Modelowanie w celu usprawnienia procesu podejmowania decyzji klinicznych w odniesieniu do dzieci z porażeniem mózgowym
Porażenie mózgowe jest spowodowane przez zmianę w rozwijającym się mózgu dziecka, modyfikującą wzorce neuronowe odpowiedzialne za aktywowanie mięśni. Jako że wpływa to postępująco na postawę i układ mięśniowo-szkieletowy, rutynowe czynności stają się coraz trudniejsze. Spastyczność lub nieprawidłowe napięcie mięśniowe, ograniczona kontrola motoryczna oraz zaburzona równowaga wpływają negatywnie na chód, przez co chodzenie staje się trudniejsze. Wraz z wiekiem te nieprawidłowości potęgują się, jako że niezbalansowane siły mięśniowe i skurcze mięśni wymuszają postawy kompensacyjne, co skutkuje postępującymi deformacjami szkieletowymi. Twórcy finansowanego ze środków UE projektu NORMAL-LOAD zbadali, w jaki sposób wzorzec chodzenia dzieci z porażeniem mózgowym wpływa na obciążenia ich kości udowych. W badaniu wykorzystano technikę modelowania komputerowego. W technice tej połączono analizę chodu 3D, symulacje mięśniowo-szkieletowe oraz analizę elementów skończonych, aby dowiedzieć się więcej na temat rozwoju kości u tych dzieci. „Kiedy chirurg ortopedyczny ze szpitala uniwersyteckiego w Leuven zapytał mnie, które właściwości chodu mogą najbardziej wpłynąć na geometrię kości udowej w oparciu o wyniki mojej symulacji, naprawdę doceniłem wartość naszej pracy”, stwierdza Hans Kainz z Katolickiego Uniwersytetu w Leuven.
Symulacje mechaniczno-biologiczne
Leczenie mające na celu skorygowanie nieprawidłowości mięśniowo-szkieletowych i usprawnienie chodu u dzieci z porażeniem mózgowym często wiąże się z wysoce inwazyjnymi chirurgicznymi zabiegami ortopedycznymi. Jednakże skuteczność takich zabiegów jest ograniczona – u wielu pacjentów nie zauważa się żadnej poprawy. Korzystając ze wsparcia działania „Maria Skłodowska-Curie”, twórcy projektu NORMAL-LOAD postanowili odpowiedzieć na dwa pytania stawiane w klinicznych badaniach naukowych. Po pierwsze: jak powstają deformacje kości udowej? Po drugie: czy interwencje kliniczne ograniczające spastyczność zmieniają obciążenie mięśniowo-szkieletowe i pozwalają uniknąć takich deformacji? Na początku utworzono model kości udowej, wykorzystując obrazy pozyskane metodą rezonansu magnetycznego. Następnie obliczono wspólne kąty i różne obciążenia kości udowej w oparciu o wzorzec chodzenia 10 rozwijających się zdrowo dzieci oraz dzieci z porażeniem mózgowym przed i po zastosowaniu interwencji klinicznych ograniczających spastyczność. W tej drugiej grupie 14 dzieci otrzymało standardowe leczenie w postaci zastrzyków z toksyny botulinowej A oraz 25 operacji w celu ograniczenia spastyczności, znanych pod nazwą selektywnej rizotomii grzbietowej. Modelowanie komputerowe, zwane analizą elementów skończonych, wykorzystano w celu symulacji wzrostu kości udowej przy różnych obciążeniach. Główną znalezioną różnicą były ruchy miednicy i bioder na środkowym etapie cyklu chodu. U dzieci, u których wzrost kości udowej przebiega nieprawidłowo, takie ruchy skutkują mniejszą siłą skierowaną w tył pomiędzy stawem biodrowym a kością udową, co hamuje wyprost biodra i kolana, utrudniając płynny chód. Dodatkowo zespół wykazał, że zastrzyki mają niewielki wpływ na wzrost kości udowej, zaś w symulacji można było zaobserwować, że selektywna rizotomia grzbietowa umożliwia bardziej prawidłowy wzrost tej kości.
Ograniczenie cierpienia, a przy okazji i kosztów
Porażenie mózgowe to najpowszechniej występujące zaburzenie neurologiczne u dzieci – występuje w przypadku 2–3 porodów na 1 000. Szacowane koszty opieki zdrowotnej nad chorym i koszty społeczno-ekonomiczne przez całe jego życie to kwoty rzędu od 800 000 euro do 860 000 euro. „Wczesne interwencje kliniczne zmieniające obciążenie, mające na celu poprawę wzorców chodzenia, takie jak selektywna rizotomia grzbietowa, mogą ograniczyć liczbę wymaganych korekt chirurgicznych, a tym samym cierpienie dzieci z porażeniem mózgowym”, wyjaśnia Ilse Jonkers, koordynatorka projektu. Niektóre wyniki projektu, takie jak modele i sposób pracy, są już dostępne bezpłatnie. Pozostałe dane (kod, modele i wyniki) zostaną przesłane na stronę projektu NORMAL-LOAD po opublikowaniu dokumentacji badania – zespół pracuje obecnie nad tym priorytetowym zadaniem. Jednakże zanim sposób pracy sprawdzony w projekcie NORMAL-LOAD będzie można zastosować w badaniach klinicznych, trzeba go dodatkowo zwalidować, stosując obrazy medyczne tej samej osoby uzyskane w różnych okresach czasu, tak by można było śledzić faktyczny wzrost kości. Kainz jest obecnie adiunktem na Uniwersytecie w Wiedniu i promotorem studenta studiów doktoranckich, który zajmuje się właśnie tym zadaniem.
Słowa kluczowe
NORMAL-LOAD, porażenie mózgowe, chód, chodzenie, selektywna rizotomia grzbietowa, zabieg chirurgiczny, miedniczy, biodro, kość udowa, mięśniowo-szkieletowy, spastyczność, analiza elementów skończonych
