Technologie medyczne

Artykuł jest częścią większego tekstu pod tytułem - "Model neurorehabilitacji wspomaganej urządzeniami medycznymi", który jest dostępny w całości, w postaci PDF

Technologie medyczne [5, 10]

Zadaniem nauki jest poznanie rzeczywistości, natomiast celem technologii jest jej modyfikacja. Technologie to nie tylko urządzenia, ale również procedury, procesy oraz wiedza. Technologie możemy podzielić na materialne i niematerialne. Do pierwszej kategorii należą urządzenia, materiały i produkty, do drugiej - wiedza, umiejętności, procedury, wytyczne i wszelkie informacje potrzebne do wdrożenia danej technologii. Różne zawody medyczne dysponują przygotowaniem akademickim w zakresie różnych technologii medycznych. Materialne technologie medyczne to wszelkie środki w postaci urządzeń i leków, których celem jest diagnoza lub terapia Pacjenta. Lekarz wdraża takie technologie, które mają za zadanie zdiagnozować Pacjenta, a więc używa takich procedur, danych pomiarowych lub informacji aby określić jednostkę chorobową przypisaną do danego Pacjenta. Następnym krokiem jest rozpoczęcie odpowiedniego leczenia, w przypadku lekarzy będzie to najczęściej farmakoterapia lub chirurgia. Fizjoterapeuci operują innymi technologiami medycznymi w skład których wchodzą procedury terapeutyczne z zakresu kinezyterapii, technik manualnych czy fizykoterapii. Natomiast celem diagnostyki w fizjoterapii nie jest identyfikacja jednostki chorobowej, ale określenie stanu konkretnych układów Pacjenta oraz monitoring postępów rehabilitacji. Kolejnymi, ciągle jeszcze mało znanymi i rozumianymi przez społeczeństwo zawodami są fizyk medyczny i inżynier biomedyczny. Obydwa kierunki mocno się przenikają w zakresie tematyki naukowej. Można powiedzieć, że obydwie specjalizacje wykorzystują podobne metody, do których należą przede wszystkim naukowa, fizyczna metodyka prowadzenia badań i biopomiarów, właściwe stosowanie aparatury pomiarowej, diagnostycznej i terapeutycznej, akwizycja, przetwarzanie oraz analiza danych i sygnałów biomedycznych, kontrola jakości stosowanych fizycznych metod i aparatury, sprawdzanie poprawności działania urządzeń i oprogramowania, modelowanie matematyczne i wspomaganie diagnostyki klinicznej, inspektorat ochrony radiologicznej, stosowanie rachunku błędów i metod biostatystyki, stosowanie najnowszych metod analizy danych, w tym metody sztucznej inteligencji, sieci neuronowych etc., prowadzenie i wspomaganie badań naukowych oraz wytwarzanie i ulepszanie technologii medycznych. Fizyk medyczny wykorzystuje wymienioną wiedzę i umiejętności bardziej w celu dokonywania biopomiarów (pomiar jest eksperymentem fizycznym polegającym na oddziaływaniu instrumentu pomiarowego z badanym obiektem [6]), interpretacji wyników i właściwego programowania aparatury terapeutycznej; natomiast inżynier biomedyczny jest bardziej ukierunkowany na tworzenie nowych technologii.

Podstawy naukowe i techniczne zaproponowanej w tym artykule koncepcji modelu neurorehabilitacji wspomaganej urządzeniami (NWU) zawierają się przede wszystkim w takich dyscyplinach jak fizyka medyczna i inżynieria biomedyczna, a ściślej w inżynierii nerwowej (ang. neural engineering) oraz dyscyplinach powiązanych, szczególnie w szeroko pojętych neuronaukach i neurorehabilitacji (ze względu na cel aplikacji/zastosowanie metody). Najważniejsze dla profesjonalnego zastosowania modelu NWU dziedziny wiedzy i umiejętności z zakresu fizyki i inżynierii biomedycznej to: właściwa, fizyczna metodyka prowadzenia biopomiarów, analiza danych i sygnałów biomedycznych (w tym informatyka medyczna i biometria/biostatystyka), kalibracja, testowanie i programowanie urządzeń terapeutycznych, ustalanie dawek, modelowanie, identyfikacja i monitoring stanu Pacjenta oraz znajomość biofizyki tkanki nerwowej i mięśniowej, szczególnie procesów transdukcji sygnałów błonowych zachodzących w obrębie złącza synaptycznego. Natomiast w ramach neuronauk wykorzystywana jest przede wszystkim wiedza z neurocybernetyki (modelowanie procesów sterowania ruchowego, poznawczego, modele Pacjenta oraz modele terapeutyczne), neurobiologii (przede wszystkim w zakresie mechanizmów neuroplastyczności) i neurofizjologii/fizjologii. Można powiedzieć, że model NWU korzysta ze zdobyczy inżynierii nerwowej w zastosowaniach neurorehabilitacyjnych. Przy czym, w ramach inżynierii nerwowej, wykorzystywane są technologie interfejsów nerwowych, biofeedback i neurorobotyki (roboty rehabilitacyjne, egzoszkielety) oraz wiedza z zakresu neuromechaniki/biomechaniki i neuromodulacji. Jak widać medycyna, w sensie sztuki lekarskiej, pokrywa się jedynie częściowo (w ramach neurobiologicznych i neurofizjologicznych podstaw naukowych) z wiedzą podstawową dla modelu NWU. Sztuka lekarska jest podstawowym elementem opieki zdrowotnej, ale korzysta z odrębnego nurtu technologii medycznych, których celem jest identyfikacja jednostki chorobowej Pacjenta oraz leczenie farmakologiczne i chirurgiczne chorób, gdzie wiedza podstawowa czerpana jest z takich nauk jak biologia i chemia.

Mimo iż proponowany model opiera się na wiedzy z zakresu inżynierii nerwowej, to obszar aplikacji tej wiedzy pokrywa się z celami zawodowymi fizjoterapeutów, neuropsychologów (neurorehabilitacja) i psychoterapeutów (neuroterapia). Dlatego jednym z głównych założeń modelu NWU jest współpraca między przedstawicielami tych zawodów a fizykami i inżynierami medycznymi, dzięki czemu wzrośnie jakośc świadczonych usług. Mimo lepszego przygotowania akademickiego fizyków i inżynierów biomedycznych do obsługi omawianych technologii (nie tylko urządzeń! /zob. początek rozdziału) - żaden z pięciu wymienionych zawodów nie jest przygotowany do prowadzenia omawianych terapii bez specjalistycznego ukierunkowania (np. specjalizacji na uczelni wyższej), przeszkolenia i studiów własnych. Różnica w procesie dokształcania, między tymi zawodami, polega na zakresie oraz względnym poziomie trudności wiedzy jaką należy dodatkowo opanowac.

Urządzenia medyczne wykorzystywane są powszechnie w wielu działach opieki zdrowotnej. Generalnie możemy podzielić urządzenia medyczne na terapeutyczne i diagnostyczne. Do urządzeń terapeutycznych lub asystujących w zabiegach nie należących do modelu NWU możemy zaliczyć różnego rodzaju pompy infuzyjne, sprzęt chirurgiczny, roboty chirurgiczne, akceleratory stosowane w radioterapii, większość urządzeń do fizykoterapii (diatermia, magnetostymulacja etc.), inne urządzenia stosowane w rehabilitacji takie jak bieżnie, ergonometry, rotory, systemy podwieszeń, podnośniki, sprzęt do pionizacji, stoły rehabilitacyjne etc. Warto podkreślić, że mimo iż część omawianych w tej pracy urządzeń, takich jak interfejsy nerwowe wykorzystuje pola magnetyczne i elektryczne, to proponowane techniki terapeutyczne nie należą do fizykoterapii. Fizykoterapia różni się przede wszystkim celem oddziaływania, parametrami technicznymi oraz sposobem wykorzystania urządzeń. Celem fizykoterapii nie jest wpływ na procesy uczenia się zachodzące w ośrodkowym układzie nerwowym, lecz wpływ na tkankę poddawaną bezpośredniemu oddziaływaniu sił fizycznych (np. oddziaływanie na mięśnie lub stawy w celu rozluźnienia lub zmniejszenia objawów bólowych). Znaczenie terminu „fizykoterapia” pokrywa się jedynie semantycznie z interfejsami nerwowymi stymulującymi, ponieważ w jednym i drugim przypadku mamy do czynienia z oddziaływaniem sił/bodźców fizycznych na organizm. Jednak w tak szerokim rozumieniu pojęcie „fizyko-terapii” straciłoby sens, ponieważ obejmowałoby wszystkie interwencje terapeutyczne, przykładowo: masaże (oddziaływanie mechaniczne), zabiegi operacyjne (oddziaływanie mechaniczne, ale też wiązkami lasera, plazmą etc.), radioterapię (promieniowanie jonizujące i elektromagnetyczne), głęboką stymulację mózgu (pole elektryczne) i inne.

Naukowcy rozwijają również technologie wspomagające procesy neuroplastyczności, które nie bazują na wykorzystaniu sprzętu medycznego. Leczenie oparte na modyfikacji stężenia czynników wzrostu w OUN, takich jak GDNF (ang. glial cell-derived neurotrophic factor), BDNF (ang. brain-derived neurotrophic factor) i NGF (ang. neurotrophins nerve growth factor) może pomagać w niektórych chorobach psychiatrycznych o podłożu neurodegeneracyjnym (choroby afektywne) lub neurologicznych (demencje, stwardnienie rozsiane) [1, 17, 21]. Różne farmakologiczne metody modyfikacji stężenia czynników neurotroficznych zwiększają potencjał do zmian plastycznych. Technologie te mają jednak swoje ograniczenia. Prawdziwe wyleczenie struktur ośrodkowego układu nerwowego może polegać jedynie na regeneracji jego „okablowania”. Ze względu na złożoność struktury sieci połączeń neuronowych w OUN i towarzyszących im komórek glejowych - jak na razie tylko sam mózg może dokonać tych zmian. Mimo iż leki potrafią pomóc w łagodzeniu wielu objawów chorób neurologicznych lub spowalniają progresję tych chorób, to jak do tej pory nie wynaleziono żadnego nowego, podstawowego leku dla chorób neurologicznych [17]). Nawet skuteczne wprowadzenie komórek macierzystych do OUN, które wyspecjalizują się w neurony lub komórki glejowe to jedynie (lub aż!) stworzenie dobrych warunków dla regeneracji OUN. Ponieważ neuroregeneracja opiera się na zmianach plastycznych, włączających nowe komórki w sieć neuronową, która powinna mieć taką architekturę aby jej funkcja była optymalna i korzystna dla organizmu. Dlatego technologie te, w opinii autorów będą znacznie mniej skuteczne bez technologii wspomagających uczenie się sieci neuronowych OUN.

Technologie stosowane w ramach modelu NWU maksymalizują skuteczność i szybkość uczenia się. Większość z nich jest nieinwazyjna, bezpieczna i charakteryzuje się całkowitym brakiem skutków ubocznych lub w przypadku interfejsów stymulujących występowaniem przejściowych objawów bólowych lub czuciowych o niewielkim natężeniu (przykładowo występujące w terapii tDCS bóle głowy czy swędzenie pod elektrodą). Ponadto technologie interfejsów nerwowych i biofeedback wykorzystując istniejące szlaki nerwowe - oddziałują quasi-selektywnie na obwody neuronalne lub obszary kory mózgu, wspomagając fizjologiczne procesy uczenia z największą możliwą precyzją. Natomiast metody farmakologiczne oddziałują globalnie na organizm człowieka i powinny być stosowane razem z jakąś formą treningu – ruchowego, poznawczego lub psychoterapii. Według autorów najwyższą skuteczność neurorehabilitacji OUN można uzyskać łącząc metody stosowane przez lekarzy, które poprzez polepszenie warunków biochemicznych przyspieszą lub zwiększą skuteczność efektów uczenia się (treningu) ze wspomaganiem sprzętowym tych procesów - zaproponowanym w modelu NWU. Technologie terapeutyczne, których podłoże naukowe stanowi chemia i biologia, takie jak farmakoterapia, terapia genowa i terapia komórkowa w tym terapia komórkami macierzystymi, mimo iż mają pozytywny wpływ na stan Pacjentów z chorobami neurologicznymi są technologiami swoistymi dla lekarzy i nie będą omawiane w tym opracowaniu.


Bibliografia

  1. Allen S.J., Watson J.J., Shoemark D.K. i in., GDNF, NGF and BDNF as therapeutic options for neurodegeneration, Pharmacology & Therapeutics, 2013.
  2. Błaszczyk J., Modele cybernetyczne wybranych struktur i funkcji układu nerwowego, [w:] Neurocybernetyka Teoretyczna, red. R. Tadeusiewicz, Wyd. Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa, 2009.
  3. Casadio M., Tamagnone I., Summa S., Sanguineti V., Neuromotor recovery from stroke: computational models at central, functional, and muscle synergy level, źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23986688 [dostęp: 1.06.2014].
  4. Cudo A., Zabielska E., Bałaj B., Wprowadzenie w zagadnienie interfejsów mózg-komputer, [w:] Studia z Psychologii w KUL, tom 17, s. 189-211, red. Gorbaniuk O., Kostrubiec-Wojtachnio B., Musiał D. i in.
  5. De Miranda M.A., Doggett M.A., Evans T.J., Medical Technology: Contexts and Contend in Science and Technology, źródło: http://people.wku.edu/mark.doggett/MedTechPrimer6.0.pdf [dostęp: 11.10.2016]
  6. Gajda J., Pomiary i identyfikacja w diagnostyce medycznej, [w:] Podstawy inżynierii Biomedycznej. Tom I, red. Tadeusiewicz R., Augustyniak P., Wydawnictwa AGH, Kraków, 2009.
  7. Garczyk A., Namysł J., Wstęp teoretyczny do treningu EMG Biofeedback i ETS w terapii zaburzeń neuromotorycznych po uszkodzeniach ośrodkowego układu nerwowego, [w:] Biofeedback Innowacje, red. Borkowski P., Wydawnictwo Akademii im. Jana Długosza w Częstochowie, Częstochowa, 2015.
  8. Gerven M., Farquhar J., Schaefer R. i in., The Brain-Computer Interfaces Cycle, Journal of Neural Engineering, Wrzesień, 2009.
  9. Giggins O., McCarthy Persson U., Caulfield B. (2013), Biofeedback in rehabilitation, Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 10:60.
  10. Gwiazdowska B., Pawlicki G., Fizyku Medyczny - gdzie twoje miejsce? Historia i perspektywy fizyki medycznej w Polsce, Polish Journal of Medical Physics and Engineering, 2006.
  11. Hess G. (2009), Przekaźnictwo synaptyczne i plastyczność synaptyczna, [w:] Neurocybernetyka Teoretyczna, red. R. Tadeusiewicz, Wyd. Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa.
  12. http://www.ted.com/talks/daniel_wolpert_the_real_reason_for_brains#t-1178711 [dostęp: 11.10.2016]
  13. Jaśkowski P. (2004), Zarys psychofizjologii, Wyższa Szkoła Finansów i Zarządzania, Warszawa.
  14. Kossut M., Synapsy i plastyczność mózgu, źródło: http://fundacjarozwoju-nauki.pl/res/Tom1/Nauka%20swiatowa%20i%20polska%5B1%5D. Rozdzial%2009.pdf [dostęp: 1.06.2014].
  15. Krakauer J.W. (2006), Motor learning: its relevance to stroke recovery and neurorehabilitation, „Current Opinion in Neurology”, nr 19, s. 84–90.
  16. Mazur M. (1999), Cybernetyka i charakter, Wyższa Szkoła Zarządzania i Przedsiębiorczości im.Bogdana Jańskiego, Warszawa.
  17. Merzenich M.M., Van Vleet T.M., Nahum M., Brain plasticity-based therapeutics, Frontiers In Human Neuroscience, 2014.
  18. Ojanguren E.I., Kostic M., Bejarano N.C., Keller T., Workshop on Transcutaneous Functional Electrical Stimulation, [w:] Emerging Therapies in Neurorehabilitation II, red. Pons J.L, Raya R., González J., Springer International Publishing, 2016.
  19. Purves D., Augustine G.J., Fitzpatrick D. i in., Neuroscience, 2nd edition, źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10799/ [dostęp: 11.10.2016]
  20. Pąchalska M. Rehabilitacja neuropsychologiczna. UMCS, Lublin, 2008.
  21. Razavi S., Nazem G., Mardani M., Neurotrophic factors and their effects in the treatment of multiple sclerosis, Advanced Biomedical Research, 2015.
  22. Tadeusiewicz R., Biocybernetyka, Wydawnictwa Zakładu Narodowego im. Ossolińskich i Polskiej Akademii Nauk, Wrocław, 1988.
  23. Tadeusiewicz R., Izworski A., Majewski J.: Biometria, Wydawnictwa AGH, Kraków, 1993.
  24. Tadeusiewicz R.: Neurocybernetyka Teoretyczna, Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2009.
  25. The Neurobiology of Neurofeedback, Wikipedia-Books, źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Book:The_Neurobiology_of_Neurofeedback [dostęp: 11.10.2016]
  26. Thomson M., Thomson L. (2012), Neurofeedback, Biomed Neurotechnologie, Wrocław.
  27. Wang W., Collinger J.L, Perez A.M. i in., Neural Interface Technology for Rehabilitation: Exploiting and Promoting Neuroplasticity, źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2788507/ [dostęp: 11.10.2016]
  28. Wolpaw R.J, Winter Wolpaw E., Brain-Computer Interfaces: Principles and Practice, Oxford University Press, New York, 2012
  29. Zawada J.: Wybrane zagadnienia z podstaw metrologii, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2002.

Przypisy

  1. Sama proteza dłoni nie jest interfejsem nerwowym ani neuroprotezą. Neuroprotezą jest system zastępujący elementy układu czuciowego. Wg autorów neuroproteza oddziałująca mechanicznie na układ człowieka należy do interfejsów HMI/HCI, a ze względu na funkcję/cel do technologii wspomagających (AT).
  2. Zdaniem autorów, neurofeedback formalnie należy do biofeedbacku fizjologicznego. Zastosowane rozdzielenie neurofeedbacku od biofeedbacku ma wymiar czysto praktyczny, polegający na odróżnieniu sygnałów pochodzących z mózgu od innych sygnałów fizjologicznych.
  3. Podział zaproponowany przez Giggins i in. 2013 [9]
  4. Modele jakościowe sprowadzają się do opisu przepływu informacji za pomocą diagramów (schematów blokowych) i, w przeciwieństwie do modeli ilościowych, nie wykorzystują matematycznego opisu zjawisk, przez co są znacznie bardziej ogólne i nie pozwalają na precyzyjną analizę zachowania się systemu [2]. Modele jakościowe mają wartość przede wszystkim edukacyjną i w tym aspekcie są lepsze niz modele ilościowe ponieważ pozwalają na łatwiejsze zrozumienie procesów zachodzących w obrebie systemu który modelują.