Mikrovlnná hypertermie

Mikrovlnná hypertermie významně zvyšuje účinnost radioterapie a chemoterapie při léčbě nádorových onemocnění. Tato metoda 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.

Systém pro plánování hypertermické léčby - v tomto projektu je našim cílem vyvinout univerzální systém hypertermického plánování léčby aplikovaného v klinické praxi.

Mikrovlnné neinvazivní monitorování teploty při hypertermii nebo ablaci tkáně

Přesné sledování teploty během mikrovlnné hypertermie je klíčové pro zajištění bezpečnosti a efektivity léčby. Invazivní měření poskytuje pouze bodové informace, zatímco neinvazivní metody, jako je magnetická rezonance, jsou finančně i technicky náročné. Vyvíjíme proto 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. Z toho důvodu se intenzivně věnujeme měření teplotní závislosti dielektrických parametrů mozkové tkáně, která je zásadní pro přesnost modelů i monitorovacích systémů.

Mikrovlnný systém pro detekci a klasifikaci cévních mozkových příhod

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.

Měření dielektrických parametrů tkání a výroba fantomů

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 pomocí metody 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.

Využití radarových metod v medicíně

Věnujeme se rozvoji radarových technologií pro využití v medicíně, a to zejména v oblastech, 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 u pacientů bez nutnosti fyzického kontaktu, využití např. v intenzivní péči nebo domácím prostředí.
• Navigační systémy pro zavádění katétrů – radarové zobrazování pomáhá při přesném navádění katétru v reálném čase bez nutnosti využití ionizujícího záření.
• Monitorování ablace nádorů v reálném čase – neinvazivní sledování průběhu ablace ve 3D prostoru s možností přesné registrace a vyhodnocení objemu tkáně zasažené zákrokem přímo v těle pacienta.
• Zobrazování pozice kovových projektilů (např. střelná zranění)–rychlá lokalizace fragmentů nebo projektilů v těle bez nutnosti CT či RTG.
• Detekce pádů seniorů – vývoj radarového systému pro automatické rozpoznání pádu v domácím prostředí a automatizované přivolání pomoci.

Elektroporace

Zabýváme se výzkumem a vývojem technologií pro elektroporaci, tedy procesem dočasného zvýšení propustnosti buněčných membrán pomocí elektrického pole. Elektroporace má široké využití v klinické praxi, např. v genové terapii, léčbě nádorů či 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 elektroporace na okolní tkáň v lidském těle – zejména sledování nežádoucích účinků, jako je např. hemolýza během srdeční ablace.
• Numerické simulace fyzikálních jevů během elektroporace –modelování distribuce elektrického pole a teplotních změn během zákroků v klinické praxi.
• Vývoj hardwaru a elektrod – navrhujeme nové typy elektrod a řídicích jednotek pro klinické i laboratorní využití.
• Genovou transfekci – zkoumáme možnosti dopravy genetického materiálu do buněk pomocí elektroporace, zejména pro účely genové terapie.

Low-field magnetická rezonance

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 člověka. Magnetické pole bude generováno Halbachovým magnetem složeným z přibližně 2500 neodymových permanentních magnetů – díky tomu 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.

Hodnocení průtoků a 3D tisk srdcí

Pro účely plánování intervenčních kardiologických výkonů provádíme segmentaci srdečních struktur z CT snímků a vytváříme detailní 3D modely srdce. V těchto modelech identifikujeme a navrhujeme až šest možných přístupových míst pro punkci mezisíňové přepážky, zejména v souvislosti s uzávěrem ouška levé síně (LAA) – zákrokem, který hraje klíčovou roli při snižování rizika mozkových příhod u pacientů s fibrilací síní. Současně se v rámci hodnocení tohoto rizika zabýváme numerickou analýzou průtokových poměrů v levé síni, s cílem prozkoumat vliv morfologie ouška levé síně na tvorbu trombů a tím i na pravděpodobnost vzniku embolických příhod. Modely srdcí jsou:

• vytištěny pomocí FDM technologie z měkkých plastů,
• využívány k plánování optimálního zákroku,
• a slouží také pro simulaci průtoku krve a hodnocení rizika tvorby trombu v okolí LAA