E15: Co je hlavním cílem projektu BrainWave?
Jde nám o to provádět ultrazvukové simulace, které lze následně použít například při fotoakustickém snímkování. To je nová technika, která poskytuje velice detailní snímky lidské tkáně, například cév a nervových zakončení. Funguje tak, že se vstřelí pulz do tkáně, která jej absorbuje, a zpětně se vyzáří jako zvukové vlnění. Tyto vibrace se dají poslouchat a lze z nich zpětně rekonstruovat, jaký je ve zkoumaném vzorku typ tkáně. Pokud použijeme červené světlo, zobrazí se cévy.
Laik si to může představit jako házení granátu a zpětné zjišťování toho, kam dopadl podle odezvy výbuchu. V projektu BrainWave se zabývám využitím ultrazvuku o vysoké intenzitě namísto laseru. Rádi bychom HIFU (z anglického High-intensity focused ultrasound – pozn. red.) používali pro neinvazivní operace, ideálně mozku.
E15: Operace bez operace?
Ano. Náš snový scénář je ten, že pacientovi se zhoubným nádorem mozku vyrobíme CT nebo MRI sken. Na jejich základě identifikujeme oblast (nádor), kterou chceme zničit, a zákrok předem naplánujeme tak, aby bylo možné použít minimální dávku ultrazvukového záření. Zasáhneme tak pouze problematickou oblast, tedy zničíme nádor, a nepoškodíme nic okolo. U mozku pacientovi ublíží i malý kousek vedle.
Ultrazvukové simulace nacházejí uplatnění i mimo obor zdravotnictví. Můžete například hledat ropu na poušti, testovat kvalitu slitin nebo ověřovat akustiku místnosti
E15: To je ideální představa. Kde se skrývá to ale?
Lidské tělo není homogenní materiál, vyslanou vlnu poškodí a ohne. Ta pak dopadá jinam, než chceme, rozptýlí se. Ale právě podle simulace tohoto rozptylu jsme následně schopni dopočítat, jak přesně nastavit vyslání ultrazvukového pulzu tak, aby dopadl do cílené lokality. Dnes se tento postup již používá například při operacích prostaty nebo nádorů dělohy. U měkkých tkání je to už možné, ale problémy nám dělá lebka chránící mozek – způsobuje velké rušení a zkreslení.
Fyzikální a lékařskou stránku výzkumného projektu mají na starosti kolegové v Anglii na University College London. Jejich kód vytvořený na konkrétní model následně přichází ke mně – mým úkolem je upravit jej tak, aby se dal použít na lidskou hlavu. Podobně jako u fotoaparátů. Pracuji s pixelovými body, ovšem ne v řádech megapixelů, ale petapixelů. Jde o obrovské množství dat. Jedna jednodušší simulace zpravidla zabírá kolem 30 terabytů dat, které musíme držet v paměti.
E15: Tedy využíváte superpočítače?
Je to jediná možnost, jak tyto simulace provést. V tuto chvíli počítáme převážně na evropských superpočítačích, hlavně na ostravském Anselmu v rámci projektu IT4Innovations. Do budoucna budeme mít jeden z prvních projektů, který bude pracovat na stroji Salomon (nový superpočítač v Ostravě – pozn. red.), který by měl být padesátým nejvýkonnějším počítačem světa. Některé části simulací počítáme také v Mnichově, Anglii, ale i Austrálii. Díky superpočítačům jsme schopni získat výsledek simulace do několika dní. Potřebovali bychom však znát data mnohem rychleji.
Zkoušíme alternativní přístupy jako například počítání na klasických herních grafických kartách, experimentujeme ale také se základními deskami běžných tabletů. Při simulaci rakoviny prostaty stačí propočet o objemu několika centimetrů krychlových. Mírně upravená základní deska tabletu může sloužit pro vizualizaci v živém čase. Stačí jen mít správně napsaný kód, který posílá instrukce do procesoru. A přesně to je mojí prací psát software tak, aby se tyto simulace daly spočítat co nejrychleji.
E15: Zvažovali jste využití distribuovaných výpočtů? Napsání aplikace, která kód a data rozešle dobrovolníkům na běžná PC, jako to dělají například fyzikové v CERN?
Tento přístup bohužel nejde využít. Nezbytně potřebujeme mít veškerá data pohromadě v paměti jednoho přístroje.
E15: Kolik jedna simulace stojí?
Například u ledviny vycházela před dvěma roky na 2200 dolarů. Pro nás je nejdůležitější cenu srazit co možná nejníže. V tuto chvíli spolupracujeme s univerzitou v Oxfordu. Kolegové tam aplikují tento typ léčby na zákroky na ledvinách. Zatím měli zhruba sto pacientů, se kterými léčbu testovali; přibližně v polovině případů ale nefungovala. Požádali nás proto, abychom jim poskytli náš simulační software, aby si mohli zpětně propočíst, jak jejich operace probíhaly. Tato revize se nyní uskutečňuje.
Nasazení do běžné praxe bude trvat ještě několik let, mluvím samozřejmě o spoustě certifikátů a ověření. V tuto chvíli jsou už zhruba tři tisíce aktivních uživatelů softwaru, kteří jej aktivně používají a zkoušejí nasazovat na různé simulace.
E15: Kdy budete schopni naprogramovat operaci mozku?
Myslím, že první operace by se mohla uskutečnit v roce 2020. Na základě předem zjištěných dat z MRI a CT budou přesně nasimulovány parametry, podle kterých se následně odehraje neinvazivní operace pomocí HIFU. Tuto přesně cílenou léčbu navíc bude možné opakovat. Není zde limit jako v případě ozařovacích terapií, kde se sleduje, co je ještě tělo schopné zvládnout.
E15: Kolik může stát operace pomocí HIFU?
Pokud bychom řešili operaci mozku, jejíž simulace je mnohem náročnější než třeba u ledvin, můžeme se bavit o ceně mezi 200 až 500 tisíci korun. IT ale jde velice rychle dopředu, tudíž se dá čekat, že s růstem výkonu půjde cena rychle dolů. Zhruba 50 tisíc korun za simulaci do 24 hodin by bylo přijatelných.
E15: Popište strategii pro uplatnění vašeho softwaru.
Rádi bychom jej poskytovali jako službu. Máme jak software, tak hardware. Nemocnice a kliniky by nám zasílaly data pacientů, která bychom zpracovali, spočítali výsledná nastavení pro přístroj a zaslali je zpět.
E15: Může mít vaše práce jiné využití než pro operace?
Není nutné jenom operovat. HIFU se dá použít třeba i na stimulaci nervové tkáně.
E15: Třeba u pacientů s epilepsií či Parkinsonovou chorobou?
Přesně tak. Například u Parkinsona jsme schopni při použití vlny o velmi nízké intenzitě „stlačit“ některé části mozku, což má za následek ustoupení třesu.
E15: A nemedicínské aplikace?
Můžete hledat ropu na poušti, testovat kvalitu slitin nebo ověřovat akustiku místnosti…
E15: Hrozí při použití HIFU vedlejší efekty?
Bavíme se o šíření zvuku mozkem, o mechanickém vlnění, které by nemělo nic ovlivňovat. Ale je zapotřebí provést ještě značné množství výzkumů.
E15: Nedávno jste získal grant SoMoPro.
Díky tomu bylo možné rozdělit výzkum na větev medicíny a fyziky, která zůstala v Anglii, a větev informatiky, kterou vedu z Brna. Podstatné je pro mne ale také to, že zde vyučuji dva kurzy, mám přístup ke studentům, k lidem, které bych nikde jinde nepoznal a nemohl motivovat. Nyní vedu kroužek dvanácti lidí, kteří mi velice pomáhají při řešení projektu. Mým cílem do budoucna je vytvořit profesionální skupinu zabývající se simulacemi.
E15: Jaké máte plány do budoucna?
Spustit v Česku ještě něco většího. Rádi bychom prosadili meziuniverzitní spolupráci, do níž by mohly být zapojeny i soukromé subjekty.
| Jiří Jaroš (35) |
|---|
| Působí jako odborný asistent na Fakultě informačních technologií Vysokého učení technického v Brně. Po studiu pracoval nejprve jako vědecký a akademický pracovník na Australské národní univerzitě v Canbeře a posléze na University College London ve Velké Británii. Ve své práci se zaměřuje na využití superpočítačů v oblasti simulace šíření ultrazvukových vln v lidských tkáních a plánování ultrazvukových chirurgických zákroků. |
