Neurologian, matematiikan ja fysiikan huippuosaajia yhdistävässä projektissa kehitetään kliinistä laitetta ratkomaan haastetta, jonka kanssa painitaan päivittäin sairaaloissa ympäri maailman. Projekti on saanut Erkon säätiöltä 1,3 miljoonan jatkorahoituksen. 

Noin 20 000 suomalaista saa aivoverenkiertohäiriön joka vuosi. Suurin osa niistä on aivoinfarktin aiheuttamia, ja 10 prosentilla syyksi paljastuu aivoverenvuoto. Kriittinen haaste aivoverenkiertohäiriön hoidossa on potilaiden aivojen tilan seuraaminen hoidon aikana. Tämä on erityisen tärkeää aivoverenvuodossa, joka tyypillisesti kasvaa ensimmäisen vuorokauden aikana.

Verenvuodon mahdollista kasvua aivoissa pyritään havaitsemaan potilaan vointia tarkkailemalla, mikä on erittäin vaikeaa, mikäli potilas on saanut runsaasti vireystilaan vaikuttavia lääkkeitä tai jos hänen tajunnantasonsa on laskenut. Aivojen kuvantaminen esimerkiksi tietokonetomografialla on tällä hetkellä ainoa luotettava tapa todentaa verenvuodon laajeneminen.

”Ongelma on, että potilas täytyy kuvausta varten kuljettaa toisaalle, mikä on hyvin riskialtista jo itsessään, etenkin jos potilas on tajuton ja hengityskoneessa. Lisäksi potilas altistuu toistuvasti röntgensäteilylle. Kuvauksen oikea ajankohta onkin vaikea määrittää, koska potilaan tila saattaa heikentyä piankin edellisen kuvauksen jälkeen”, taustoittaa Nina Forss, joka toimii HUS:n Neurokeskuksessa toimialajohtajana sekä tutkimusryhmän johtajana Aalto-yliopiston Neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitoksella.

Inversiokuvantamisen huippututkimusryhmät olivat jo aiemmin kehittäneet tätä teknologiaa aivoinfarktin ja aivoverenvuodon erottamiseksi toisistaan. Neurokeskuksen pilottirahoitus toimi ratkaisevana pontimena sille, että sairaaloissa kipeästi kaivatun teknologian kehittämistä pystyttiin viemään eteenpäin yhteistyössä lääkäreiden kanssa. Pilotin dream team muodostui verkostojen kautta.

Teknologialle globaalit markkinat 

Kansallisen neurokeskuksen pilottitutkimuksessa on kehitetty laitetta, jolla kyetään seuraamaan tehohoidossa olevien aivoverenvuotopotilaiden tilaa reaaliaikaisesti. Sen ansiosta tilan muutokseen kyetään reagoimaan välittömästi.

”Tämä on käytännön haaste, jonka kanssa painitaan kaikissa sairaaloissa ympäri maailman. Jos onnistuu kehittämään tähän toimivan teknologian, sillä on globaalit markkinat”, Forss sanoo.

”Inversiokuvantamisen huippututkimusryhmät olivat jo aiemmin kehittäneet tätä teknologiaa aivoinfarktin ja aivoverenvuodon erottamiseksi toisistaan. Neurokeskuksen pilottirahoitus toimi ratkaisevana pontimena sille, että sairaaloissa kipeästi kaivatun teknologian kehittämistä pystyttiin viemään eteenpäin yhteistyössä lääkäreiden kanssa. Pilotin dream team muodostui verkostojen kautta”, Forss kertoo.

HUS:n Neurokeskuksen lisäksi Sosiaali- ja terveysministeriön rahoittamassa pilottiprojektissa on mukana Aalto yliopistosta matematiikan ja systeemianalyysin laitos sekä neurotieteen ja lääketieteellisen teniikan laitos, Itä-Suomen yliopiston sovelletun fysiikan laitos, Tampereen yliopiston biolääketieteen tekniikan laitoksen Biomedtech-yksikkö ja Helsingin yliopiston matematiikan ja tilastotieteen laitos.

Pään sisältä yksilöllinen 3D-kartta sähkövirtojen avulla 

Impedanssitomografia perustuu aivojen sisäisten sähkövirtojen johtavuuden seuraamiseen. Aivojen kudokset johtavat eri tavalla sähköä kuin veri eli niillä on erilainen impedanssi.

Idea on, että sähkövirtoja käyttäen ikään kuin pystytään näkemään pään sisälle ja muodostamaan siitä matemaattinen malli. Se pohjautuu 3D-kuvaan, joka tehdään potilaan päästä CT-kuvauksen avulla.

Tutkimuksessa käytetään saman tyyppistä huppumaista elektrodihattua kuin EEG-tutkimuksessa. Potilaan päähän johdetaan korkeataajuista pientä virtaa, joka on hänelle kivutonta ja harmitonta.

Kun virta kulkee esimerkiksi otsalla olevasta elektrodista takaraivolla olevaan elektrodiin, sille saadaan impedanssiarvo. Pään tilanteesta pystytään näiden virtojen johtavuusarvojen avulla muodostamaan kokonaiskuva. Tutkimus on ei-invasiivinen eli potilaan kehoon ei kajota.

”Muutokset potilaan tilassa, kuten lisääntyvä verenvuoto, heijastuvat suoraan aivojen sähkövirtoihin ja niihin voidaan reagoida nopeasti”, kertoo Itä-Suomen yliopiston laskennallisen fysiikan professori professori Ville Kolehmainen.

Eri näkökulmia samaan aiheeseen

Itä-Suomen yliopiston soveltavan matematiikan laitos tuo projektiin huippuosaamisensa tomografian teoreettisesta puolesta eli siitä, miten sähköinen kuva kyetään mittaustuloksien perusteella muodostamaan. Projektissa tarvittavaa käytännön kokemusta kehon matemaattisessa mallintamisessa käytettyjen mittalaitteiden suunnittelusta löytyi Tampereelta.

”Meidän lähestymistapamme on mallintaa kehoa ja sen toimintoja laskennallisesti. Olemme rakentaneet aiemminkin mittalaitteita sairaalakäyttöön. Tähän projektiin olemme tuottaneet malleja, jolla voidaan simuloida mitä sellaista potilaan aivoissa tapahtuu joka vaikuttaa sähkövirran johtumiseen ja siten EIT-mittaukseen”, Tampereen yliopiston lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunnan Biomedtech-yksikön johtaja Jari Hyttinen kertoo.

Tällä hetkellä laitteen prototyyppi on niin pitkällä, että Valviralta voidaan seuraavaksi hakea lupaa tehdä potilaskokeita. Laitteen jatkokehitys on saanut Erkon säätiöltä nelivuotisen, yhteensä 1,3 miljoonan euron lisärahoituksen, jonka turvin laitteelle voidaan tehdä kliiniset testaukset ja edetä kohti kaupallistamisvaihetta.

Alojen rajoja ylittävää hedelmällistä yhteistyötä 

Kaikki osapuolet pitävät monitieteistä projektiryhmäänsä ja sen aikaansaannoksia onnistuneena. HUS:n Neurokeskuksen Nina Forss on erittäin tyytyväinen, että aivoverenkiertohäiriöpotilaiden reaaliaikaisen seurannan ongelmaan ollaan aidosti löytämässä ratkaisu.

”Tässä on päästy irti siitä tavallisesta ajatuksesta, että suunniteltaessa jotain laitetta lääketieteelliseen käyttöön, sen pitäisi olla heti täydellinen ja sataprosenttisesti oikeassa. Vaikka tämä on tavoite, sitä harvoin pystyy heti saavuttamaan. Potilaan hoitoa helpottaa ratkaisevasti jo pelkkä vihje siitä, että hänen aivojensa tila on muuttunut, jolloin osataan oikea-aikaisesti viedä potilas aivokuvantamiseen. Laite toisi merkittävän parannuksen hoidon nykytilaan”, hän sanoo.

Monialaisen yhteistyön sujuvuus on yllättänyt Ville Kolehmaisen positiivisesti.

”Joskus kestää kauan päästä eri alojen ihmisten kanssa samoille aallonpituuksille, mutta tässä yhteinen kieli löytyi käsittämättömän nopeasti. Emmekä me matemaatikot ja fyysikot olisi kyenneet kehittämään tätä kuvantamistapaa yksin ilman HUS:n Neurokeskuksen antamaa ymmärrystä käytännön tarpeista.”

Jari Hyttinen on pitänyt projektin pragmaattisuudesta ja erityisesti uudesta tavasta tehdä yhteistyötä.

”Innovaation lähtökohta monesti on se, että hahmotetaan, mikä oikeastaan on ongelma. Jos tietäisimme enemmän minkälaisten tutkimuskysymysten kanssa neurotieteilijät painivat, meidänkin olisi helpompi pohtia mitä lähestymistapoja ja uusia teknologioita siihen voitaisiin kehittää. Syöte voisi tietysti tulla meiltäkin: Miksi emme voisi viedä uusia teknisiä avauksia sairaalamaailmaan jo teknologian kehitysvaiheessa?” hän pohtii.

Verenvuoto vai veritulppa? 

Samaa teknologiaa voidaan käyttää myös aivoinfarktipotilaiden hoidon seurannassa. Aivoveritulpan liuotushoito tai mekaaninen tulpan poisto voi alkuvaiheessa hieman lisätä aivoverenvuodon riskiä. Reaaliaikaisella mittauksella voitaisiin vuotokomplikaatiot havaita välittömästi ja tehdä tarvittavat hoitotoimenpiteet ennen kuin potilaan vointi huononee havaittavasti.

Jatkossa teknologialla voitaisiin ratkaista myös ensihoidossa kriittinen haaste. Koska aivoveritulpan ja -verenvuodon oireet ovat ulospäin samanlaiset, impedanssitomografian avulla oikea hoitolinja pystyttäisiin valitsemaan nopeammin ja parhaassa tapauksessa aloittamaan hoito jo kentällä. Tämä sovellus on kuitenkin matemaattisesti haastavampi toteuttaa.

”Sairaalaolosuhteissa tämä selvitetään CT-kuvalla, mutta ensihoitotilanteessa se ei ole mahdollista. Vastaisuudessa riittävä data voidaan saada kenties yhdistämällä nyt kehitettävä mittaus- ja laskentateknologia kännykkäkameraan, mutta siihen on vielä matkaa”, Jari Hyttinen sanoo.

Lue lisää Kansallisen neurokeskuksen pilottiprojekteista täältä.