Kuidas selja sirgu saab? Insenerid ja arstid arendasid välja nutikorseti!

Tallinna Tehnikaülikooli inseneride ja Ida-Tallinna Keskhaigla arstide koostöös loodi nutijälgimisega korsett, et edaspidi oleks võimalikult paljudel inimestel selg sirge ja elukvaliteet parem. Vildakselgsus ehk skolioos on eriti noortel väga tõsine häire, mida on kasvueas vaevaline ja tülikas välja ravida, aga juba väljakujunenuna pea võimatu korrigeerida. Kirjutab Ants Vill.

„Olen kõigest testija, minul skolioosi ei ole,“ ütles üks kergelt habetunud noorem mees tehnikaülikooli paindtootmissüsteemide ja robootika demokeskuses, valides näidiste seast augulisest plastist, hallikast polüamiidmaterjalist valmistatud korseti. Erinevalt kahest varasemast proovimudelist on sellele kinnitatud andurid, mille külge saab juhtmete abil ühendada juhtimisploki. „Tegemist on töötava prototüübiga, täpselt minu järgi valmistatud,“ rääkis projektiosaline, TalTechi mehaanika ja tööstustehnika instituudi ettevõtlusspetsialist Alar Niidas, kinnitades koos projektikaaslasega prototüüpi endale ümber keha. Projektikaaslane Jakob Rostovski kuulub tehnikaülikooli Thomas Johann Seebecki elektroonikainstituudi kommunikatsioonisüsteemide uurimisrühma.

Doktorant-nooremteadur Rostovski väljatöötatud ongi nutikorseti elektroonikaosa – anduri, juhtimissõlme ja mobiilirakenduse kaudu toimuv monitoorimis- ning andmekogumissüsteem. Korsetirihmad said kinnitatud, juhtimisplokk sisse lülitatud ja nii sai hakata andmeid kohe ka äpis jälgima.
Lisaks Niidasele ja Rostovskile tutvustas kogu projekti seda juhtiv tehnikaülikooli mehaanika ja tööstustehnika instituudi professor Tauno Otto. „Projekt on praeguseks sealmaal, et prototüüp on valmis. Nüüd edasi peaksid järgnema juba meditsiinilised katsetused ja kui kõik läheb hästi, siis aasta-paari jooksul ka uudse toote tegelik tootmine-rakendamine. Enne on aga vaja eetikakomisjoni luba, et sellist nutikorsetti saaks patsientidel kasutama hakata,“ tutvustas ta asjade seisu.

„Andurid näitavad praegu, kui suured ja millise suunaga jõud ravikorsetis mõjuvad, samuti ka seda, millises asendis – kas seistes, istudes või lamades patsient on ja millised on tema tehtavad raviotstarbelised harjutused,“ ütles Jakob Rostovski. „3D-prinditud korsett on valmistatud minu järgi, minu keha skannimise põhjal, on küllalt mugav, lubab üsna vabalt liigutada, kui ära harjuda. Ainult püstitõusmisel ja kerepainutuste puhul on veidi kohmakas,“ märkis Niidas. „Seadme testimisel on mul selles arendusfaasis olnud peamised harjutused kõndimine, hingamisharjutused ja ravivõimlemisliigutused – nii istudes kui lamades,“ lisas ta. „Loome praegu tööriista, täpsemalt hakkavad seda rakendama arstid.“

„Katsetustel ühendatakse väline skannimine ka kompuutertomograafiliste uuringutega (mida püüame päriselus võimalikult vähe kasutada, et noortel ei tekiks liiga suurt kiirguskoormust). Nende andmete tehisintellekti abil sünteesimisel luuakse mudel, millise kujuga peab ravikorsett olema ja millise suuna ja suurusega jõude peab see patsiendi kehale avaldama, et vildakselgsust ravida,“ ütles professor Otto. „Teeme koostööd Eesti Maaülikooli kompuutertomograafia laboriga, soetasime nutika tootmise tuumiktaristu raames sinna kompuutertomograafi ja TTÜ-sse pulbermeetodil töötava 3D-printeri. Tomograafiga saab täpselt uurida, kuidas reaalne korsett erineb digimudelist ja kuidas korrigeerivad jõud on seda katsetustel mõjutanud.“

Probleem algab noores eas

Probleem saab alguse tihtipeale noore inimese kiires kasvueas, skolioos on teadmata põhjusega. Ravi puhul on leitud teaduslik seos ujumisega, mida enamik peab seljahaiguste korral üliheaks lahenduseks.
Skolioosi on varajase ravi korral võimalik korrigeerida operatiivse sekkumiseta, selleks kasutatakse eelkõige ravikorsette. Need on kandjale ebamugavad, kuid kohendavad oma pideva mehaanilise mõjuga patsiendi kehahoiakut ja seavad selgroo võimalikult soodsasse asendisse, et vähendada aja jooksul vildakselgsust.

Korrigeerimisprotsess kestab aastaid ja vajab arstidepoolset regulaarset järelvalvet, aga mis veelgi olulisem – patsiendi püsivust kanda korrigeerivat, kuid paraku üsna ebamugavat korsetti ja lisaks korrigeerivad harjutused, mida tuleb seda kandes teha. Iga ravikorsett valmistatakse individuaalsete mõõtude järgi poolkäsitsi, seni on see olnud keerukas, töömahukas ja küllalt kulukas. Kuna enamik vildakselgseid patsiente on kasvueas lapsed-noored, siis tuleb korsett organismi kasvades üha suurema vastu vahetada.

Eelloetletud põhjustel aga pole siiani olnud võimalik korseti sobivust hinnata röntgenpildi abil sagedamini kui kaks korda aastas, väikseks jääma kippuva korseti kandmine on noortele patsientidele küllalt piinav ega ole ka korrigeerimisel tõhus. Nii püütakse tihti ka selle süsteemsest kandmisest kõrvale hiilida, mistõttu jääb soovitav raviefekt tagasihoidlikuks.

Uued lahendused

Nüüd loodi TTÜ mehhaanika- ja elektroonikainseneride ning Ida-Tallinna Keskhaigla arstide koostöös nutikas korsett, mille eesmärk on muuta skolioosihaigete ravi mugavamaks ja tõhusamaks. Eesti tehisintellekti- ja robootikakeskuse AIRE abil ellu viidud projektis osalesid ka Tartu teadlased – Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudist professor Alvo Aabloo juhtimisel ning professor Marten Madissoo Eesti Maaülikooli kompuutertomograafia laborist.

Sensoritega korsett annab otsekohe ja pidevalt infot kandja tervise kohta. Tavaravis kontrollitakse ravi efektiivsust röntgeni abil kaks korda aastas, see on aga ühest küljest liiga harva, et saada ülevaadet nii ravist kui ka korseti sobivusest, teisalt aga toob endaga kaasa üsna arvestataval määral röntgenikiirgust. Ida-Tallinna Keskhaigla lülisambakirurgia arst dr Ragne Riimi sõnul innustab kiire tagasiside ka noori patsiente: „Laste ravis on oluline tagasiside – kinnitus, et patsiendid on olnud tublid ja kannavad korsetti õigesti. Kui aga midagi on valesti, saavad arstid kiiresti ravis muudatusi teha.”

Moodsate insenerlike lahedustega alustati ravikorseti, mis on ennast pika praktika jooksul õigustanud, ravivõttestiku põhjalikku uuendamist. „Alustasime algusest ehk patsiendi mõõtmisest. Selleks kasutasime laserskannerit. Pooletunnise mõõtmise käigus tekib patsiendi keha kolmemõõtmeline kujutis, see lisatakse patsiendi muu digiandmekogusse, luuakse patsiendi digikaksik. Andmete analüüsil ja ravi planeerimisel saab tõhusalt kasutada ka tehisintellekti. Nii saab andmete põhjal ja algoritmide abil luua 3D-ravikorsett, millele antakse sellised mõõdud ja kuju, et sel oleks maksimaalne korrigeeriv ehk ravimõju ja samas oleks seda võimalikult mugav kanda. 3D-prinditud korseti kvaliteeti saame analüüsida EMÜ kompuutertomograafia laboris,“ rõhutas professor Otto, kelle juhtimisel praeguseks juba prototüübifaasi viidud lahendus välja töötati.

Ta lisas, et analüüsi tulemusena saab valmistada igale patsiendile just sel kasvuperioodil talle kõige sobivama ravikorseti.

„Korsetile lisame ka surveandurid ja neid ühendava protsessori koos andmeedastusplokiga. Nii saab ravivahendilt pidevalt andmeid, kuidas korsett „istub“, kas, millal ja milliseid harjutusi patsient teeb ning milline on nende mõju tema probleemi korrigeerimisele pikemas ajalises vaates. Korseti digitaalse kaksiku abil saab lapsevanem, raviarst või füsioterapeut oma mobiiltelefonist ülevaate korseti kasutusest. Tehisintellekti abil saavad spetsialistid teha ka soovitusi korseti kandmiseks või raviharjutuste tegemiseks. Kui nooruk on aga kasvanud, saab vajadusel tellida uue. 3D-printimisega valmib uus, patsiendi kehamuutustega sobiv ja edasisi ravisuundi arvestav korsett kiiresti, täisautomaatse protsessina ning mis pole samuti vähetähtis – üsnagi madalate kuludega,” rääkis professor Otto.

„Sellise lähenemisviisiga saab ühelt poolt nutikaid meditsiiniabivahendeid kasutada üha rohkem e-tervise süsteemi arendamiseks. Teisalt aga võimaldab see arendada ka nende tootmist – patsiendi digitaalse kaksiku põhjal saab näiteks 3D-printida uue personaalse ravikorseti, arvestades varasemat raviefekti, et vastavalt kas korrigeerivaid jõudusid suurendada või vähendada,“ märkis Tauno Otto. „Nutika skolioosikorseti projekti eesmärk on välja töötada turvaline inimesekeskne tervisetehnoloogial põhinev platvorm, millega ühendada tulevikus nii erinevaid ortopeedilisi kui tööohutuse abivahendeid. Näiteks on võimalik arendada juurde võimekus tehisintellekti abil ennetada traumade tekkimist töökohtadel, mis on oluline just inimestega vahetult kokkupuutuvate koostöörobotite laia leviku tõttu.“

Uued õppesuunad

„Tehnikaülikooli IT-teaduskonnas on meditsiinitehnika ja -füüsika magistriõppekava, mis on mõeldud ettevalmistama spetsialiste, kes suudaks hallata ja ka konstrueerida meditsiiniseadmeid. Meie pragune projekt toimub koostöös Ida-Tallinna Keskhaiglaga. Alguspunkt oli see, et Ida-Tallinna Keskhaigla Taastusravi Kliiniku endine juhataja dr Hedi Alasepp soovis saada uuemat tehnoloogiat. Taastusravikliinik valmistab ise proteese, ka tarku proteese,“ meenutas professor.

„Sel puhul käisime kogemusi omandamas Itaalias lastehaiglas ja taastusravikeskuses La Nostra Famiglia, taastusravikeskuses Villa Beretta ning uurimisinstituudi CNR Lecco osakonnas. Sealsetes suurhaiglates oli kogu alumine korrus n-ö inseneeria ja IT päralt, seal on 3D-printimine, robootika, virtuaalreaalsus. Eesmärk on nende uute vahenditega uurida patsienti igakülgselt ning leida tema taastusraviks parimad võimalikud uudsed lahendused. Samas toimub see töö nii meetodite, spetsialistide kui ka seadmete puhul tihedas koostööd ülikooliga. Meil oli, millest head eeskuju võtta, nii loodigi Ida-Tallinna keskhaiglas koostöölabor.“

„Esimesed olid insuldipatsiendid, nende puhul saab virtuaalreaalsuse vahenditega uurida taastumise käiku. Näiteks – ülesanne patsiendile – minna virtuaalsesse poodi ja teha seal sisseoste: leiba, piima. Siis saab hinnata, kuidas on taastunudpatsiendi kognitiivne võimekus,“ rääkis Tauno Otto.

„Nüüd liikusime 3D-printimise valdkonda, et aidata moodsate vahenditega selgrookõverdumise ravi alal. Kui asja lähemalt uurima hakkasime, selgus, et ravikorseti puhul on mõjutavad jõud päris suured. Esimese mudeli tegime teadusajakirjade andmestiku põhjal. Selgus, et tegelikud jõud on ikka palju suuremad, see esimene läks katsetamisel lihtsalt katki – nagu siin laual näha ongi,“ rääkis Alar Niidas. „Siinkohal pean ütlema, et korseti kandmine on küllaltki pingutustnõudev, see peab olema väga täpselt patsiendile kohandatud. Toode näeb aga välja päris kena, patsiendid ei peaks seda häbenema.”

„Õhukesel kilel paiknevad jõuandurid näitavad online´is, kui jõud mingis suunas liiga suureks lähevad, sest siis tuleb midagi muutma hakata. Hea, et enam ei pea keegi röntgenis käima, kogu arengut saab jälgida ja juhtida tehisintellekti abil,“ ütles Rostovski. „Andemete kogumine käib mikrokontrolleritega, need sai juba ühest varasemast projektist üle võtta, juhtimissõlmeks on ESP32 arendusplaat, millel jookseb mikropüüton.“

„Sinna lisandub veel andmete pilvetöötlus, seda arendab kolleeg Nathan Metsala, kes kaitses korseti IT-arenduses äsja Tartu Ülikoolis magistrikraadi. See osa on veel arendusfaasis, aga andmehõive on praegu 20 millisekundilise sammuga. Laekuvaid andmeid kasutatakse masinõppeks, et edaspidi saaks kogu ravi ja ka tootetäiendust edasi arendada,“ märkis professor Otto. „Muide, praegu kasutusel olevatel kommertsiaalsetel mudelitel on vaid üks andur, mis näitab, kas korsetti parasjagu kantakse. Mingit harjutuste reaalajas ega ka tagantjärgi jälgimisest ei saa niisugusel juhul unistadagi. Meie mudeli puhul saab arst patsienti ja ravi kogu aeg jälgida ja vajadusel ka ravis korrektuure teha. Edaspidi saab näiteks süsteem automaatselt saata patsiendile meeldetuletuse – tee ikka oma harjutused ära!“

Kokkuvõtteks

Professor Otto rääkis ka, et nutikas skolioosikorsett on üks tehisintellekti- ja robootikakeskuse AIRE demoprojektidest. AIRE eesmärk on aidata ettevõtetel suurendada konkurentsivõimet nii Eestis kui välisturgudel. Keskus seob teadlasi ja eksperte Eesti ülikoolidest, riigiasutustest ja teadusparkidest.

Kokkuvõtteks ütles Tauno Otto, et projekti käigus on tõestatud, et selline nutilahendus on võimalik. „Olemas on Eestis toodetud mudel, ka 3D-printimine on läbi tehtud, katseeksemplarid koos elektroonika ja tarkvaraga ning pilvelahendustega läbi proovitud. Andmeanalüüs on näidanud, et andmete põhjal saab teha nutikaid otsuseid ravitulemuste hindamisel ning ravi edasisel suunamisel. Sellist suunda toetab ka Eestis olev e-tervise süsteem. Üks etapp on veel vaja, siis saab edasi minna tootmise suunas. Praeguseks oleme juba omandanud sellise vilumuse, et patsiendi puhul saaksime kogu protsessi alates skannimisest, kuni korseti valmisprintimiseni, teha ära ühe päevaga. Kui praegused, suhteliselt lihtsad kommertslahendused maksavad tugevalt üle 1000 euro, siis meie nutilahendus tuleb tunduvalt soodsama hinnaga.“