Medycyna odważnie sięga po wirtualne techniki

Medycyna odważnie sięga po wirtualne techniki
W lipcu 2017 r. neuroradiolog Wendell Gibby wykonał operację na odcinku lędźwiowym kręgosłupa z użyciem gogli Microsoft HoloLens. Lekarz po ich nałożeniu widział kręgosłup pacjenta, wyświetlony niczym slajd powierzchni ciała.

Aby precyzyjnie zlokalizować dysk, który powodował ból kręgosłupa, zdjęcia pacjenta z rezonansu magnetycznego (MRI) i tomografii komputerowej (CT) załadowano do oprogramowania OpenSight, które następnie zwizualizowało w 3D obraz kręgosłupa.

Rok wcześniej dr Shafi Ahmed użył Google Glass do transmitowania na żywo operacji wykonywanej u osoby z nowotworem. Wykorzystano dwie kamery 360 stopni i rozstawiono na sali liczne obiektywy, dzięki czemu studenci medycyny, chirurdzy i zgromadzeni widzowie mogli zobaczyć i usłyszeć, co dzieje się podczas procedury oraz nauczyć się, jak prawidłowo należy oddzielać guza od otaczających go zdrowych tkanek.

We Francji z kolei przeprowadzono ostatnio operację kory wzrokowej u pacjenta, który w trakcie zabiegu miał nałożone okulary VR (virtual reality - wirtualnej rzeczywistości). Umieszczenie chorego w wirtualnym świecie pozwoliło lekarzom oceniać w czasie rzeczywistym (tzn. podczas operacji) działanie części mózgu i połączeń mózgowych odpowiedzialnych za poszczególne funkcje. Dotychczas nie było to możliwe do przeprowadzenia na stole operacyjnym. Zdecydowano się w ten właśnie sposób zastosować gogle VR, aby uniknąć całkowitej utraty wzroku pacjenta, który na skutek choroby przestał już wcześniej widzieć na jedno oko.

Wendell Gibby z goglami HoloLens
Wendell Gibby z goglami HoloLens

 

Operacje i szkolenie lekarzy

Wymienione przykłady pokazują, jak bardzo wirtualne techniki zadomowiły się już w świecie medycyny. Pierwsze zastosowania VR w ochronie zdrowia datuje się na początek lat 90. XX wieku. Obecnie po tego rodzaju rozwiązania najczęściej sięga się, gdy zachodzi potrzeba wizualizacji złożonych danych medycznych (zwłaszcza podczas operacji i ich planowania), w nauczaniu i treningu (wizualizacja anatomii i funkcji w symulatorach laparoskopowych), w wirtualnej endoskopii, psychologii i rehabilitacji oraz telemedycynie.

W edukacji medycznej interaktywne, dynamiczne i trójwymiarowe wizualizacje mają ogromną przewagę nad klasycznymi, książkowymi atlasami. Przykładem jest Visible Human Project - finansowana przez rząd amerykański koncepcja dająca dostęp do szczegółowych danych obrazowych człowieka (CT, MRI oraz krioprzekroje). Służyć ma studiowaniu anatomii, prowadzeniu badań w zakresie obrazowania oraz tworzeniu aplikacji (edukacyjnych, diagnostycznych, związanych z planowaniem leczenia i symulacjami). Kompletny zbiór dotyczący wirtualnego mężczyzny zawiera 1971 obrazów o rozdzielczości 1 mm i wadze 15 GB. Wirtualna kobieta to 5189 obrazów (rozdzielczość 0,33 mm) i ok. 40 GB wagi.

Dodanie w wirtualnym środowisku edukacyjnym elementów dotykowych pozwala studentom na ćwiczenie bardzo wczesnych, nierozwiniętych jeszcze umiejętności. Za pomocą jednego przycisku mogą oni wirtualnie napełnić strzykawkę i ją opróżnić, a także w wirtualnej rzeczywistości "poczuć", kiedy strzykawka trafia w skórę, mięśnie czy kość - zastrzyk w torebkę stawową daje zupełnie inne wrażenie niż wbicie igły w tkankę tłuszczową. W trakcie operacji każdy ruch ma swoje, nieraz bardzo poważne, konsekwencje. Liczy się to, gdzie i jak głęboko naciąć, gdzie wkłuć, aby nie uszkodzić nerwów i żył. Dodatkowo, pod presją czasu, kiedy nieraz liczą się minuty do uratowania pacjenta, wyćwiczone umiejętności lekarza są na wagę złota. Trenowanie na wirtualnym symulatorze pozwala doskonalić technikę bez konieczności narażania niczyjego zdrowia.

Wirtualne prezentacje mają zastosowanie także na kolejnym etapie kariery zawodowej lekarza - np. wirtualna endoskopia umożliwia zasymulowanie "spaceru" po organizmie i wniknięcie w tkanki bez inwazyjnych badań. To samo przy wspomaganej komputerowo chirurgii. Podczas konwencjonalnych operacji lekarz widzi jedynie powierzchnię, a ruch skalpela nie jest, niestety, odwracalny. Chirurg musi jednak myśleć w 3D. Dzięki wykorzystaniu VR jest w stanie zajrzeć pod powierzchnię i podejmować decyzje, kierując się dodatkową wiedzą z innych źródeł.

 

Wśród delfinów i na koronacji Elżbiety II

Na Uniwersytecie Oksfordzkim opracowano eksperymentalną terapię dla osób cierpiących na schizofrenię. Pozwala im ona zmierzyć się twarzą w twarz z wirtualnym awatarem reprezentującym dręczące głosy w ich głowach. Po wczesnych etapach prób wyniki są obiecujące. Naukowcy, którzy przeprowadzili randomizowane badanie kontrolne, porównali te terapię z tradycyjnymi formami poradnictwa. Stwierdzili, że po dwunastu tygodniach awatary okazały się bardziej skuteczne w zmniejszaniu omamów słuchowych. W badaniu, opisanym w czasopiśmie "The Lancet Psychiatry", wzięło udział 150 pacjentów z Wielkiej Brytanii, u których schizofrenia występowała przez ok. dwadzieścia lat i którzy od ponad roku doświadczali uporczywych i niepokojących omamów słuchowych. Spośród nich 75 poddano terapii awatarowej, a 75 korzystało z tradycyjnych metod. Na razie wykazano, że awatary skutecznie zmniejszają halucynacje słuchowe. Jeśli dalsze badania okażą się sukcesem, terapia awatarowa może radykalnie zmienić podejście do leczenia milionów osób cierpiących na psychozy na całym świecie.

Dolphin Swim Club
Dolphin Swim Club

Już od lat 70. XX wieku niektórzy badacze opisywali pozytywny wpływ terapeutyczny pływania z delfinami, zwłaszcza dla niepełnosprawnych. Jednak tzw. delfinoterapia ma swoje minusy. Po pierwsze, dla wielu osób może być zbyt droga. Po drugie, idea, zgodnie z którą ludzie wchodzą do basenów z uwięzionymi zwierzętami, została skrytykowana przez ekologów jako okrutna. Holenderka Marijke Sjollema wpadła więc na pomysł sięgnięcia po technikę rzeczywistości wirtualnej. Stworzony przez nią Dolphin Swim Club oferuje 360-stopniowe doświadczenie VR. Obecnie projekt wykorzystuje smartfon Samsung S7, zamontowany na okularach do nurkowania, z elementami drukowanymi w 3D, tworząc prowizoryczny zestaw VR.

Techniki wirtualnej rzeczywistości doskonale nadają się do walki z zaburzeniami lękowymi. Jednym z najskuteczniejszych sposobów jest tu terapia przez ekspozycję - pacjent poddawany jest działaniu bodźca, który wywołuje lęk, ale wszystko odbywa się w ściśle kontrolowanych warunkach, dających poczucie bezpieczeństwa. Wirtualna rzeczywistość pozwala skonfrontować się z lękiem przed otwartą przestrzenią, zamknięciem czy lataniem. Człowiek może stawić czoła trudnej dla niego sytuacji, jednocześnie zdając sobie sprawę, że nie uczestniczy w niej naprawdę. W badaniach, w których leczono lęk wysokości, poprawę udawało się zauważyć u 90% pacjentów.

Zastosowanie VR w rehabilitacji neurologicznej może być szansą dla pacjentów po udarze mózgu, pozwalając im na osiągnięcie szybszych rezultatów terapeutycznych i powrót do normalnego życia. Szwedzka firma MindMaze stworzyła platformę MindMotion Pro, której zasada działania wykorzystuje wiedzę z zakresu neurorehabilitacji i nauk kognitywnych. Ruchy pacjenta śledzone są za pomocą kamer i mapowane w awatarze 3D. Następnie indywidualnie dobiera się interaktywne ćwiczenia, które - po odpowiedniej serii powtórzeń - pobudzają reaktywację uszkodzonych połączeń neuronowych i aktywowanie nowych.

Naukowcy z USA, Niemiec i Brazylii opublikowali niedawno wyniki badań, w których ośmiu pacjentów z paraplegią (porażeniem kończyn) poddano leczeniu z wykorzystaniem zestawu VR i egzoszkieletu. VR symulowała aktywność ruchową, natomiast egzoszkielet poruszał nogami pacjentów, zgodnie z sygnałami mózgu. Wszyscy chorzy uczestniczący w badaniu odzyskali w pewnym zakresie odczucia i kontrolę ruchową poniżej uszkodzonego rdzenia kręgowego. Nastąpiła więc znacząca regeneracja neuronów.

Start-up Brain Power stworzył narzędzie wspierające osoby z autyzmem. Jest to ulepszony Google Glass - ze specjalnym oprogramowaniem wykorzystującym m.in. system rozpoznawania emocji Affectiva. Oprogramowanie zbiera dane dotyczące zachowania, przetwarza je i daje zwrotną informację w postaci prostych, zrozumiałych wskazówek wizualnych i głosowych dla osoby noszącej urządzenie (lub dla opiekuna). Sprzęt tego rodzaju wspiera dzieci z autyzmem w nauce języka, kontroli zachowania i rozwoju umiejętności społecznych - np. dekoduje stan emocjonalny innej osoby, po czym na wyświetlaczu, za pomocą emotikonów, "podpowiada" dziecku, co druga osoba czuje.

System MindMotion Pro
System MindMotion Pro
 

Z kolei projekt Wayback ma na celu przywrócenie żywych wspomnień osobom walczącym z demencją. Odbywa się to poprzez serię ćwiczeń rekreacyjnych z wykorzystaniem technologii cyfrowej i okularów 3D. Próbuje się w ten sposób przywołać wspomnienia oparte na istotnych wydarzeniach, których osoba cierpiąca na demencję mogła doświadczyć w ciągu swojego życia. Projektanci mają nadzieję, że zainicjuje to rozmowy z innymi ludźmi i poprawi samopoczucie. W testach, które opisywał "The Guardian", stworzono symulację rzeczywistości wirtualnej opartą na koronacji królowej Elżbiety II z roku 1953, przeznaczoną dla osób mieszkających w Wielkiej Brytanii. Wydarzenie odtworzono przy użyciu obrazów, aktorów, kostiumów z epoki i reprezentatywnych rekwizytów. Tłem była ulica Islington w północnym Londynie.

Kalifornijski start-up Deep Stream VR, przenosząc pacjentów do wirtualnego świata, w którym mogą oni „zanurzyć się”, obserwując przygody bohatera, osiągnął skuteczność w redukcji bólu rzędu 60-70%. Rozwiązanie okazało się być skuteczne w przypadku różnego rodzaju zabiegów medycznych - począwszy od dentystycznych, po zmianę opatrunków. Jednak nie ono jest najbardziej znanym na świecie wirtualnym pomysłem na ból.

Od ponad dwóch dekad pionierzy VR i specjaliści od malarstwa - Hunter Hoffman i David Patterson, obaj badacze z Uniwersytetu Waszyngtońskiego - udowadniają wyjątkową zdolność VR do łagodzenia bólu ostrego. Ich najnowszym dziełem jest wirtualny świat SnowWorld, który przenosi uwagę pacjenta z bólu do lodowatego, wirtualnego środowiska, skąpanego w chłodnych błękitach i bielach. Jedynym zadaniem chorego jest tam… rzucanie śnieżnymi kulkami w pingwiny. Może to wydawać się dziwne, ale wyniki mówią same za siebie - osoby z oparzeniami doświadczyły bólu w stopniu o 35-50% mniejszym przy zanurzeniu w VR niż w przypadku umiarkowanej dawki środków przeciwbólowych. Oprócz pacjentów szpitala dziecięcego naukowcy pracowali również z byłymi żołnierzami amerykańskimi, którzy cierpieli z powodu oparzeń bojowych oraz zmagali się z zespołem stresu pourazowego (PTSD).

Obraz z aplikacji VR SnowWorld, przeznaczonej do leczenia oparzeń

Obraz z aplikacji VR SnowWorld, przeznaczonej do leczenia oparzeń

 

Nowotwór przyłapywany natychmiast

Okazuje się, że techniki wirtualizujące mogą pomóc nawet we wczesnym wykrywaniu raka. Lokalizacja nowotworu za pomocą standardowego mikroskopu jest procesem trudnym i czasochłonnym. Google Research zaprezentowało jednak w kwietniu 2018 r. mikroskop AR, który jest w stanie identyfikować komórki nowotworowe w czasie rzeczywistym, z dodatkową pomocą uczenia maszynowego.

Nad kamerą, która komunikuje się z algorytmem AI, znajduje się wyświetlacz AR (augmented reality - rozszerzonej rzeczywistości), prezentujący dane natychmiast po wykryciu problemu. Innymi słowy, mikroskop poszukuje komórek nowotworowych, gdy tylko umieszcza się w nim próbkę. Docelowo system można by wykorzystać do diagnozowania innych chorób, takich jak gruźlica i malaria.

Mikroskop AR wykrywający patologiczne zmianyMikroskop AR wykrywający patologiczne zmiany
 

Zyski już całkiem nie wirtualne

Firma badawcza Grand View Research oszacowała w ubiegłym roku wartość globalnego rynku rozwiązań VR i AR w medycynie na 568,7 mln dolarów, określając roczny współczynnik wzrostu na 29,1%. Zgodnie z prognozą analityków, do 2025 r. rynek ten wart ma być już ponad 5 mld dolarów. Tak szybki wzrost tego sektora napędzany jest przez postępujący rozwój sprzętu oraz oprogramowania wirtualnej i rozszerzonej rzeczywistości, a także przez implementację technologii w coraz to nowych obszarach medycyny.

 

Delfinoterapia VR: 

 

Reportaż o wykrywaniu komórek rakowych za pomocą AR: