dr inż. Krzysztof Zieliński – Kierownik Pracowni

prof. dr hab. inż. Marek Darowski
dr hab. inż. Tomasz Gólczewski, prof. IBIB
dr inż. Krystyna Górczyńska [0.5 etatu]
dr inż. Maciej Kozarski [0.5 etatu]
dr inż. Marcin Michnikowski
dr inż. Krzysztof Jakub Pałko
dr Barbara Stankiewicz
mgr inż. Piotr Okrzeja
mgr inż. Raman Pasledni
mgr inż. Anna Stecka
Łukasz Kozarski [0.5 etatu]

Działalność badawcza:

Celem prac badawczych pracowni jest wspomaganie medycyny układu oddechowego i układu krążenia za pomocą:

• analiz matematycznych,
• modeli matematycznych i komputerowych,
• modeli fizycznych i fizyczno-komputerowych (tzw. hybrydowych),
  

a także projektowanie, wykonywanie i testowanie (również na modelach) nowego diagnostyczno-terapeutycznego sprzętu medycznego.

Obecnie jednym z dwóch głównych kierunków działań w Pracowni jest rozwijanie wirtualnego pacjenta krążeniowo-oddechowego, będącego połączeniem ze sobą modeli komputerowych układu oddechowego i krążeniowego oraz modelu wymiany gazowej i transportu gazów.

W ostatnim czasie skupiamy się na analizie lub interpretacji różnic międzyosobniczych podczas przeprowadzania toracentezy. W szczególności zaobserwowaliśmy niezwykle dużą różnorodność zmian ciśnienia opłucnowego w trakcie ewakuacji płynu opłucnowego: od prawie braku zmian ciśnienia średniego i amplitudy związanej z oddychaniem po znaczny wzrost amplitudy i/lub ogromny spadek ciśnienia; nadmierny spadek ciśnienia opłucnowego może doprowadzić do obrzęku płuc, natomiast wzrost amplitudy oznacza wzrost pracy oddechowej. W celu analizy tej różnorodności zmodyfikowaliśmy wirtualnego pacjenta i analizujemy, jaki wpływ mają poszczególne właściwości układu oddechowego, a w dalszej kolejności właściwości układu krążenia i wymiany gazowej, na ww. różnice międzyosobnicze.

Inne prace związane z modelowaniem wiążą się z faktem, że: (a) POChP (przewlekła choroba obturacyjna płuc) staje się trzecią główną, pośrednią lub bezpośrednią przyczyną śmierci na świecie, a szczególnie w krajach takich jak Polska, (b) choroby układu krążenia od dawna są w tej pierwszej trójce, (c) współistnienie tych chorób jest częstym zjawiskiem (np. z powodu starzenia się społeczeństw oraz wspólnej przyczyny jaką jest palenie) i wzmagają one wzajemnie negatywny wpływ na stan pacjenta, (d) często trudno rozróżnić te choroby po objawach. Między innymi w tym celu stworzyliśmy interfejs umożliwiający łączenie naszego wirtualnego pacjenta pneumonologicznego (sprzężone modele układu oddechowego i krążenia płucnego oraz transportu gazów w tych układach) z dowolnymi modelami serca i układu krążenia systemowego.

Drugim głównym kierunkiem działań Pracowni są zagadnienia związane z badaniami i budową hybrydowych, fizyczno – komputerowych modeli i urządzeń medycznych przeznaczonych do wspomagania, a także pomiarów mechanicznych parametrów systemów krążenia i oddychania. Specjalna uwaga jest skierowana na aspekty ich wzajemnego oddziaływania. W ramach tego ogólnego programu działań są rozwijane nowe hybrydowe modele płuc i układu krwionośnego. Modele hybrydowe pozwalają na bezpośrednie połączenie modelu matematycznego, istniejącego w postaci programu komputerowego (wirtualny pacjent!) z fizycznym urządzeniem używanym do wspomagania niewydolnych płuc lub serca. Połączenie systemów pracujących w różnych fizycznie środowiskach elektrycznym komputera (np. model komputerowy) i pneumatycznym oraz hydraulicznym urządzeń wspomagających pracę płuc i serca, odbywa się za pośrednictwem specjalnych interfejsów opracowanych w Pracowni.

Modele hybrydowe mają wszystkie zalety modeli komputerowych (dokładność, strukturalną elastyczność, łatwość użytkowania, pełna obserwowalność) i największą zaletę modeli fizycznych - czyli możliwość ich bezpośredniego podłączenia z urządzeniem wspomagającym dzięki pracy w tym samym środowisku fizycznym. Modele hybrydowe pełnią rolę sztucznych pacjentów i są używane w badaniach nowych metod wspomagania krążenia (np. nieinwazyjnej kontrpulsacji) lub oddychania (np. adaptacyjnej kompensacji rezystancji rurki intubacyjnej).

Modele hybrydowe są także używane jako cenna pomoc dydaktyczna w kształceniu na poziomie akademickim, dają one bowiem wyjątkowe możliwości pokazania sytuacji klinicznych związanych z terapią za pomocą urządzeń wspomagających w różnych patologiach np. w stanach zawałowych, ostrej niewydolności oddechowej itd.

Rozwijanie modeli hybrydowych stymuluje opracowanie nowych technologii ich bloków funkcjonalnych takich jak sterowane numerycznie systemy napędowe czy nowe czujniki pomiarowe np. zminiaturyzowane dotchawiczne intubacyjne czujniki ciśnienia zdolne do długotrwałej pracy w aktywnym elektrycznie i mechanicznie zanieczyszczonym środowisku.

Wybrane rezultaty:

• zaproponowano taką, całkowicie nową, matematyczną formę dla równań predykcyjnych, że współczynniki tych równań – w przeciwieństwie do równań wszystkich innych autorów – mają interpretację fizjologiczną (Gólczewski, Lubiński, Journal of Applied Physiology 2010). Przy okazji zaproponowano normy dla wskaźników spirometrycznych dla polskiej populacji;
• wykazano, że – wbrew powszechnej na świecie opinii – fundamentalna dla diagnostyki relacja między głównymi wskaźnikami spirometrycznymi, tj. FEV1 i FVC, tak naprawdę nie zależy od wieku, a znana pozorna zależność jest artefaktem matematycznym (Gólczewski, Lubiński, Chciałowski, Respiratory Research 2012);
• opracowano system do nauki interpretacji spirometrii bazujący na pacjencie wirtualnym i pozwalający przeprowadzać badanie spirometryczne wirtualnych pacjentów o różnych, zadanych przez użytkownika parametrach układu oddechowego zależnych od wzrostu, wieku czy natężenia chorób (http://www.virtual-spirometry.eu/pl/index.html),
• opracowano wirtualnego pacjenta pneumonologicznego z możliwością dołączania własnych modeli układu krążenia systemowego przez użytkowników końcowych – w formie aplikacji webowej (http://virrespir.ibib.waw.pl/),
• zbudowano manometr do pomiaru chwilowego ciśnienia opłucnowego (Krenke, Guć, Grabczak et. al., Respiration 2011),
• zbudowano hybrydową (fizyczno-komputerową), krążeniowo-oddechową platformę symulacyjną, w skład której wchodzą hybrydowy symulator układu krążenia i hybrydowy symulator układu oddechowego – do celów testowych urządzeń wspomagających, badawczych, szkoleniowych (nagroda Prix Galien Polska, 2012).

Manometr do pomiaru chwilowego ciśnienia opłucnowego

Aplikacje komputerowe

TGol e-spirometry (http://www.virtual-spirometry.eu/pl/index.html)

oraz

VirRespir (http://virrespir.ibib.waw.pl/)

Hybrydowy symulator układu krążenia (dół) i hybrydowy symulator układu oddechowego (góra), wchodzące w skład krążeniowo-oddechowej platformy symulacyjnej

Współpraca:

Wojskowy Instytut Medyczny

Katedra i Klinika Chorób Wewnętrznych, Pneumonologii i Alergologii Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego

Instytut Fizjologii Klinicznej Narodowej Rady Naukowej (Włochy)

Katolicki Uniwersytet w Lowanium (Belgia)

Finansowanie zewnętrzne:

A remote controlled Sensorized Artificial heart enabling patients empowerment and new therapy approaches (SensorART), EU projekt nr 248763, 2010r. – 2014r.

Czynność wentylacyjna płuc, wskaźniki wymiany gazowej i reakcja układu krążenia w warunkach zmian ciśnienia śródopłucnowego wywołanych terapeutyczną punkcją opłucnej, projekt NCN nr 2012/05/B/NZ5/01343, 2012r. – 2017r.

Wdrożenia:

Opracowanie modelu wzorca przepływu krwi do celów badań i weryfikacji systemów ultradźwiękowych” dla Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN, 2014.

„Urządzenie z oprogramowaniem do pomiaru i analizy podciśnienia wytwarzanego przez niemowlę podczas ssania” dla Fundacji Dom Rodzinnej Rehabilitacji Dzieci z Porażeniem Mózgowym, 2016r.

„Hybrydowy model układu krążenia” – obecnie w Zakładzie Kardiochirurgii Katolickiego Uniwersytetu w Lowanium, 2017.

Wybrane publikacje:

1. Tzallas AT, Katertsidis NS, Karvounis EC, Tsipouras MG, Rigas G, Goletsis Y, Zieliński K, Fresiello L, Di Molfetta A, Ferrari G, Terrovitis JV, Trivella MG, Fotiadis DI. Modeling and simulation of speed selection on left ventricular assist devices. Comput Biol Med 2014; 51, 128-139.
2. Zielinska-Krawczyk M, Michnikowski M, Grabczak EM, Palko KJ, Korczynski P, Golczewski T, Krenke R. Cough during therapeutic thoracentesis: friend or foe? Respirology 2015; 20:166-168.
3. Fresiello L, Ferrari G, Di Molfetta A, Zieliński K, Tzallas A, Jacobs S, Darowski M, Kozarski M, Meyns B, Katertsidis NS, Karvounis EC, Tsipouras MG, Trivella MG. A cardiovascular simulator tailored for training and clinical uses. J Biomed Inform 2015; 57, 100-112, doi: 10.1016/j.jbi.2015.07.004.\
4. Kozarski M, Suwalski P, Zieliński K, Górczyńska K, Szafron B, Pałko KJ, Smoczyński R, Darowski M. A hybrid (hydro-numerical) circulatory model: investigations of mechanical aortic valves and a numerical valve model. Bulletin of the Polish Academy of Sciences – Technical Sciences 2015; 63(3): 605-612.
5. Stankiewicz. B, Zieliński K, Darowski M, Michnikowski M. EtCO2-based biofeedback method of breath regulation increases speech fluency of stuttering people. Archives of Acoustics 2015; 40(4): 469-474.
6. Zieliński K, Darowski M, Kozarski M, Ferrari G. The need for hybrid modeling in analysis of cardiovascular and respiratory support. Int J Artif Organs 2016; 39(6): 265–271.
7. Di Molfetta A, Filippelli S, Ferrari G, Secinaro A, Zieliński K, and Amodeo A. Berlin Heart EXCOR Ventricular Assist Device: Multilayer Membrane Rupture in a Pediatric Patient. Ann Thorac Surg 2016;102(2): 129-130.
8. Ferrari G, Di Molfetta A, Zieliński K, Fresiello L, Górczyńska K, Pałko KJ, Darowski M, Amodeo A, Kozarski M. Conduction of a paediatric pneumatic VAD. A hybrid cardiovascular model study. Artif Organs 2017, 41(12): 1099-1108.
9. Stankiewicz B, Rawicz M, Darowski M, Zieliński K, Chwojnowski A, Kozarski M. Use of siliconised infant endotracheal tubes reduces work of breathing under turbulent flow. Biocybern Biomed Eng 2017; 37(1): 59-65.
10. Stankiewicz B, Pałko KJ, Darowski M, Zieliński K, Kozarski M. A new infant hybrid respiratory simulator: preliminary evaluation based on clinical data. Med Biol Eng Comput 2017, doi: 10.1007/s11517-017-1635-9.
11. Gólczewski T, Stecka A, Michnikowski M, Grabczak EM, Korczyński P, Krenke R. The use of a virtual patient to follow pleural pressure changes associated with therapeutic thoracentesis. Int J Artif Organs 2017; 40(12): 690-695; doi: 10.5301/ijao.5000636.
    
12. Zielińska-Krawczyk M, Grabczak EM, Michnikowski M, Zieliński K, Korczyński P, Stecka AM, Gólczewski T, Krenke R. Patterns of pleural pressure amplitude and respiratory rate changes during therapeutic thoracentesis. BMC Pulmonary Medicine. 2018; 18:36. doi:10.1186/s12890-018-0595-7.

Przyznane patenty:

1. Gólczewski T, Pałko KJ. Sposób i układ do pomiaru współczynnika oporu i podatności różniczkowej układu oddechowego. PL394157 (2011).
2. Michnikowski M. Przyrząd wspomagający odsysanie płynu podczas punkcji opłucnej. PL396881 (2011).
3. Michnikowski M. Sposób i przyrząd do korekcji wady akomodacji soczewki oka. PL400927 (2012).
4. Kozarski M, Darowski M, Zieliński K, Górczyńska K, Pałko KJ. Hybrydowe źródło ciśnieniowo-przepływowe. PL402062 (2014).
5. Kozarski M, Darowski M, Zieliński K, Górczyńska K, Pałko KJ. Sposób i układ do wspomagania pracy serca. PL397427 (2014).
6. Kozarski M, Darowski M, Zieliński K, Górczyńska K, Pałko KJ. Symulator układu krążenia. PL397781 (2014).
7. Kozarski M, Darowski M, Zieliński K, Pałko KJ, Górczyńska K. Układ hybrydowy do badania pomp wirnikowych. PL397406 (2015).
8. Pałko T, Kozarski M, Darowski M, Szczepanowski A, Łukasik W, Zieliński K, Pałko KJ. Urządzenie do kontrapulsacji nieinwazyjnej. PL389417 (2015).
9. Kozarski M, Darowski M, Zieliński K. Intubacyjny czujnik ciśnienia. PL397780 (2015).
10. Kozarski M, Darowski M, Pałko KJ, Zieliński K. Objętościomierz dwunurnikowy. PL402064 (2016).
11. Kozarski M, Darowski M, Pałko KJ, Zieliński K. Indukcyjnościowy czujnik przemieszczeń. PL402061 (2016).
12. Kozarski M, Darowski M, Pałko KJ, Zieliński K. Dawkująco-mierzący mieszacz gazów oddechowych. PL402060 (2016).
13. Kozarski M, Darowski M, Pałko KJ, Zieliński K. Sposób i urządzenie do wspomagania oddechu pacjenta. PL 402063 (2017).
14. Kozarski M, Darowski M, Zieliński K. Pojemnościowy czujnik przemieszczenia. PL409763 (2017).