Výzkumná témata

Mikrovlnná hypertermie významně zvyšuje účinnost radioterapie a chemoterapie při léčbě nádorových onemocnění. Umožňuje snižovat dávky konvenční léčby a tím i omezit její vedlejší účinky.

Věnujeme se vývoji klinického systému pro mikrovlnnou hypertermii zaměřeného na léčbu nádorů v oblasti pánve, mozku a hlavy a krku. Naše práce zahrnuje:

• numerické modelování elektromagnetických polí a distribuce teploty,
• vývoj algoritmů pro individuální plánování léčby,
• návrh aplikátorů, generátorů a dalších klíčových komponent systému.

Nástroj pro plánování hypertermické léčby

Vyvinuli jsme univerzální nástroj pro plánování hypertermické léčby, který umožňuje snadnou a reprodukovatelnou tvorbu simulačních modelů. Ty se skládají z 3D pacientských modelů vytvořených segmentací série CT snímků a z modelu aplikátoru. Nástroj obsahuje všechny klinicky dostupné regionální mikrovlnné systémy a automatické umístění aplikátoru tak, aby se cíl léčby nacházel v jeho středu.

V únoru 2021 byl nástroj implementován do klinického plánovacího procesu na hypertermickém oddělení Erasmus MC Cancer Institute v Rotterdamu a následně testován na univerzitní nemocnici LMU v Mnichově.

Přesné sledování teploty během mikrovlnné hypertermie je klíčové pro bezpečnost a efektivitu léčby. Invazivní měření poskytuje pouze bodové informace, zatímco neinvazivní metody, jako je magnetická rezonance, jsou finančně i technicky náročné.

Vyvíjíme systém pro neinvazivní monitorování teploty jako součást komplexního hypertermického řešení. Výzkum zahrnuje:

• numerické simulace a experimentální měření,
• rekonstrukci rozložení teplotního nárůstu z S-parametrů a vypočítaných polí,
• vývoj modelů závislosti dielektrických vlastností na teplotě.

Zaměřujeme se na aplikace u nádorů v oblasti pánve, hlavy, krku a mozku, přičemž zvláštní důraz klademe na hypertermii glioblastomů. Intenzivně se proto věnujeme měření teplotní závislosti dielektrických parametrů mozkové tkáně, která je zásadní pro přesnost modelů i monitorovacích systémů.

V současnosti neexistuje spolehlivý systém pro přednemocniční detekci a rozlišení typu cévní mozkové příhody (ischemická vs. hemoragická). Rychlá diagnostika je přitom zásadní pro zahájení správné léčby a minimalizaci trvalých následků.

Náš tým vyvíjí kompaktní, přenosný mikrovlnný systém ve formě helmy, který umožňuje:

• detekci a klasifikaci typu mozkové příhody v časné fázi,
• monitorování vývoje onemocnění pomocí diferenčního zobrazení změn v čase,
• určení pozice a velikosti postižené oblasti mozkové tkáně.

Cílem je vytvořit zařízení vhodné pro použití v terénu, na urgentních příjmech i v sanitkách, které významně urychlí rozhodnutí o dalším postupu léčby. Pro vývoj vlastních algoritmů nabízíme StrokeDataSet z desetianténního systému.

Přesná znalost dielektrických parametrů tkání je zásadní pro všechny naše aplikace, od hypertermie po diagnostiku pomocí mikrovln.

Vyvíjíme cenově dostupný měřicí systém, který kombinuje koaxiální sondu a vektorový analyzátor, s cílem umožnit rychlé vyhodnocování biologických vzorků například ihned po biopsii. Paralelně pracujeme na tvorbě tomografických map dielektrických vlastností metodou MRI-EPT. Naše aktivity dále zahrnují:

• segmentaci tkání a anatomických struktur z CT a MRI dat,
• tvorbu vícetkáňových 3D modelů hlavy, pánve i celého těla,
• výrobu realistických fantomů biologických tkání s anatomickou i dielektrickou věrností.

Tyto modely a fantomy hrají klíčovou roli v testování a kalibraci našich terapeutických i diagnostických systémů.

Rozvíjíme radarové technologie pro medicínu, zejména tam, kde je klíčová neinvazivní a bezkontaktní detekce či zobrazování v reálném čase.

Radarové metody představují perspektivní nástroj v několika klinických i domácích aplikacích:

• Bezkontaktní monitorace vitálních funkcí: detekce dechové frekvence a srdečního tepu bez fyzického kontaktu, např. v intenzivní péči nebo v domácím prostředí.
• Navigační systémy pro zavádění katétrů: radarové zobrazování pomáhá při přesném navádění katétru v reálném čase bez ionizujícího záření.
• Monitorování ablace nádorů v reálném čase: neinvazivní sledování průběhu ablace ve 3D s možností vyhodnocení objemu zasažené tkáně přímo v těle pacienta.
• Zobrazování pozice kovových projektilů (např. střelná zranění): rychlá lokalizace fragmentů v těle bez nutnosti CT či RTG.
• Detekce pádů seniorů: radarový systém pro automatické rozpoznání pádu v domácím prostředí a přivolání pomoci.

Elektroporace, tedy dočasné zvýšení propustnosti buněčných membrán pomocí elektrického pole, má široké využití v klinické praxi: v genové terapii, léčbě nádorů, cílené aplikaci léčiv i v biotechnologiích.

Naše činnost zahrnuje:

• Studium účinku elektroporace na cílovou tkáň: optimalizace parametrů tak, aby byl zásah efektivní a zároveň šetrný.
• Analýzu vlivu na okolní tkáň: sledování nežádoucích účinků, jako je hemolýza během srdeční ablace.
• Numerické simulace fyzikálních jevů: modelování distribuce elektrického pole a teplotních změn během zákroků.
• Vývoj hardwaru a elektrod: nové typy elektrod a řídicích jednotek pro klinické i laboratorní využití.
• Genovou transfekci: doprava genetického materiálu do buněk pomocí elektroporace pro účely genové terapie.

Systém TonaPulse® vyvinutý v týmu komercializuje náš spin-off Tonagena, s.r.o.

V rámci evropského projektu „Affordable low-field MRI reference system“ agentury EURAMET spolupracujeme s výzkumnými institucemi na vývoji nízkonákladových systémů magnetické rezonance s B₀ = 50 mT.

Systém konstruovaný na fakultě bude umožňovat zobrazení hlavy a končetin. Magnetické pole generuje Halbachův magnet složený z přibližně 2500 neodymových permanentních magnetů, díky čemuž bude zařízení:

• výrazně menší a lehčí než současné klinické MRI skenery,
• zcela pasivní, a tedy s nízkými provozními náklady,
• bezpečnější pro pacienty s implantáty.

Systémy typu LF MRI představují potenciálně dostupnou alternativu pro diagnostiku zejména v podmínkách s omezenými zdroji.

Pro plánování intervenčních kardiologických výkonů provádíme segmentaci srdečních struktur z CT snímků a vytváříme detailní 3D modely srdce. V nich identifikujeme až šest možných přístupových míst pro punkci mezisíňové přepážky, zejména v souvislosti s uzávěrem ouška levé síně (LAA), zákrokem klíčovým pro snížení rizika mozkových příhod u pacientů s fibrilací síní.

Současně se zabýváme numerickou analýzou průtokových poměrů v levé síni s cílem prozkoumat vliv morfologie ouška na tvorbu trombů a pravděpodobnost embolických příhod. Modely srdcí jsou:

• vytištěny technologií FDM z měkkých plastů,
• využívány k plánování optimálního zákroku,
• používány pro simulaci průtoku krve a hodnocení rizika tvorby trombu v okolí LAA.