Vyšetření na magnetické rezonanci vyžaduje spolupráci mezi pacientem, lékařem a zdravotnickým personálem. Ta se projevuje například tím, že pacient dýchá přesně podle pokynů operátora. Ne vždy to ale jde. Opakovaně na nějakou dobu zadržet dech mají problém například senioři, jakákoli spolupráce je pak vyloučena u lidí v bezvědomí nebo u malých miminek. Umožnit důležité vyšetření nemohoucím pacientům ale pomůže nový vynález ostravských vědců.

Oficiálně se výzkumný projekt, který probíhá na Fakultě elektrotechniky a informatiky VŠB-TUO, jmenuje Vývoj komplexního senzorického systému pro efektivní řízení snímkování magnetické rezonance. Těžko srozumitelný název vysvětluje profesor Radek Martinek z Katedry kybernetiky a biomedicínského inženýrství: „Projekt řešíme pod hlavičkou Ministerstva průmyslu a obchodu a přezdíváme mu ‚lehátko‘. Cílem je vyvinout alternativní senzor pro spouštění sekvencí v rámci vyšetření na magnetické rezonanci.“ Tento senzor vypadá právě jako lehátko, na které si pacient lehne.

Při vyšetření srdce lze magnetickou rezonanci spouštět jen tehdy, kdy je pacient v absolutním klidu. Nesmí tedy dýchat, a dokonce systém vyhledává krátkou chvilku, kdy v klidu je i pacientovo srdce. „Dá se to přirovnat k tomu, když fotíte běžícího sportovce. Aby snímek nebyl rozmazaný, musíte si fotoaparát dobře nastavit,“ více přibližuje Martinek. Dnes se k tomu využívá EKG, kdy se pacientovi na tělo připevní elektrody. Ne vždy je to příjemné, například mužům se často musí vyholit ochlupení na hrudi. Může se také stát, že se elektroda během vyšetření uvolní a musí se připevnit znovu, což celý proces zdržuje. A nezřídka je také někdy potřeba elektrody přemístit, protože na zvoleném místě srdeční signály nezaznamenávají.

Důležité je i psychologické hledisko. „Většina pacientů k nám přichází vystresovaných. Nejen z toho, jakou diagnózu jim najdeme, ale i z vlastního průběhu vyšetření, protože některá z nich jsou velmi náročná,“ přidává se lékařka Pavla Hanzlíková z Fakultní nemocnice Ostrava. A právě tyto problémy by mělo „lehátko“ kybernetiků z VŠB-TUO odstranit. Vyvíjený senzor totiž dokáže jakýkoliv pacientův pohyb vyfiltrovat a lékařům zprostředkovat vždy ostrý obraz.

V lehátku jsou implementovány polštářky, ve kterých je obyčejný vzduch o tlaku, který dokážeme pomocí speciálního hardwaru řídit. Když ležíte, vaše tělo produkuje mechanický pohyb, takže jsme schopní změnou tlaku v polštářkách identifikovat vaši srdeční činnost i dýchání,“ popisuje profesor Martinek a hrdě oznamuje, že technologii už chrání český národní patent. „Velká část našeho know-how se skrývá ve vlastním zpracování signálu. Magnetická rezonance produkuje poměrně velký hluk, s čímž jsou samozřejmě spojené vibrace, které kontaminují záznamy užitečných signálů, které chceme analyzovat. Zároveň potřebujeme, aby systém pracoval velice rychle a velice přesně, což obnáší extrémní nároky na výpočetní výkon,“ pokračuje Martinek s tím, že zařízení využívá speciální algoritmy a filtry, které katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství vyvinula a úspěšně využívá.

Že v kvalitě a spolehlivosti „lehátko“ v ničem nezaostává za současnými postupy, si už vědci ověřili v prvotních studiích ve výzkumném centru CEITEC v Brně. „Součástí studie byl i čas, který je potřeba na přípravu měření. Zjistili jsme, že použití našich senzorů vyšetření o nějakých pět až sedm minut urychluje. V klinické praxi to může znamenat, že během jednoho dne dokážeme oskenovat více pacientů,“ připojuje se další z výzkumníků Dominik Vilímek.

Zmiňovaný výzkumný projekt trvá už tři roky a letos by měl skončit. Výstupem bude prototyp, který vědci ověří v klinické praxi. Věří, že všechny dosud známé benefity technologie se potvrdí a senzorické lehátko se už brzy stane běžnou součástí magnetické rezonance. Přínosem by senzorické lehátko mělo být i v péči o předčasně narozená miminka. Jejich životní funkce dokážou lékaři monitorovat zatím jen omezeně. Lehátko s extrémně citlivými vzduchovými polštářky by ale mělo být schopné monitorovat dech a srdeční činnost i u půlkilogramového dítěte.

Dalším směrem, kterým by se ostravští vědci chtěli vydat, je umožnění magnetické rezonance dětí dosud nenarozených. Slibují si od toho možnost včasného odhalení závažných onemocnění v prenatálním věku.

Vědkyně Radana Vilímková Kahánková posouvá hranice diagnostiky prostřednictvím moderních metod lékařské kybernetiky, mimo jiné i pomocí algoritmů inspirovaných zvířecí říší. Inovace slibují větší komfort při porodu, možnost domácího monitorování v těhotenství a včasné zachycení onemocnění srdce a jiných komplikací.

Vědkyně Radana Vilímková Kahánková z Fakulty elektrotechniky a informatiky Vysoké školy báňské – Technické univerzity v Ostravě je velkou nadějí české vědy. Za své publikace získala ocenění Nejlepší mladá publikující vědkyně roku 2022. Výsledky svého bádání představila například v žurnálu Scientific Reports, který spadá pod nejprestižnější a nejcitovanější vědecký časopis Nature. 

Aktuálně se zaměřuje na vylepšování senzorických technologií, inovativní metody monitorování plodu v těhotenství a zlepšení diagnostiky novorozenců. Revoluční objevy mohou změnit praxi nejen v gynekologii a porodnictví. 

Při své práci využívá i algoritmy inspirované chováním zvířat – například vlků, velryb, včel nebo můr. Vlci loví vždy ve smečce a mají přesně rozdělené role (alfa vlk, beta vlk atd.). Velryby při lovu plavou ve spirále vzhůru k hladině a přitom z tlamy vypouštějí vzduchové bubliny – ty ohraničí rybí hejno, které pak velryba celé spolkne. Můry se specificky pohybují kolem umělého světla. Inteligentní chování vykazuje i včelí roj při hledání potravy. 

„Na těchto principech stavíme i některé naše algoritmy a přístup k hledání řešení. Díky nim jsme schopni ze signálů měřených z břišní stěny těhotné ženy, které obsahují mnoho různých informací, extrahovat jenom některé, ty důležité, které patří přímo plodu,“ osvětluje kontext Radana Vilímková Kahánková.

Současné metody měření srdečních ozev dítěte při porodu jsou pro těhotné ženy nepohodlné a limitující. Břicho rodičky je „svázáno“ dvěma pásy, je nutné při tom ležet na zádech a v klidu. Na „monitor“ se pravidelně chodí už v posledních týdnech těhotenství. Ženy jsou tak na nutnost znehybnění zvyklé. Určitě by ale uvítaly možnost se volně pohybovat. Poloha vleže na zádech snižuje efektivitu kontrakcí, neustálé přerušování brzdí „plynulý tok“ rozběhnutého porodu. I tady se možná blýská na lepší časy. Ve Spojených státech už místy využívají měření EKG plodu prostřednictvím senzorů nalepovaných na tělo. 

Tým profesora Radka Martinka z VŠB, jehož členkou je i Radana Vilímková Kahánková, vyvíjí další vylepšení, které by umožňovalo monitorovat plod už během druhého trimestru a bez použití nalepovacích elektrod. Kromě kvalitnějšího signálu i při pohybu by bylo možné získat informace, které je nyní možné zajistit jen invazivním způsobem – skalpovou elektrodou z hlavičky nebo hýždí nenarozeného dítěte. 

„Pracujeme i na aplikaci metod umělé inteligence pro klasifikaci těchto informací pro přesnější určení aktuálního zdravotního stavu miminka. Usnadní to rozhodování lékaře nebo spíše poskytne druhý názor,“ doplňuje vědkyně.

Nejnovější výzkum se nezaměřuje jen na usnadnění porodu, ale i lepší zachycení případných problémů v těhotenství. V ideálním případě by nový domácí monitorovací systém umožnil monitorování EKG nenarozeného dítěte už od 20. týdne těhotenství, tedy hned po prvním screeningu na prenatální kardiologii. „To by bylo výhodné zejména pro rizikové případy nebo pro podezření na srdeční arytmie, kde je nutnější dlouhodobější sledování, které se současnými technikami není možné,“ vysvětluje Radana Vilímková Kahánková. 

Kromě informací o srdeční činnosti matky i plodu by bylo možné sledovat i děložní kontrakce. Zařízení by se dalo ovládat přes aplikaci, která by zasílala data na cloud ke zpracování a analýze. Výsledek by pak budoucí maminka viděla jednoduše přímo ve svém mobilním telefonu. 

To, jak se vlci chovají při lovu kořisti, posloužilo ostravským vědcům při konstrukci domácího monitoru EKG dosud nenarozeného plodu. Unikátní přístroj, který si už razí cestu na světový trh, změří
srdeční činnost maminky i miminka. Protože jsou signály spojené, kybernetici z Fakulty elektrotechniky a informatiky VŠB -TUO vyvinuli software, který dokáže oba signály od sebe oddělit.

Těhotné ženy se tak už brzy budou moct v klidu domova snadno přesvědčit, že s jejich miminkem je vše v pořádku. Poslouží jim k tomu jednoduchý pás a mobilní telefon.
„Princip je takový, že zcela neinvazivně snímáme elektrickou aktivitu srdíčka nenarozeného miminka, to pomocí našeho hardwaru a softwaru zpracujeme a výsledek přenášíme do mobilního
zařízení,“ popisuje jeden z vynálezců nového přístroje profesor Radek Martinek, který na FEI VŠB -TUO působí na Katedře kybernetiky a biomedicínského inženýrství. V ruce drží látkový pás se srd
íčky, pod kterým lze tušit skrytou elektroniku. Jde o prototyp domácího monitoru EKG zatím nenarozeného miminka. „Pás je schválně ušitý v takovéto podobě, protože cílovou skupinou jsou
těhotné maminky,“ usmívá se vědec.

Spodní stranu pásu pokrývají drobné kovové plíšky. To jsou elektrody, které EKG měří. Miminko může být v bříšku v podstatě kdekoliv, a proto těch elektrod je povícero. Srdeční činnost zachytí ty plíšky, které jsou plodu nejblíže. Pás si maminka na břicho připevní jednoduše pomocí suchého zipu – a může se věnovat běžným činnostem, například vaření, žehlení, úklidu nebo i odpočinku. Pás maminku v pohybu nijak neomezuje a zároveň žádný pohyb nesnižuje kvalitu signálu.

V současné době se zdravotní stav očekávaného miminka sleduje u lékaře pomocí kardiotokografu (KTG), v těhotenské „hantýrce“ jde o „pásy“ nebo „ozvy“. „Kardiotokografie pracuje na principu tzv. dopplerovského ultrazvuku. Máme dva senzory, které vysílají signál a přijímají signál odražený, který postihne pohyb srdíčka plodu. Naproti tomu naše zařízení snímá elektrickou aktivitu, tím pádem je zcela neinvazivní,“ přibližuje Martinek. Dá se tedy říct, že vynález ostravských vědců je pro miminko šetrnější, byť jak Martinek zdůrazňuje, i dosavadní ultrazvuk není nikterak zdravotně závadný.

Výsledek měření uvidí maminka ve speciální mobilní aplikaci. Ta bude zároveň jakýmsi „průvodcem těhotenstvím“, takže se maminka dozví, jaké změny se v aktuální fázi dějí v jejím těle a jak se má
vyvíjet plod. „V pokročilém stadiu těhotenství mívají maminky bolesti, mohou být neklidné, a pokud si nasadí náš pás a zjistí, že miminko je v pořádku, může je to uklidnit,“ zmiňuje Martinek i psychologický rozměr domácího monitoru EKG plodu. A pokud bude maminka spokojená, může se s výsledkem měření pochlubit na sociálních sítích, případně ho poslat například partnerovi nebo
kamarádkám v soukromé zprávě. I to mobilní aplikace umožní.

Ačkoliv má pás primárně měřit srdeční činnost miminka, mnohem silnějším signálem, který přístroj zachytí, je EKG maminky. Tyto signály se překrývají a je velmi těžké je od sebe oddělit. A právě v tom spočívá přínos ostravských vědců. Objevili algoritmy, které oba signály bezpečně rozliší. Mimo jiné se nechali inspirovat lovícími vlky. „Používáme hybridní algoritmy, které kombinují hned několik metod. Je tam třeba metoda nezávislých komponent nebo adaptivní filtrace. Každá z těch metod se musí optimálně nastavit. A právě k té optimalizaci používáme metodu lovení vlků. Vlci jsou totiž efektivní. Oni se snaží k lovu vynaložit co nejméně energie, snaží se ke kořisti najít optimální cestu,“ vysvětluje Martinek s tím, že i oni hledají optimální cestu k rozlišení zprvu smíšených signálů.

S vývojem domácího monitoru EKG nenarozeného miminka Radek Martinek začal asi před deseti lety v rámci své dizertační práce a asi před třemi lety výzkum zaujal soukromého investora. Díky němu mohl vzniknout předvýrobní prototyp, který už v praxi ověřil, že vše funguje, jak má. „V současné době pod hlavičkou Technologické agentury ČR v rámci projektu a konsorcia tří firem vyvíjíme zařízení do finální podoby, kterou bude možné komercionalizovat,“ pokračuje Martinek.

Vědec věří, že jeho vynález na trhu uspěje: „Když nabídneme maminkám zařízení v cenové hladině kolem sto nebo dvou set eur, které jim dodá pocit bezpečí během těhotenství, tak si myslím, že ten potenciál tam je velký. Bývá pravidlem, že na těhotenství se moc nešetří. Skoro každý si koupí dobrou domácí chůvičku, vybaví si pokojíček – a my nabízíme zařízení, které rodiče využijí už během
těhotenství.“

Vynález ostravských vědců je zatím určený jen pro orientační, laické domácí použití. Jimi vynalezená metoda ale míří i do nemocnic. „Naše technologie pravidelně konzultujeme s lékaři a teď aktuál
ně nám byla schválena etická komise ve Fakultní nemocnici v Ostravě, kde budeme testovat možnosti využití naší technologie v klinické praxi. Konkrétně spolupracujeme s dětskou kardiologií, kde
naše zařízení má velký potenciál,“ optimisticky vyhlíží budoucnost Martinek.

Renáta Eleonora Orlíková, TV Polar: Jak pomoci miminkům bezpečně přijít na svět? Jak lépe měřit srdce lidem s podezřením na arytmii? Vědkyně z Vysoké škole báňské Technické univerzity Ostrava Radana Vilímková Kahánková hledá inspiraci i u zvířat a překlápí to do kyberneticko-technologických řešení. Nyní za své publikace získala ocenění jako nejlepší mladá publikující vědkyně roku 2022. Dobrý den, paní doc., vítejte u nás. A na začátek velká gratulace, protože je asi za co.

Radana Vilímková Kahánková, vědkyně VŠB-TUO: Já bych chtěla poděkovat Vám za tady tuto gratulaci, ale zejména svému týmu, protože věda a obecně publikování není o jednom člověku, protože to by vyšel jeden článek za deset let. Toto ocenění jenom ukazuje, jak produktivní byl celý tým.

Renáta Eleonora Orlíková, TV Polar: Vaše články popisují Vaši vědeckou činnost. Je ale taky důležité, aby se to, co zkoumáte, dostalo do světa.

Radana Vilímková Kahánková, vědkyně VŠB-TUO: Přesně tak. Je to jedna z metrik toho, aby univerzita vůbec mohla říct „vy něco děláte a vy něco neděláte“. Jedna část našeho ohodnocení je právě za to, jestli vůbec děláme vědu. A určitě nejde, aby pan děkan nebo pan rektor chodil po laboratořích a nějakým způsobem nás kontroloval. Takže nejlépe se to dělá právě přes tyto publikace.

Renáta Eleonora Orlíková, TV Polar: U těch článků na chvilku se ještě zastavím. Je třeba čekat, až jste na konci výzkumu, nebo je vhodné publikovat po částech? Neodkryjete tak potom něco?

Radana Vilímková Kahánková, vědkyně VŠB-TUO: To je, myslím si, jedna z největších otázek pro všechny. Je to hnutí, takzvaná otevřená věda, která je jeden extrém a říká, že by se mělo odkrývat úplně všechno od kódů, které někdo napsal, od dat, které jste naměřili apod., prostě nějakým způsobem to otevřít úplně v každém kroku. Pak je druhá strana, která by si to nejradši všechno schovávala pro sebe a pak pustila do světa jenom ten krásný výsledek. Jenže problémem ve vědě obecně je, že vy nevíte, co má být ten výsledek nebo si přejete, aby nějaký byl, ale pak zjistíte, že tudy cesta nevede. Takže i publikovat ty postupné krůčky je nějakým způsobem přínosné. Za mě je otevřená věda taky přínosná, protože když začínáte od začátku jako mladý vědec, nikam se moc nedostanete. Kdežto když můžete navazovat na jiné lidi a koukat se a říct si, kde on skončil, tady jsou tyto limitace, tady už nepůjdu, anebo zkusím tuto limitaci nějakým způsobem vyřešit. Můžete použít jeho data, jeho kódy a nějakým způsobem se zlepšovat. Myslím si, že tato cesta vede k lepšímu pokroku.

Renáta Eleonora Orlíková, TV Polar: Dostaňme se, paní docentko, k tomu, co jste zkoumala Vy nebo na čem pracujete. Váš výzkum jste zaměřila na monitorování nenarozených dětí a zkoušíte úplně nové věci, které by se mohly dostat do porodnické praxe. Jaké nové věci tedy zkoušíte?

Radana Vilímková Kahánková, vědkyně VŠB-TUO: My těch věcí zkoušíme víc. Mojí vědeckou srdcovkou, jak bych to tak nazvala, je monitorování právě srdce nenarozeného miminka. Začátkem mojí kariéry byla metoda tzv. fetální elektrokardiofragie. To je úplně stejná varianta jako u dospělých, kdy vy jdete k lékaři a oni na vás dají všechny různé elektrody a potom vidíte svůj tlukot srdce. To, co ukazuje, je, jakým způsobem vaše srdce pracuje z hlediska jeho elektrické aktivity. Ta elektrická aktivita vyvolává stah srdce. Stah srdce pak vyvolá to, že krev se posunuje z jedné části srdce do druhé a do zbytku těla. U dospělých ta elektrokardiografie je základní metoda, kterou každý kardiolog použije jako první. U miminek bohužel nejde použít tato metoda a to proto, že my nemůžeme na to miminko přímo dát elektrody, pokud bychom se nechtěli nějakým způsobem dostat úplně k němu, což například u porodu jde. Ale ne každý porodník chce třeba jít dovnitř a zavrtat nějakou elektrodu do hlavy. Je to taková extrémní metoda, ale nepoužívá se. Co my se snažíme, je udělat tuhle metodu tak, že to získáme neinvazivně. Dáme elektrody na maminku a díky našim algoritmům jsme schopni oddělit všechny ostatní signály, co v tom jejím těle jsou, společně se vším rušením okolo nás a najít tu malou informaci o miminku. Takže vlastně hledáme jehlu v kupce sena.

Renáta Eleonora Orlíková, TV Polar: Teď se taky monitoruje maminka s tím dítětem, ale je to směsice zvuků, asi laicky řečeno. A Vy vytáhnete jenom tlukot srdíčka ještě nenarozeného miminka?

Radana Vilímková Kahánková, vědkyně VŠB-TUO: Tohle je složité nějakým způsobem pojmout. Vidím to i na studentech, že první půl rok se to jenom snaží pochopit. Já se Vám to budu snažit co nejlépe vysvětlit. Když jste u porodu, nebo když jdete na kontrolu s miminkem, natáčí vám pan doktor tzv. ozvy. To jsou právě zvuky, jak Vy říkáte. Dá vám dva pásy. Jedním senzorem se vylučuje do těla ultrazvukový paprsek, který se vrátí a na něm je nabalena informace o tom, jak se to srdce hýbe. To už je mechanická aktivita, jak se hýbe a vy to pak slyšíte, protože zvuk a mechanická aktivita je prakticky to samé. Druhý senzor je jenom na kontrakce. Takže máte na sobě dva senzory. Co je výhodou naší metody je, že ona zvládne nahrát úplně všechno a to proto, že nahrává zdroj toho, co vy potom měříte. Takže ta elektrika vyvolává zvuky, pohyby a já nevím, co všechno, a máme počátek všeho. Nevýhoda metody, co se používá teď v porodnictví, je, že máte ten ultrazvuk a očekáváte, že přijde do srdíčka miminka, nebo do nějaké části jeho těla, která tepe, a vrátí se s tou informací na sobě. Jenže vy nevíte, jestli se to miminko mezitím pohlo, nebo jestli máte špatně senzor apod. V tu chvíli můžete třeba natáčet aortu a v tu chvíli můžete natáčet informaci spíš o té mamince. Jsou případy, kdy se zaměnila ta srdeční frekvence nebo ten tep maminky s plodem. To miminko už třeba bylo bez srdeční činnosti, ale záznam ukazoval krásnou činnost, protože to byla ta maminka.

Renáta Eleonora Orlíková, TV Polar: Tak to je docela průlomové asi i u takových maminek, které mají třeba komplikované porody. Já jsem v úvodu řekla, že hledáte inspiraci ve světě zvířat, vysvětlete nám, jaká je souvztažnost?

Radana Vilímková Kahánková, vědkyně VŠB-TUO: Já bych to chtěla uvést na pravou míru, protože ta zvířata se tady často nějakým způsobem skloňovala, protože my jsme opravdu používali takzvané bioinspirované algoritmy. Použili jsme je na to, abychom tu informaci byli schopni vytáhnou. Jak jsem říkala, je mix hodně signálů a my hledáme jehlu v kupce sena. Právě na část toho algoritmu, který je schopný to vytáhnout a těch algoritmů je velké množství. Nějaké jsou úplně základní, matematické, nebo nějakým způsobem postupují k tomu správnému řešení a třeba mají nějakou metodu gradientního sestupu. To znamená, že jde nějakým způsobem dolů a ty bioinspirované algoritmy se naopak inspirovaly tím, jak se chovají zvířata v postupu třeba za kořistí nebo za potravou, nebo jakkoliv se chovají. Třeba v případě algoritmu jsou inspirované včelami, jakým způsobem se roj chová za královnou. Nebo vlky. Máte alfa vlka a ti ostatní ho následují a na co alfa ukáže, je jako ta nejvíc důležitá informace. Takže to, jakým způsobem se ten algoritmus bude chovat, je inspirované tím, jak se chovají zvířata.

Renáta Eleonora Orlíková, TV Polar: V jaké fázi výzkumu teď aktuálně jste? Spíš mířím na to, kdy se ta Vaše metoda dostane do praxe.

Radana Vilímková Kahánková, vědkyně VŠB-TUO: My zrovna končíme pětiletý projekt. On skončí teď v dubnu a výsledkem je předvýrobní prototyp, zařízení na domácí monitorace. My jsme ve fázi výzkumu, takže máme nějakým způsobem dokázané, že to funguje. V tuhle chvíli musíme najít co největší množství dobrovolnic, které nám poskytnou data, abychom mohli obstát ve zkoušce „ano, je to přesné“. Následně je už jen otázkou času, aby to získalo všechny certifikace a mohlo se začít prodávat.

Renáta Eleonora Orlíková, TV Polar: Já budu držet palce, ať to je co nejdříve, paní doc., děkuji Vám za rozhovor.

Radana Vilímková Kahánková, vědkyně VŠB-TUO: Taky děkuju.