Když se spojí různé technické obory, mohou studenti VUT „fušovat“ i do medicíny. Čtveřice doktorandů se věnuje výzkumu oběhové soustavy prostřednictvím řízení peristaltického čerpadla, které jim v laboratoři nahrazuje lidské srdce. Chtějí lépe pochopit vliv patologií na chování kardiovaskulárního systému, což může pomoci včasné diagnóze a také omezit poškození krvinek pacientů napojených na pulmonální bypass nebo přístroj ECMO.
„Rádi bychom v budoucnu přišli s metodikou pro posuzování závažnosti stenózy, tedy zúžení nebo omezení průchodnosti cév. V současnosti lékaři doporučují operaci pacientům podle toho, na kolik procent je céva neprůchodná. Někdy ale i pacient s velkým zúžením může žít dál bez závažné operace, jindy naopak může dojít k mrtvici i v případě, kdy zúžení není tak velké. Proto je snaha vyvinout sofistikovanější kritérium, a to na základě neinvazivního vyšetření, například CT a ultrazvuku,“ vysvětluje doktorand Jiří Jagoš ze strojní fakulty, který studuje na Ústavu mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky.
Pro lepší pochopení toho, jak působí patologie na oběhovou soustavu pacienta, má sloužit experimentální okruh v laboratoři, který studenti během letošního roku postavili. Silikonové trubičky v něm představují cévy, které se větví z velkých tepen až do malých vlásečnic na periferii. Srdce zastupuje peristaltické čerpadlo, které se běžně používá i v medicíně, například během operací srdce nebo v přístroji ECMO.
Čerpadlo řídí počítač a s pomocí řízení rychlosti jeho rotoru budou umět výzkumníci nasimulovat například zdravé srdce mladého člověka, nebo naopak nemocné srdce starého pacienta. „Je dobré si uvědomit, že jedna otáčka peristaltického čerpadla představuje dva srdeční cykly a pohybujeme se tedy v řádově nižších rychlostech otáčení než u konvenčních čerpadel. V hadičkách proudí místo krve pracovní kapalina, má ale stejnou viskozitu a hustotu jako lidská krev, což je pro přesnost našich měření důležité. Na okruhu se pak snažíme reprodukovat fyziologický či patologický tvar tlakové a průtokové vlny,“ popisuje doktorand Jiří Kohút z Odboru fluidního inženýrství.
Na tvar vlny má vliv nejen srdeční onemocnění, jako arytmie, vady chlopní či ischemická choroba srdeční, ale také různé změny v samotné cévní soustavě. Například vysoký krevní tlak může být projevem přirozeného stárnutí a tuhnutí tepen, nebo častěji nezdravého životního stylu u mladších pacientů. „Ne nadarmo se říká, že člověk je tak starý, jako jeho tepny. Do budoucna chceme instalovat i takzvané fantomy, tedy věrohodné modely velkých tepen, například aorty, kde můžeme vytvářet různé patologické stavy,“ dodává Jagoš.
Krvinky v ohrožení
Klíčem k pochopení oběhového systému jsou pro mladé výzkumníky právě tvary tlakových vln, které údery srdce v lidských tepnách, nyní nasimulovaných v laboratoři, vytvářejí. Krev přitom není z hlediska mechaniky jednoduchá kapalina a celý děj je poměrně neintuitivní. Proto za člověka přebírají jeden z úkolů neuronové sítě, které doktorandi učí rozpoznat závislost mezi rychlostí otáčení rotoru čerpadla a tlakovou vlnou v „kardiovaskulárním“ systému. „Potřebujeme sofistikovaný algoritmus, který dokáže tuto závislost předpovídat. Už z prvního datasetu pěti stovek měření se neuronové sítě naučily předpovídat s 97 procentní úspěšností, což nás mile překvapilo,“ říká Kohút.
Protože využívají v lékařské praxi běžné peristaltické čerpadlo, rozhodli se řešit ještě jeden problém: hemolýzu. Tímto pojmem lékaři označují poškozování a rozpad červených krvinek. Docházet k němu může právě při použití čerpadla k pumpování krve. Vysoký tlak v jedné části hadičky a podtlak v druhé se po uvolnění projeví prudkou oscilací, která krvinkám nesvědčí a může je i zničit. „V medicíně se dnes využívají konstantní otáčky čerpadla. My chceme pomocí matematického modelu spočítat, zda by úprava rychlosti v některé z fází otáčení nepomohla tuto oscilaci snížit, čímž by do určité míry zabránila hemolýze,“ věří Kohút.
Ten umí to a ten zas tohle
Na ročním výzkumu peristaltického čerpadla pracují celkem čtyři doktorandi: vedle Jiřího Jagoše a Jiřího Kohúta ještě jejich kolega ze strojní fakulty Martin Formánek, který se věnuje mechatronice. Neuronové sítě řeší Jiřího bratr Jan Kohút, který studuje doktorát na Fakultě informačních technologií.
Jak studenti podotýkají, takto komplexní výzkum by bez spolupráce lidí z různých oborů vůbec nebyl možný. Kromě toho, že je každý ze čtveřice odborníkem na jinou problematiku, spolupracují i se zkušenými kolegy nebo přímo s lékaři.
Je přitom vidět, jak moc je propojení technických znalostí s lidským tělem fascinuje. Třeba když Jiří Jagoš popisuje, jak se tlaková vlna ze srdce postupně rozmělní v kardiovaskulárním systému. „Do cílového orgánu už krev přiteče s utlumeným tepem, aby silné pulzy orgán nezranily, jde o téměř kontinuální průtok. Tělo orgán rovnoměrně zásobí krví, jako když dokonale zalijete zahradu. Lidské tělo je úžasný stroj, který stačí objevovat a inspirovat se,“ uzavírá Jagoš.