Nápady a objevy

30. dubna 2021

Unikátní robotický skener otevírá nové možnosti využití termovize v medicíně. Uplatnění ale najde i v dalších odvětvích

Robotický skener by mohl pomoci lékařům s diagnostikou | Autor: archiv Adama Chromého
Autorem RoScanu je Adam Chromý ze skupiny Kybernetika a robotika na CEITEC VUT, který současně působí i na Ústavu automatizace a měřicí techniky FEKT. Jeho robotický 3D skener se liší od podobných zařízení neobvyklou konstitucí, navíc je možné ho kombinovat se snímači, jako je termovizní kamera. Po spojení obrazu s barevným 3D modelem dokáže nejen detekovat např. probíhající zánět, ale také ho lokalizovat. Ve Fakultní nemocnici u sv. Anny v Brně pomohl pacientům s cukrovkou, využití může mít i ve stavebnictví, strojírenství, chemii nebo elektrotechnice.

Pane doktore, můžete svoje zařízení jednoduše popsat?
RoScan je sám o sobě robotický 3D skener, tudíž jeho funkcí je nasnímat objekt z reálného světa a vytvořit z něho počítačový model, který si můžeme virtuálně prohlížet, lze ho otáčet apod. Samotná možnost přenosu objektu z reálného do počítačového světa není až tak výjimečná, protože komerční 3D skenery jsou v dnešní době již poměrně rozšířené v různých odvětvích průmyslu. Co je však na RoScanu zajímavé, je jeho neobvyklá konstituce, termovizní vrstva, a zejména pak jeho víceúčelová aplikace.

V čem konkrétně je konstituce RoScanu unikátní?
Velmi zjednodušené řečeno, 3D skenery jsou většinou ruční nebo na kolejnicích. Ruční mají výhodu, že dokážou naskenovat i složité tvary, ale jsou méně přesné, protože snímací hlava neví přesně, kde je, a musí si to dopočítat z toho, co naměří. Naopak ty na kolejnicích jsou velice přesné, ale jejich možnosti skenovacích trajektorií jsou omezené, a nenasnímají tak například duté objekty apod. My jsme použili robotické rameno, které je velmi flexibilní a současně velmi přesné, dokázali jsme tak eliminovat obě nevýhody současných řešení. Před deseti lety, kdy jsme s projektem začínali, jsme byli vůbec jedni z prvních, které něco podobného napadlo.
RoScan už byl nasazen např. ve FNUSA | Autor: archiv Adama Chromého
Jaké jsou tedy jeho hlavní přednosti?
V dnešní době je běžné, že pomocí 3D skeneru získáte barevný trojrozměrný počítačový model. Tohoto výsledku dosahujeme tak, že na robotickém rameni máme laserový dálkoměr, se kterým můžeme hýbat. Vždy tak víme, kde přesně se rameno nachází, kterým směrem se dálkoměr dívá a v jaké vzdálenosti. Díky tomu dokážeme vypočítat, kde se v prostoru měřený bod nachází. Nesčetněkrát to zopakujeme a vzniká 3D model. Následně pak na jeho povrch namapujeme obrázek z barevné kamery, čímž získáme stejný výsledek, ke kterému by došly komerční 3D skenery. Na rozdíl od nich však můžeme velice jednoduše přidat ještě jakýkoliv jiný další snímač – třeba termovizní kameru, hyperspektrální kameru, UV kameru či cokoliv jiného, co zrovna potřebujeme pro vědecký experiment, a tato data pak opět zobrazit přímo na povrchu modelu. A právě v tom je ta největší výhoda této konstituce – v té univerzálnosti.

Zmínil jste výhodu zapojení termovizní vrstvy. Čím je pro Vás tak zajímavá?
Termovize je kamera, která vám pro každý bod jejího obrazu řekne, jakou má teplotu, což je velmi užitečné v různých oborech. Ve stavebnictví poznáte, kde vám uniká teplo; v elektrotechnice, kde teče největší proud; ve zdravotnictví, kde je nějaký zánět nebo kde se špatně prokrvuje tkáň. Má ale hned několik velkých nevýhod, které limitují její využitelnost. První z nich je problém lokalizace, kdy ze samotného termovizního obrazu nepoznáte, kde přesně daný problém je. Víte, že máte na kůži teplejší (tedy zanícené) místo, ale není zřejmé, zda souvisí se znaménkem, škrábancem o kousek vedle nebo ještě něčím úplně jiným. Když však takový obraz spojíme s barevným 3D modelem, hned vidíme, že je to např. právě ono znaménko. To je velmi užitečné třeba právě pro zdravotnictví, kde se termovize využívá velmi málo ve srovnání s tím, jaký potenciál se v ní skýtá.
Termovizní snímek pořízený díky zařízení RoScan | Autor: archiv Adama Chromého

Zkušenosti s odborným vyšetřením pomocí termovizní kamery má asi málokdo. Proč podle Vás nedokážeme její potenciál ve zdravotnictví využít lépe?
Odborná literatura uvádí tři hlavní limity medicínské termovize: kromě již zmíněné lokalizace ještě nedostatečné rozlišení a slabou reprodukovatelnost experimentů. Přestože se technologie za posledních pár let výrazně posunuly, stále vám fotoaparát v nejlevnějším mobilu poskytne snímek ve větším rozlišení než nejdražší termokamera. Protože velikost rozlišení znamená podrobnost výsledného snímku, musí si lékař vybrat, zda uvidí na snímku třeba celou pacientovu nohu, ale jen velmi hrubě, bez detailů, nebo naopak velmi podrobný, avšak maličký výřez. On však potřebuje velmi podrobný snímek celé nohy, což mu klasické termokamera nemůže splnit. My však ano, protože umíme na povrchu 3D modelu spojit mnoho detailních snímků do jednoho velkého, aniž by došlo k nějakému zkreslení.

To vypadá zajímavě, a co ta zmíněná reprodukovatelnost?
Problém reprodukovatelnosti je ten, že těžko podruhé umístíte pacienta před objektiv do naprosto stejné pozice a téže polohy jeho těla jako v případě předchozího snímání, a tím pádem nemůžete podrobně porovnat změny mezi snímky. Jakmile ale všechny snímky promítnete na 3D model pacientova těla, porovnání dvou snímků již není problém.

Pokud to dobře chápu, zařízení RoScan je tudíž v tomto směru ideálním řešením…
Ne, ideální řešení je věc, která neexistuje, pouze se k ní můžeme přiblížit. Je pravda, že RoScan opravdu eliminuje všechny tři hlavní problémy medicínské termovize, a otevírá tak prostor pro širší využití této modality v medicíně. Tím je tedy tomu ideálnímu řešení o kousek blíže než řešení současná.
Hlava robotického skeneru, který pomáhá nejen ve zdravotnictví | Autor: archiv Adama Chromého

Jak vlastně vznikla idea zkonstruovat podobné zařízení? Je výsledkem nějakého projektu?
Myšlenka vznikla zhruba před deseti lety v hlavě profesora Žaluda jako téma pro mou diplomovou práci. Od té doby se na ní pracuje víceméně až dodnes. Největší posun v jeho vývoji pak nastal v rámci evropského projektu ASTONISH, jehož výstupem bylo šest nových diagnostických zařízení pro medicínu, mezi nimi i náš RoScan. Byl to projekt, který odborní hodnotitelé označili za doposud nejúspěšnější projekt, který kdy posuzovali. A mně navíc pomohl úspěšně obhájit disertační práci.

Kdo se na vývoji RoScanu podílí?
Vzhledem k tomu, že jsem s tímto projektem spojen již od svých studií na FEKT, velká část vývoje bude asi také spojena se mnou. Svůj podíl však na RoScanu bude mít téměř každý ze skupiny Robotiky a umělé inteligence, který se mnou na tomto projektu spolupracoval. A samozřejmě také členové RG2-2 CEITEC, bez jehož infrastruktury by se tento výzkum dělal jen velmi těžko.

V jaké fázi výzkumu se nacházíte?
Zařízení samo o sobě je ve fázi prototypu, který používáme pro naše výzkumné projekty. Samotné jádro robotického 3D skeneru je již víceméně hotové a my jej jen upravujeme pro konkrétní aplikaci, kterou chceme zrovna zkoumat. Těch aplikací je ale celá řada, takže vlastní výzkum rozhodně není u konce.

Zmínil jste, že Váš robotický skener má víceúčelovou aplikaci. V jakých oblastech a za jakým účelem ho můžeme ještě využít?
Všude, kde potřebujeme bezdotykově měřit teplotu a nezajímá nás pouze teplota objektu jako celku, ale zejména rozložení teploty v jeho jednotlivých částech. Uplatnění tak najde ve stavebnictví, strojírenství, chemii, elektrotechnice, zdravotnictví, v péči o životní prostředí a mnoha dalších odvětvích.
Zařízení má potenciál také ve stavebnictví, elektrotechnice nebo při výzkumu změn životního prostředí | Autor: archiv Adama Chromého
Používá se Vaše zařízení již v praxi? Pokud ano, kde se s ním můžeme setkat?
RoScan byl v praxi nasazen naposledy přibližně před rokem ve Fakultní nemocnici u sv. Anny v Brně, kde pod jeho snímači prošlo několik desítek pacientů diabetologické ambulance. Tato studie ukázala, že naměřená data mohou napomoci i méně zkušenému personálu ke kvalitnímu rozhodování. Od té doby se však v nemocnicích řeší pouze covid-19 a na nějaké další experimenty není čas a síla. Doufáme, že se to brzy změní. V současné chvíli hledáme další partnery z klinické praxe, kterým můžeme nabídnout pomoc s problémem objektivní medicínské kvantifikace.

Kde byste RoScan v budoucnu viděl nejraději Vy sám?
Byl bych rád, kdyby se toto zařízení používalo všude, kde má smysl. Ten největší pak vidím ve zdravotnictví, kde by aplikace RoScanu mohla přinést lékařům objektivní informace o stavu pacienta. Ti by se pak mohli lépe a přesněji rozhodovat, což by přineslo rychlejší a efektivnější léčbu, navíc za podstatně nižších finančních nákladů.

(fra)

Témata

Související články:
Studenti v matematice nejsou zvyklí klást otázky. Badatelsky orientovaná výuka to chce změnit
VUT uspělo v národní výzvě na Evropská centra pro digitální inovace se dvěma projekty
Elektromobily se dostávají do fáze dospělosti
Vědci z VUT významně pomohli s výrobou ochranných pomůcek a nyní pracují na nových projektech
Auta na elektřinu budou za pár let na silnici převažovat. Ta samořiditelná jsou ale otázkou desetiletí, říká Václavek z CEITEC VUT