Luunmurtumien hoitoon saadaan pian optimoituja hoitoratkaisuja
Luunmurtumien hoitoon saadaan pian optimoituja hoitoratkaisuja
Matemaattinen mallintaminen on ollut insinöörien arkipäivää jo vuosikymmeniä, mutta kliinisessä lääketieteessä se on vielä varsin uutta. Suomalainen ohjelmistoyritys Disior Oy kehittää laskentaohjelmistoa luunmurtumien hoidon työkaluksi. Päämääränä on tuoda teollisuudesta ja tutkimuksesta tuttu matemaattinen mallintaminen lääkärien työkaluksi.
– Haluamme tuoda lääkäreiden jokapäiväiseen työhön yhtä hyvät ohjelmistot kuin insinööreillä on teollisuudessa mekaniikan, liikevoimien ja lujuuslaskennan apuna. Ohjelmiston hyödyllisyyden ja käytettävyyden täytyy vastata lääkäreiden tarpeita, sanoo Disior Oy:n toimitusjohtaja Anna-Maria Henell.
Vuonna 2016 perustettu Disior on tehnyt kehitystyötä alusta alkaen yhteistyössä Helsingin ja Uudenmaan sairaanhoitopiirin (HUS) kanssa. Disiorin kehitystiimi on monitieteinen osaajajoukko: mukana on niin ohjelmistokehittäjiä kuin kirurgeja.
Nopea optimointi kriittistä
Disior on yksi kuudesta eurooppalaisesta yrityksestä, jolle myönnettiin eurooppalaisen suurteholaskentainfrastruktuuri PRACEn (the Partnership for Advanced Computing in Europe) resursseja viimeisimmässä SHAPE-haussa (SME HPC Adoption Programme for Europe). SHAPE-haku on tarkoitettu eurooppalaisille pk-yrityksille, jotka hyödyntävät toiminnassaan suurteholaskentaa ja voivat parantaa sen avulla kilpailukykyään. SHAPE-ohjelman tarkoituksena on lisätä eurooppalaisten pk-yritysten innovaatiomahdollisuuksia ja madaltaa kynnystä suurteholaskennan hyödyntämiseksi tuotekehitystyössä.
PRACElta saatujen resurssien avulla Disior saa CSC:ltä tukea ohjelmistokoodinsa kehitykseen. Laskennassa käytetään CSC:n kehittämää Elmer-ohjelmistoa, joka on elementtimenetelmää hyödyntävä avoimen lähdekoodin ohjelmisto.
Tällä hetkellä Disior on kehittänyt pisimmälle leukaniveliin liittyviä ratkaisualgoritmeja, mutta samat periaatteet pätevät myös muihin ihmisen kehon alueisiin.
Leukanivelen optimointitilanteessa voidaan laskea muun muassa leukaniveleen asennettavan implantin oikeaa kokoa ja sijaintia, minimoida luun ja implantin ruuvien välisiä kuormituksia ja implanttiin käytettävän metallin määrää. Lisäksi voidaan optimoida esimerkiksi, että implantti kestää purulihasten kuormituksen.
– Yksittäiset laskut eivät ole isoja, mutta optimoitavia laskuja on lukuisia, jolloin laskentaytimiä tarvitaan jopa tuhansia. Optimointi pitää tehdä nopeasti, koska potilas odottaa rikkinäisen leukansa kanssa, kertoo Disiorin teknologiajohtaja Sakari Soini.
CSC:n avustuksella leukanivelen kuormitustilanteen optimointia on pystytty nopeuttamaan noin kymmenen kertaa nopeammaksi alkuperäiseen tilanteeseen verrattuna.
– Koodin rinnakkaistuminen Elmerillä on ylivoimaista, Soini toteaa.
Yksilöllisiä ratkaisuja potilaan hoitoon
Kokeillaanpa käytännössä. Nyt ollaan Helsingin Meilahdessa Disiorin toimitiloissa. Laitan hologrammilasit päähäni ja leikin hetken lääkäriä. Potilaalta on murtunut leukaluu, ja hän tarvitsee implantin murtuneen kohdan paikkaamiseen. Tietokonetomografian muodostamat 3D-röntgenkuvat on syötetty Disiorin kehittämälle ohjelmistolle, joka mallintaa kallon hologrammiksi silmieni eteen.
Annan hologrammille muutamia käskyjä, ja ohjelmisto alkaa mallintaa matemaattisesti potilaalle parhaiten sopivia ratkaisuja. Optimoidut vastaukset juuri tämän potilaan tarpeisiin sopivasta implantista ja muista hoitoon liittyvistä asioista saan pilvipalvelussa pyörivältä ratkaisualgoritmilta muutamassa hetkessä, ja potilaan leikkaus voi alkaa.
Tämä on pian arkipäivää kaikille lääkäreille, HUS:n alueella leukakirurgian osalta luultavasti jo ensi vuoden aikana. Matemaattisen mallinnuksen avulla voidaan paitsi optimoida implantteihin liittyviä parametreja myös helpottaa diagnosointia, hoitopolun valintaa, suunnitella kirurgisia operaatioita ja optimoida potilaan kuntoutusta.
Ihmisen varaosia
Disiorin tavoitteena on tehdä oma versio ohjelmistosta eri osa-alueille käytettäväksi esimerkiksi leukakirurgiaan ja rannemurtumiin. Tämä lisää ohjelman helppokäyttöisyyttä lääkäreiden jokapäiväisessä työssä: lääkäri näkee vain oman työnsä kannalta oleelliset tiedot.
Tällä hetkellä suurin osa luunmurtumien hoidossa käytettävistä implanteista valmistetaan titaanista, mutta biomateriaaleista 3D-tulostuksella tehtävät "ihmisen varaosat" ovat yleistymässä. Nämä biovalmistettavat osat voivat sisältää esimerkiksi soluja ja ravintoaineita.
– Mitään estettä ei ole, etteikö Disior voisi mallintaa yksilöllisiä implanttejakin tulevaisuudessa, sanoo Disiorin optimoinnista vastaava pääkehittäjä Arto Poutala.
Lisäksi optimointityöstä syntyy valtavat määrät dataa, ja kertyviä datamassoja voidaan hyödyntää tulevaisuudessa vaikkapa tekoälyn käyttöön.
Disior tekee lääketieteellisen mallintamisen alalla pioneerityötä.
– Sadan vuoden päästä tämmöisiä teknologioita käyttävät kaikki lääkärit. Helsingin ja Uudenmaan sairaanhoitopiirin alueella tämä on käytössä toivottavasti jo ensi vuonna, Poutala kiteyttää.
Seuraava PRACEn SHAPE-haku pk-yrityksille aukeaa huhtikuussa 2018. Lisätietoja PRACEn SHAPE-hausta: www.prace-ri.eu/hpc-access/shape-programme.
Julkaistu alunperin 21.12.2017.