakt:

 
 
 
 
 
 
dr Zbigniew Małota, Profesor IPS
kierownik Pracowni Biocybernetyki

tel.: 032 37 35 626
fax: 032 37 35 677
e-mail: zmalota@frk.pl


 
Zespół:

mgr inż. Wojciech Sadowski
zastępca kierownika Pracowni Biocybernetyki
tel.: 032 37 35 626
fax: 032 37 35 677
e-mail: sadowski@frk.pl
 

Mariusz Jakubowski
Adam Klisowski
mgr inż. Dariusz Krawczyk
mgr inż. Łukasz Mucha

Sponsorzy Fundacji

<
>
zobacz wszystkich sponsorów