Inżynieria Biomedyczna w Politechnice Warszawskiej

Transkrypt

1 Inżynieria Biomedyczna w Politechnice Warszawskiej prof. nzw. KRZYSZTOF ZAREMBA 1, prof. TADEUSZ PAŁKO 2, prof. nzw. NATALIA GOLNIK 2 1 Politechnika Warszawska, Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych 2 Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki Dziękując gorąco Redakcji Elektroniki za inicjatywę wydania specjalnego zeszytu czasopisma, zawierającego artykuły związane z rozwojem Inżynierii Biomedycznej w Politechnice Warszawskiej, a mówiąc ściślej na dwóch jej wydziałach: Elektroniki i Technik Informacyjnych oraz Mechatroniki, chcielibyśmy poświęcić nieco miejsca historii i teraźniejszości tej fascynującej dyscypliny w odniesieniu do aktywności Uczelni w tym zakresie na naszych macierzystych wydziałach, a zwłaszcza w Instytucie Inżynierii Precyzyjnej i Biomedycznej (WM), kierowanym przez prof. Tadeusza Pałko i w Zakładzie Elektroniki Jądrowej i Medycznej (WEiTI), którym kieruje prof. Krzysztof Zaremba. Inżynieria Biomedyczna w Polsce jest niewątpliwie w fazie dynamicznego rozwoju, choć chyba ożywienie zainteresowania tą dziedziną jest nieco spóźnione w stosunku do krajów najbardziej rozwiniętych, gdzie ogromne znaczenie konwergencji nauk technicznych, biologicznych i medycznych zostało dostrzeżone i docenione wcześniej. Wymiernym faktem świadczącym o rosnącym zainteresowaniu dziedziną jest otwieranie kierunku kształcenia Inżynieria Biomedyczna na kolejnych krajowych uczelniach, rozpoczęte sukcesem takiej inicjatywy w Akademii Górniczo-Hutniczej. Wśród uczelni włączających się do kształcenia na tym interdyscyplinarnym kierunku studiów znalazła się także Politechnika Warszawska, przeprowadzając w roku akademickim 2007/08 po raz pierwszy nabór kandydatów na studia prowadzone wspólnie na dwóch wydziałach Elektroniki i Technik Informacyjnych oraz Mechatroniki. Zlokalizowanie kształcenia w tych właśnie uczelnianych jednostkach podyktowane było faktem, iż istnieją w nich silne grupy od lat prowadzące zarówno badania związane z inżynierią biomedyczną, jak i kształcenie w tym obszarze w ramach prowadzonych na wydziałach specjalności. Powiązanie organizacyjne z dwoma wydziałami nie oznacza jednak, że kadra prowadząca zajęcia będzie pochodziła tylko z nich przeciwnie działania organizacyjne poprzedzające wprowadzenie nowego kierunku wykazały, że na co najmniej dziesięciu spośród szesnastu wydziałów PW istnieją zespoły badawcze, związane w mniejszym lub większym stopniu z inżynierią biomedyczną, które chętnie włączą się w proces kształcenia i dyplomowania studentów. Dość powszechne jest przekonanie, że właśnie na Politechnice Warszawskiej obserwujemy powstanie nowej jakości nowego obszaru zainteresowań badawczych i dydaktycznych. Taki pogląd jest jednak daleki od prawdy, bowiem historia inżynierii biomedycznej w Politechnice Warszawskiej jest tak długa, jak długa jest powojenna historia uczelni i dlatego warto poświęcić jej kilka akapitów. Początek historii jest wspólny dla wydziałów Elektroniki i Mechatroniki, ponieważ wspólne są nasze korzenie, natomiast ścieżki rozeszły się w roku Zacznijmy jednak od początku. Rys historyczny Kształcenie i prace badawcze w zakresie inżynierii biomedycznej w Polsce rozpoczęto przez utworzenie nowej specjalności pod nazwą Elektrotechnika Medyczna i Radiologia w roku akademickim 1946/47 zaledwie w rok po wznowieniu działania przez Wydział Elektryczny we wciąż częściowo zrujnowanych gmachach uczelni, w dwóch oddziałach: Prądów Silnych i Telekomunikacji. Wówczas właśnie utworzono nowy Oddział Elektrotechniki Medycznej, skupiający dwie katedry: Radiologii oraz Elektroniki (przemianowanej w 1952 r. na Katedrę Fizyki Elektronowej), a także samodzielny Zakład Budowy Aparatów Elektromedycznych. Należy podkreślić, że w owym czasie nie istniał na świecie żaden ośrodek prowadzący kompleksowe kształcenie w tej dziedzinie, podczas gdy dziś podobne kierunki kształcenia lub specjalności oferują prawie wszystkie liczące się uczelnie techniczne. Utworzenie Oddziału Elektrotechniki Medycznej było odpowiedzią na potrzeby odbudowywanej po wojennych zniszczeniach medycyny, a szczególnie diagnostyki rentgenowskiej. Pilnie potrzebni byli odpowiednio wykształceni inżynierowie: w odradzającym się przemyśle do konstrukcji aparatury, w szpitalach jako doradcy lekarzy przy zakupach i eksploatacji aparatury, a w instytutach medycznych do współudziału w pracach badawczych. W 1951 r. utworzono na Politechnice Wydział Łączności, w skład którego weszły między innymi trzy katedry z Oddziału Elektrotechniki Medycznej. Wśród nich znalazła się także Katedra Radiologii (kierowana przez prof. Cezarego Pawłowskiego, wybitnego uczonego, ucznia Marii Curie-Skłodowskiej), a także Zakład Budowy Aparatów Elektromedycznych, przekształcony w rok później w zespołową Katedrę Budowy Aparatów Elektromedycznych, złożoną z Zakładów: Aparatów Rentgenowskich (prof. Stanisław Nowosielski) i Aparatów Elektromedycznych (prof. Juliusz Keller). Był to okres prawdziwie pionierski wyposażenie laboratoriów kompletowano między innymi przeszukując poniemieckie składy rzeczy wyszabrowanych. Tematyka prac Katedry Radiologii skupiała się wokół zagadnień detekcji i spektrometrii promieniowania (ze szczególnym uwzględnieniem zastosowań w medycynie i biologii), ochrony radiologicznej i badania skażeń promieniotwórczych. W latach 50. opracowano tu m.in. metodykę i aparaturę do pomiarów stężeń aerozoli promieniotwórczych, tworzono aparaturę i opracowywano procedury pomiarowe do spektrometrii promieniowania alfa, beta i gamma oraz pomiarów bioluminescencji, opracowano technologię wytwarzania półprzewodnikowych detektorów promieniowania. We współpracy z Katedrą Budowy Aparatów Elektromedycznych konstruowano aparaturę do pomiaru małych aktywności znaczników promie- 100 Elektronika 4/2008

2 niotwórczych, stosowaną w medycynie i biologii, opracowano także wiele metod i urządzeń do dozymetrii promieniowania jonizującego i ochrony radiologicznej. Przy Katedrze Radiologii, podobnie jak przy innych, działało tzw. Gospodarstwo Pomocnicze, w którym wykonywano opracowane w Katedrze urządzenia pomiarowe, a także świadczono usługi dla służby zdrowia, takie jak kalibracja rentgenowskich aparatów terapeutycznych lub pomiary promieniowania rozproszonego w pracowniach rentgenowskich. Pionierskie były również początki Zakładu Budowy Aparatury Elektromedycznej, kierowanego przez Stanisława Nowosielskiego, wielką postać w dziejach naszej dziedziny, głównego inicjatora i animatora powstania Oddziału Elektrotechniki Medycznej. Jednym z jego pionierskich przedsięwzięć było przeprowadzenie w 1950 r. przez ZBAE, jedynego ośrodka, który był w stanie podjąć się tego zadania montażu i uruchomienia na terenie całej Polski ok. 120 aparatów rentgenowskich otrzymanych w darze od UNRRA. Przez wiele lat Zakład (a następnie Katedra) Budowy Aparatury Elektromedycznej prowadził instalację najnowocześniejszej aparatury rentgenowskiej w nowo powstających lub modernizowanych pracowniach radiologicznych. Gospodarstwo pomocnicze przy KBAE było jednym z największych i przynoszących największe zyski finansowe na Politechnice Warszawskiej. Opracowano w nim ponad setkę prototypów urządzeń, a niektóre z nich produkowano w krótkich seriach. Wykonywano m.in. prototypy dla Fabryki Aparatów Rentgenowskich, różnorakie urządzenia dla służby zdrowia i aparaturę dla nowo powstałego Instytutu Badań Jądrowych. Lista nowatorskich opracowań naukowo-technicznych i wdrożeń z tych lat jest imponująca, szczególnie jeśli wziąć pod uwagę warunki, w jakich je tworzono, a przede wszystkim brak dostępu do nowoczesnych technologii. Wśród ważniejszych opracowań można wymienić: prototypy aparatów rtg., stereowektokardiograf, diatermie krótkofalowe, audiometry, kardiotachometry, kardiostymulatory, elektroencefalografy, stanowiska bomb kobaltowych z pełną automatyką, stereowizyjne urządzenie rentgenowskie, sztuczną rękę urządzenie sterowane prądami mięśniowymi oraz badania nad wykorzystaniem ultradźwiękowej aparatury do kruszenia kamieni żółciowych. W połowie lat 50. nastąpił pewien zwrot w zainteresowaniach naukowych i dydaktycznych obu katedr. Powstanie Instytutu Badań Jądrowych w Świerku i utworzenie jednego z najważniejszych ośrodków badań nad fizyką cząstek elementarnych, Europejskiego Laboratorium Fizyki Cząstek CERN pod Genewą, zaowocowało wzrostem zainteresowania fizyką cząstek i inicjatywą Ministerstwa Szkolnictwa Wyższego organizacji tzw. studiów jądrowych na Politechnice Warszawskiej. Uznano, że Oddział będzie najodpowiedniejszym do tego zadania miejscem. W roku akademickim 1957/58 uruchomione zostały pierwsze zajęcia dydaktyczne specjalności Elektrotechnika Medyczna i Technika Radiacyjna, której jednym z pierwszych absolwentów został Zdzisław Pawłowski, późniejszy wieloletni kierownik Zakładu Elektroniki Jądrowej i Medycznej. Wśród osiągnięć naukowych i technicznych zaczęły dominować prace związane z techniką jądrową, choć obszar techniki medycznej nie był zaniedbywany. Punktem zwrotnym w dziejach Politechniki Warszawskiej stał się rok W ramach szerokiej reorganizacji uczelni o głębokim podtekście politycznym, szeroko kontestowanej przez środowisko akademickie, rozwiązano cieszące się znaczną autonomią katedry, a w ich miejsce powołano podległe bezpośrednio Rektorowi instytuty, podzielone na zakłady dydaktyczne. W przypadku środowiska reprezentującego elektronikę jądrową i medyczną wydarzenie to było szczególnie frustrujące, bowiem, wbrew protestom, na Wydziale Elektroniki pozostawiono tylko Katedrę Radiologii i jeden z zakładów Katedry Budowy Aparatów Elektromedycznych Zakład Aparatury Jądrowej, a dwa pozostałe zakłady KBAE Budowy Aparatów Elektromedycznych i Budowy Aparatów Rentgenowskich przeniesiono na Wydział Mechaniki Precyzyjnej obecnie Mechatroniki. W wyniku tych zmian zajęcia w specjalności Elektronika Medyczna od roku akademickiego 1970/71 rozpoczęto równolegle na dwóch wydziałach. Z dzisiejszej perspektywy ocena tych wydarzeń jest nieco inna dzięki rozbiciu środowiska związanego z inżynierią biomedyczną powstały dwa silne ośrodki, rozwijające się do dziś z podobnym powodzeniem. Inżynieria Biomedyczna na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych W wyniku reorganizacji na Wydziale Elektroniki powstał Zakład Elektroniki Jądrowej, który wszedł w skład Instytutu Radioelektroniki, a jego pierwszym kierownikiem został prof. Adam Piątkowski (wówczas docent). Jednocześnie ukształtował się profil badawczy Instytutu, oparty na trzech głównych nurtach: radiokomunikacji, telewizji i elektroakustyce (ostatnio ewoluujących w kierunku technik multimedialnych) oraz elektronice jądrowej i medycznej, w której z czasem zaczęła dominować inżynieria biomedyczna. Mimo dużej różnorodności tematycznej współpraca w Instytucie układa się bardzo harmonijnie, a inżynieria biomedyczna jest bardzo silnie wspierana przez jego kierownictwo. W roku akademickim 1974/75 na Wydziale Elektroniki wprowadzono specjalizację Elektronika Jądrowa i Medyczna. Kierunek zainteresowań naukowych i prac badawczych prowadzonych w Zakładzie ulegał zmianie, dostosowując się do postępów techniki i zmian zapotrzebowań. Powoli ulegały zanikowi pewne opracowania aparaturowe, takie jak wagi izotopowe, aparatura do pomiaru skażeń promieniotwórczych powietrza, aparatura do badania bioluminescencji, aparatura radiometryczna do badań terenowych itp. Rozwijały się natomiast prace nad systemami pomiarowymi, metodami obrazowania, nad przetwarzaniem zbieranych informacji. Stopniowo wprowadzano komputeryzację. Równocześnie wzrastała liczba tematów związanych z medycyną. W 1978 r., w następstwie tej ewolucji Zakład zmienił nazwę na Zakład Elektroniki Jądrowej i Medycznej. Druga połowa lat 70. była okresem burzliwego rozwoju Zakładu. Liczba pracowników zatrudnionych w ZEJiM wzrosła aż do 32. W tym okresie Zakład podjął wiele tematów, realizowanych w ramach tzw. programów węzłowych i programów rządowych z zakresu fizyki jądrowej, techniki jądrowej i techniki medycznej. Środki finansowe związane z realizacją tych projektów pozwoliły na wzbogacenie Zakładu w aparaturę pomiarową, a jednocześnie umożliwiły realizację prac magisterskich o tematyce związanej z prowadzonymi badaniami naukowymi. Głównymi partnerami Zakładu w pracach naukowo-badawczych były w tym okresie: Instytut Badań Jądrowych, Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej, Centralny Ośrodek Techniki Medycznej, Zjednoczone Zakłady Urządzeń Jądrowych POLON. Część prototypowej aparatury opracowanej w Zakładzie była produkowana w krótkich seriach w Zakładzie Doświadczalnym Instytutu Radioelektroniki ZDAR. Powstało wiele unikatowych opracowań, między innymi: wielokanałowy analizator amplitudy w standardzie CAMAC wprowadzony do seryjnej produkcji w Zakładach ZZUJ PO- LON, spektrometr spolaryzowanych neutronów, zestaw do pomiaru małych aktywności znaczników promieniotwórczych wprowadzony do seryjnej produkcji w Zakładzie Doświadczalnym ZDAR, przenośna aparatura do rejestracji przebiegów Elektronika 4/

3 elektrycznych, skomputeryzowane zestawy do przetwarzania informacji z układu nerwowego. Prowadzone były kompleksowe prace związane ze spektrometrią efektu Mössbauera odkrytego w 1957 r. zjawiska bezodrzutowej emisji i absorpcji promieniowania gamma (nagroda Nobla), które stworzyło nowe możliwości badań wiązań chemicznych, procesów katalitycznych, dynamiki zjawisk fizykochemicznych w strukturach biologicznych. W Zakładzie opracowany został spektrometr efektu Mössbauera, wprowadzony do seryjnej produkcji w ZZUJ POLON. Zestaw ten został zainstalowany we wszystkich znaczących w kraju pracowniach mössbauerowskich, a kilkanaście sztuk wyeksportowano do krajów sąsiednich. W roku akademickim 1990/91 powołany został kierunek kształcenia Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna. Istniał zaledwie przez 3 lata. Na nowo powstałym kierunku studiów utworzono specjalność Elektronika Medyczna, po kilku latach zmieniając jej nazwę na Inżynieria Biomedyczna. Fakt ten, w połączeniu z decyzją o rezygnacji z budowy w kraju elektrowni jądrowej i związanym z tym odwrotem od techniki jądrowej, wpłynął w dużej mierze na ewolucję naukowych zainteresowań pracowników Zakładu. W pracach naukowo-badawczych zaczęła dominować problematyka nowych metod diagnostycznych i terapeutycznych stosowanych w medycynie klinicznej. Zintegrowane zostały laboratoria do prac naukowobadawczych oraz studenckich pracowni problemowych i dyplomowych. Powstały nowe laboratoria: technik obrazowania w medycynie z wydzielonym laboratorium tomografii rezonansu magnetycznego (MRI), laboratorium aparatury biomedycznej, laboratorium detekcji sygnałów medycznych i jądrowych oraz laboratorium komputerowe. Lata 90. to jednak, niestety, nie tylko czas rozwoju laboratoriów i ewolucji naukowych zainteresowań. Kryzys finansowy, który dotknął szkolnictwo wyższe, nie ominął też Zakładu. Kadra stopniała. Skończyła się pewna era, zaczęła nowa, wypełniona walką o środki finansowe i poszukiwaniem szans w zupełnie innych niż dotychczas obszarach, a przede wszystkim we współpracy międzynarodowej. Szczęśliwie i w tej nowej sytuacji Zakład potrafił się odnaleźć. Dzięki wieloletniej pracy całego Zakładu, czterem zrealizowanym projektom w programach międzynarodowych TEMPUS, darom szpitali i klinik, adresowanym dotacjom Komitetu Badań Naukowych (KBN) i grantom KBN, laboratoria zostały dobrze wyposażone w sprzęt, służący zarówno do realizacji prac naukowo-badawczych, jak i w procesie kształcenia. W laboratoriach zainstalowano trzy tomografy: tomograf rezonansu magnetycznego MRI, tomograf do jednofotonowej tomografii emisyjnej SPECT i tomograf rentgenowski CT, a także: aparat rentgenowski, nowoczesny ultrasonograf, gamma-kamerę, termograf, aparaturę do badań analitycznych struktur i składów tkanek i wiele innych unikatowych urządzeń. W obszarze inżynierii biomedycznej prace naukowo-badawcze prowadzono we współpracy z kilkunastoma ośrodkami naukowymi, klinikami i szpitalami w kraju i za granicą. Problematyka ich koncentrowała się na nowych metodach i technikach obrazowania w medycynie, nowych metodach diagnozowania i terapii schorzeń tkanek kostnych, doskonaleniu metod i sprzętu stosowanego w elektrokardiografii i elektroencefalografii, na przetwarzaniu i kompresji danych medycznych oraz na telediagnostyce. Obecnie Zakład jest jednym z największych na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych, drugim pod względem liczby zatrudnionej kadry. Skład zespołu tworzą: profesor tytularny, dwóch profesorów uczelnianych i jeden adiunkt ze stopniem doktora habilitowanego, docent, 10 adiunktów, dwóch starszych wykładowców, asystent i kilkunastu doktorantów. Zakład podzielony jest na pięć pracowni zespołów naukowych: Pracownię Biomedycznych i Nukleonicznych Systemów Komputerowych, Pracownię Zastosowań Elektroniki w Medycynie Nuklearnej, Pracownię Rozpoznawania Obrazów i Sygnałów, Pracownię Detekcji i Spektrometrii oraz istniejącą od niedawna Pracownię Komputerowego Wspomagania Diagnostyki Medycznej. Prowadzone w Pracowni Biomedycznych i Nukleonicznych Systemów Komputerowych (kierownik dr Piotr Bogorodzki) prace koncentrują się wokół zastosowań techniki rezonansu magnetycznego do obrazowania zarówno morfologii, jak i funkcji narządów. Prace realizowane są we współpracy z kilkoma znaczącymi ośrodkami zagranicznymi (NeuroSpinal Hospital (Dubai, UEA), Cliniques Universitaires Saint-Luc (Brussel, Belgium), Centre Hospitalier Universitaire de Liège (Liege, Belgium), Fundación Hospital Nacional de Parapléjicos (Toledo, Spain), Fondation Ophtalmologique Adolphe de Rothschild, (Paris, France)) i kilkunastoma jednostkami krajowymi (m.in. Helimed Diagnostic Imaging (Katowice), Instytut Biologii Doświadczalnej PAN im. Nenckiego, Instytut Fizjologii i Patologii Słuchu, kilka jednostek Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego: II Zakład Radiologii Klinicznej, Zakład Medycyny Nuklearnej, III Klinika Psychiatrii i wiele innych). Zrealizowane przez zespół w ramach europejskiego projektu EUREKA!2427 oprogramowanie do monitorowania perfuzji podczas zabiegów chirurgicznych, interwencyjnych i farmakologicznych zostało zainstalowane w kilku szpitalach. W ostatnim czasie rozpoczęto prace nad opracowaniem metodyki i aparatury do badania kory słuchowej przy wykorzystaniu techniki czynnościowego rezonansu magnetycznego (MRI), umożliwiającej obiektywną ocenę stanu czynnościowego kory słuchowej. Prowadzone są też, wspólnie z ośrodkami medycznymi, granty dotyczące opracowania protokołu czynnościowego badania OUN do diagnostyki pacjentów przygotowanych do operacji z powodu padaczki opornej na leczenie farmakologiczne, badań percepcji czasowej przy wykorzystaniu techniki Firm oraz badania funkcji OUN u osób z zespołem Aspergera. Nowym i niezwykle ambitnym przedsięwzięciem, koordynowanym przez Pracownię, jest organizacja i budowa od podstaw Środowiskowego Centrum Obrazowania Czynnościowego we współpracy z Instytutem Fizjologii i Patologii Słuchu, kierowanym przez prof. Henryka Skarżyńskiego. Centrum to będzie stanowiło platformę naukową i dydaktyczną służącą rozwojowi i upowszechnianiu nieinwazyjnych metod diagnostyki obrazowej w Polsce. Będzie także środowiskiem, gdzie zarówno klinicyści, jak i naukowcy, wykładowcy i studenci z instytucji medycznych i technicznych środowiska warszawskiego i krajowego będą współpracować nad rozwijaniem nowych technik akwizycji i analizy obrazów w celu stworzenia zawansowanych metod mających zastosowanie w badaniach medycznych i innych. Centrum będzie stanowiło bazę do prowadzenia zaawansowanych badań naukowych z różnych dziedzin nauki oraz zajęć dydaktycznych. W Pracowni Zastosowań Elektroniki w Medycynie Nuklearnej (kierownik dr Roman Szabatin) powstało między innymi oprogramowanie do scyntygraficznych badań klinicznych wykonywanych za pomocą gamma-kamer. System do akwizycji i analizy wyników tych badań zainstalowano w ponad dwudziestu klinikach w Polsce. Udoskonalano również metody otrzymywania i analizy obrazów funkcjonalnych w tomografii SPECT i tworzenia obrazów multimodalnych. Pracownia prowadziła również i prowadzi prace związane z oprogramowaniem systemów do telediagnostyki w nowoczesnych standardach transmisji danych DICOM oraz brała udział w projektowaniu endoprotez tkanek kostnych realizowanym przy współudziale Wydziału Inżynierii Produkcji oraz Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki 102 Elektronika 4/2008

4 Warszawskiej. Wreszcie pracownia znalazła nowy, bardzo interesujący obszar działania, jakim jest tomografia procesowa. Zbudowany w pracowni tomograf impedancyjny i wyniki prac badawczych w tej tematyce zapewniły grupie międzynarodowe uznanie. Tomograf ten przeznaczony jest zwłaszcza do zastosowań przemysłowych (głównie do monitorowania przepływów), niemniej potencjalna możliwość aplikacji w medycynie i zastosowanie wywodzących się z techniki medycznej metod pomiaru spowodowały, że artykuły opisujące to urządzenie zostały włączone do zestawu publikacji zamieszczonych w numerze specjalnym Elektroniki. Pracownia Rozpoznawania Obrazów i Sygnałów (kierownik dr Marian Kazubek) do końca lat osiemdziesiątych zajmowała się projektowaniem nowoczesnych systemów pomiarowych Multibus I, Multibus II i AMS. W tym zakresie zespół był liderem w skali kraju, angażując się także we współpracę międzynarodową. Po upadku zakładów POLON i INTERATOM INSTRU- MENT, z którymi Pracownia intensywnie współpracowała, prowadzone badania koncentrowały się głównie na pracach teoretycznych i programistycznych w zakresie przetwarzania, analizy i kompresji obrazów. W ciągu ostatnich lat, po wyodrębnieniu z Pracowni nowej jednostki Pracowni Komputerowego Wspomagania Diagnostyki Medycznej, została nawiązana ścisła współpraca pracowników PROiS z Pracownią Biomedycznych i Nukleonicznych Systemów Komputerowych i wspólnie prowadzone są opisane wcześniej projekty. W Pracowni Detekcji i Spektrometrii (kierownik prof. nzw. dr hab. Krzysztof Zaremba) prace skoncentrowane są wokół dwóch obszarów tematycznych. Pierwszy z nich związany jest z diagnostyką medyczną. W tym obszarze prowadzone były badania nad udoskonaleniem metod i urządzeń do pomiaru składu tkanek biologicznych. Opracowano spektrometr wzbudzonej fluorescencji rentgenowskiej z kriogenicznym systemem detekcyjnym, stosowany m.in. do pomiarów penetracji ciężkich metali toksycznych do tkanek nerwowych i struktur kostnych. Opracowane zostały również nowe metody i urządzenia do diagnozowania schorzeń kości (osteoporozy i osteomalacji). Zaproponowano oryginalną metodę kompleksowych badań tkanek kostnych jednoczesnych pomiarów gęstości i zatruć kości metalami ciężkimi. Udoskonalano także klasyczne metody diagnozowania osteoporozy fotodensytometryczne i skaningowe. Prace te połączone były z modelowaniem zjawisk i optymalizacją sensorów obrazów stosowanych w radiografii cyfrowej. Ostatnio prowadzone są prace nad bardzo nowoczesną i obiecującą techniką diagnostyczną, jaką jest tomografia optyczna, zarówno dyfuzyjna, jak i koherencyjna. Godne odnotowania są też niedawno rozpoczęte prace nad analizą danych w genetyce i proteomice. Drugim obszarem zainteresowań Pracowni jest elektronika jądrowa, leżąca jednak poza obszarem tematycznym niniejszego wydania czasopisma. Zainteresowania Pracowni Komputerowego Wspomagania Diagnostyki Medycznej (kierownik dr hab. Artur Przelaskowski) koncentrują się wokół zagadnień wykorzystania technik informacyjnych w medycynie. Prowadzone od wielu lat badania nad wykorzystaniem elementów teorii informacji w efektywnej reprezentacji danych dotyczyły takich wątków, jak: definiowanie, opis źródeł informacji (modele probabilistyczne i analityczne), wieloskalowe metody ekstrakcji informacji, semantyczne rozumienie informacji i kodowanie informacji. Pracownia ściśle współpracuje z wieloma ośrodkami medycznymi. Szczególnego znaczenia nabrały prace dotyczące komputerowego wspomagania diagnostyki medycznej, przede wszystkim technologii obrazowych i sygnałowych, w zakresie statystycznej analizy danych, klinicznej weryfikacji narzędzi wspomagania, systemów radiografii cyfrowej, telemedycyny, medycznych systemów informatycznych. Wśród osiągnięć zespołu można wymienić m.in.: kompleksowy system komputerowego wspomagana diagnostyki mammograficznej MammoViewer+MammoEdit, bazujący na ontologii mammografii oraz wykorzystujący interfejs określonego protokołu badania; metodę przestrzennych badań USG bazującą na opracowanej procedurze akwizycji oraz wizualizacji trójwymiarowej całych organów (głównie sutka i tarczycy) system SonoLab; narzędzie wspierające detekcję udaru niedokrwiennego mózgu w fazie nadostrej Monitor Udaru; teleinformatyczny system IShark z indeksowaniem zawartości obrazów, wyszukiwaniem treści diagnostycznej, realizacją referencyjnej bazy danych; zestaw koderów do zastosowań medycznych z selekcją i oceną treści diagnostycznej. Ważnym obszarem prac teoretycznych jest modelowanie matematyczne procesów fizjologicznych i patologicznych na użytek wspomagania decyzji diagnostycznych. Obecnie badania koncentrują się na modelowaniu i analizie elektrycznej czynności skurczowej macicy w celu efektywniejszego monitorowania postępu porodu. Są także podejmowane wstępne prace dotyczące modelowania kinetyki glukozy i optymalizacji dawkowania insuliny u chorych na cukrzycę. Należy podkreślić, że Zakład Elektroniki Jądrowej i Medycznej nie zamyka listy zespołów naukowych zajmujących się na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych badaniami w obszarze inżynierii biomedycznej, choć czasem nie jest to podstawowa domena ich działania. Nie sposób wymienić ich wszystkich, ale nie można pominąć zespołu szczególnie i od wielu lat aktywnego w tej dziedzinie, jakim jest Zespół Aparatury Biocybernetycznej w Instytucie Systemów Elektronicznych. Zespół ten, kierowany przez prof. Antoniego Grzankę, szczyci się wieloma opracowaniami na rzecz medycyny. Początkowo działalność Zespołu koncentrowała się wokół opracowań związanych z diagnostyką neurochirurgiczną opartą na badaniach przebiegu fali ciśnienia wewnątrzczaszkowego. Ten temat został rozwinięty w takiej skali, że z wyników korzystają najlepsze kliniki na świecie. Drugim obszarem, w którym dorobek Zespołu jest znaczący i doceniany przez środowisko medyczne są badania nad modelowaniem i analizą sygnałów w laryngologii. Zaprezentowane w niniejszym wydaniu czasopisma artykuły dotyczą nowatorskich opracowań w zakresie badania zmysłu smaku (elektrogustometria) i monitorowania oddechu u alergików. Są to opracowania będące w fazie inżynierskiej lub na początkowym etapie prób klinicznych. Dobry odbiór wyników pracy ze strony partnerów medycznych jest silną motywacją do rozwijania tych tematów. Przedstawiono także bardzo ważną i obiecującą pracę wykonaną wspólnie przez Zespół Aparatury Biocybernetycznej i Zakład Elektroniki Jądrowej i Medycznej, dotyczącą analizy sygnału elektrohisterograficznego. Partnerem medycznym jest Katedra i Klinika Zdrowia Matki i Dziecka AM w Poznaniu. Jest to dobry przykład połączenia wysiłków kilku partnerów w rozwiązaniu tak ważnego problemu, jakim jest zapobieganie porodowi przedwczesnemu. Inżynieria Biomedyczna na Wydziale Mechatroniki W końcu roku 1970, o czym wspomniano już wcześniej, w wyniku reorganizacji większa część Katedry Budowy Aparatów Elektromedycznych z Wydziału Elektroniki została przeniesiona, jako Zespół Elektronicznej Aparatury Medycznej kierowany przez doc. S. Nowosielskiego, do nowo powstałego Instytutu Budowy Sprzętu Precyzyjnego i Elektronicznego na nowym Wydziale Mechaniki Precyzyjnej, później przekształconym Elektronika 4/

5 na Wydział Mechatroniki (1996). Od 1974 r. zespół ten był kierowany przez doc. G. Pawlickiego, a w 1976 r. został przekształcony na Zespół Inżynierii Biomedycznej. Od początku istnienia Instytutu w Zespole tym były prowadzone prace z zakresu stereoskopii rentgenowskiej (doc. S. Nowosielski, mgr inż. J. Siwiński) oraz z zakresu aparatury do badań psychotechnicznych (mgr inż. Barbara Szturma-Burzyńska), a także aparatury do monitorowania szpitalnego. Już na początku 1971 r. wpłynęło zamówienie z Ministerstwa Zdrowia i Opieki Społecznej na 30 kardiotachomonitorów, wcześniej opracowanych i opatentowanych przez zespół: Pałko, Keller, Kwoczyński. Zamówienie to zostało w latach zrealizowane z pełnym powodzeniem. Również w tym czasie opracowano wielokanałowy monitor EKG oparty na rasterze TV, wdrożony do produkcji w Śląskim Ośrodku Techniki Medycznej w Zabrzu. W ramach doktoratu T. Pałko opracował oryginalny i pierwszy w Polsce system komputerowy do oznaczania rzutu minutowego serca w oparciu o metodę termodylucji, za co uzyskał Nagrodę Ministra Zdrowia I stopnia i następnie drugą nagrodę IV Wydziału PAN. W tym czasie w Instytucie opracowano także aparaturę do pomiarów małych aktywności niskoenergetycznego promieniowania, mostek do pomiaru impedancji akustycznej ucha, a następnie aparaturę unikatową do telestymulacji mięśni i nerwów (mgr inż. F. Białokoz, dr T. Koźniewski, doc. G. Pawlicki) wykorzystywaną w Centrum Rehabilitacji w Konstancinie. Za wyniki w pracy nad analizatorem arteriosklerozy zespół G. Pawlicki, J. Siwiński T. Pałko, K. Kałużyński i inni uzyskali Nagrodę Ministra Szkolnictwa Wyższego i Nauki I stopnia. Dużym osiągnięciem Zespołu Inżynierii Biomedycznej było opracowanie pod koniec lat 70. pod kierunkiem doc. G. Pawlickiego, systemu aparaturowego do badań psychologicznych kierowców i kandydatów na kierowców. Zainicjowane przez dra T. Pałko i dra G. Pawlickiego w 1975 r. pierwsze w kraju prace z zakresu reografii impedancyjnej zaowocowały nowymi opracowaniami metod i urządzeń do badania centralnego, obwodowego i mózgowego krążenia krwi. W wyniku prac konstrukcyjnych związanych z tą tematyką wykonano wiele reografów na indywidualne zamówienia szpitali i innych placówek ochrony zdrowia, wyposażając je w tę specjalistyczną aparaturę (około 40 różnego rodzaju reografów). W wyniku prac badawczych z zakresu reografii impedancyjnej wykonano dwie prace habilitacyjne i dwie doktorskie, a także wiele publikacji w czasopismach krajowych i zagranicznych oraz wdrożono trzy patenty zastosowane w produkcji urządzeń. Wyodrębniony w Instytucie w 1970 r. Zespół Elektroniki zajmował się również elektroniką medyczną, m.in. przy wdrażaniu pierwszych modeli kardiotachomonitorów, a kilka lat później przy wdrażaniu metod i aparatury do pomiarów elektroimpedancji tkanek. Prowadzono tu również prace z zakresu przetwarzania i transmisji sygnału EKG przez radio i telefon, a także z zakresu elektromagnetycznej metody przepływu krwi. W ostatnich latach udział tematyki z zakresu elektroniki medycznej stale wzrasta, zwłaszcza po objęciu kierownictwa Zakładu Elektroniki Przemysłowej przez prof. T. Pałko (1994) i po przekształceniu go w Zakład Elektroniki Medycznej i Przemysłowej (1996), kierowany od 2007 r. przez prof. K. Lewensteina. W 1992 r. Instytut Budowy Sprzętu Precyzyjnego i Elektronicznego w wyniku przekształceń przyjął obecną nazwę Instytut Inżynierii Precyzyjnej i Biomedycznej. W skład Instytutu od wielu lat wchodzą trzy zakłady naukowo-badawcze: 1) Elektroniki Medycznej i Przemysłowej, 2) Inżynierii Biomedycznej oraz 3) Technologii Wyrobów Precyzyjnych i Elektronicznych. Wiodąca kadra to dwóch profesorów tytularnych, 5 profesorów uczelnianych ze stopniem doktora habilitowanego oraz 18 doktorów na stanowiskach adiunktów lub starszych wykładowców i około 20 doktorantów. Kadrę pomocniczą stanowi dodatkowo 15 osób. W pozostałych trzech instytutach Wydziału Mechatroniki również są zatrudnieni profesorowie i inni pracownicy naukowo-dydaktyczni zajmujący się zagadnieniami techniki medycznej. Łączny potencjał kadrowy omawianego Instytutu, wspomagany przez inne instytuty wydziałowe, umożliwił Wydziałowi Mechatroniki jako pierwszemu w Polsce wydziałowi uczelnianemu uzyskanie prawa doktoryzowania (od 1996 r.) i habilitowania (od 2002 r.) w dyscyplinie Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna. Działalność naukowo-badawcza Instytutu w zakresie Inżynierii Biomedycznej jest obecnie prowadzona w następujących grupach tematycznych: 1) Metody i Urządzenia do Pomiaru i Rejestracji Sygnałów Biologicznych: przetwarzanie sygnałów elektro- i magnetograficznych (EKG, ENG, EEG.MEG) badania bioimpedancji (reokardiografia, reoangiografia) spektrometria impedancyjna analiza widmowa sygnałów biologicznych, zwłaszcza ultradźwiękowych dopplerowskich do diagnostyki naczyń krwionośnych biomagnetyzm monitorowanie ruchów płodu metodą ultradźwiękową dopplerowską gazometria krwi i gazów oddechowych 2) Metody i Aparatura do Obrazowania Struktur Tkankowych: techniki rekonstrukcji i analizy obrazów medycznych aparatura rentgenowska aparatura ultradźwiękowa metody badania układu nerwowego detektory promieniowania jonizującego, dozymetria i ochrona radiologiczna 3) Inżynieria rehabilitacyjna: instrumentalne metody rehabilitacji techniki stymulacji funkcjonalnej mięśni i nerwów 4) Elektroniczne Systemy Sterowania, Modelowania i Analizy Wybranych Procesów i Sygnałów Biologicznych: systemy ekspertowe i sieci neuronowe w analizie sygnałów, algorytmy działania elektronicznych systemów sterujących urządzeniami technologicznymi i biomedycznymi, w tym obrazów medycznych sensory i systemy przetwarzania sygnałów Obecnie podstawowe zagadnienia naukowe rozwijane w Instytucie z zakresu inżynierii biomedycznej są następujące: badania elektrycznych i magnetycznych właściwości tkanek (reokardiografia, reoencefalografia, spektrometria impedancyjna, a także magnetometria) oksymetria i kapnometria krwi oraz gazów oddechowych modelowanie i przetwarzanie sygnałów bioelektrycznych ultradźwiękowe techniki w zastosowaniach medycznych do badania stanu narządów, naczyń, krwi i płynów biologicznych, a także ruchów płodu analiza cech sygnałów biologicznych za pomocą komputerowych systemów ekspertowych i sieci neuronowych rejestracja i analiza sygnałów przy wykorzystaniu telematyki metody multimodalnego obrazowania struktur tkankowych i analizy obrazów opracowywanie i badania generatorów rentgenowskich wielkiej częstotliwości małej mocy stymulacja funkcjonalna mięśni i nerwów instrumentalne metody rehabilitacji i terapii modelowanie czynności układu krążenia i układu oddychania medyczne zastosowania promieniowania jonizującego. 104 Elektronika 4/2008

6 Wyróżniona tematyka jest prowadzona i rozwijana głównie w dwóch zakładach: w Zakładzie Inżynierii Biomedycznej kierowanym od 2007 r. przez prof. Krzysztofa Kałużyńskiego i we wspomnianym już Zakładzie Elektroniki Medycznej i Przemysłowej. Obiecujące prace badawcze z zakresu techniki ultradźwiękowej prowadzone są obecnie w trzech obszarach: elastografii ultradźwiękowej, wykorzystaniu metody dopplerowskiej i analizy sygnałów do oceny aktywności ruchowej płodu oraz detekcji i estymacji rozmiarów elementów embolizujących obecnych we krwi. Obejmują działania, takie jak opracowywanie metod pomiarowych, budowa aparatury, budowa modeli fizycznych, badania aplikacyjne. Opracowano metodę oceny aktywności ruchowej płodu na podstawie analizy sygnałów dopplerowskich powodowanych przez ruchy struktur ciała płodu. Bardzo interesująco zapowiadają się prace zarówno w zakresie zastosowań kardiologicznych elastografii (zbudowano unikalne modele fizyczne serca i stanowisko badawcze), jak i estymacji rozmiarów elementów embolizujących (opracowano teoretyczny model zjawiska pozwalający na optymalizację warunków badania). Wyposażenie nowego Laboratorium Techniki Ultradźwiękowej w Zastosowaniach Medycznych obejmuje stanowiska do symulacji przepływów w modelach fragmentów układu krążenia, do badań elastograficznych w warunkach odkształceń statycznych oraz dynamicznych, w tym otwarty ultrasonograf, systemy akwizycji sygnałów i obrazów. Laboratorium współpracuje z Instytutem Kardiologii w Aninie, II Kliniką Ginekologii i Położnictwa Akademii Medycznej w Warszawie, University of Applied Sciences w Monachium, Ruhr Universitaet w Bochum oraz Katholieke Universitaet w Leuven. Ważne prace badawcze z zakresu radiologii są ukierunkowane głównie na dozymetrię promieniowania mieszanego. Z tego zakresu m.in. opracowano i wdrożono detektory i metody do pomiaru dawki neutronowej przy akceleratorach medycznych oraz detektory do charakteryzacji i monitorowania wiązek do terapii borowo-neutronowej. Powstały też dwie prace doktorskie. Z zakresu elektroniki i informatyki medycznej na szczególną uwagę zasługują badania elektrycznych i magnetycznych właściwości tkanek, nowe konstrukcje aparatury oraz prace badawcze nad wykorzystaniem sztucznej inteligencji (sieci neuronalne, zbiory rozmyte, metody statystyczne) do diagnostyki medycznej, zwłaszcza do wykrywania choroby niedokrwiennej serca oraz do wspomagania wykrywania uzależnienia alkoholowego. W Zakładzie Technologii Wyrobów Precyzyjnych i Elektronicznych (kierownik prof. D. Biało) rozwiązywane są głównie problemy technologiczne, ale prowadzone są również prace z zakresu inżynierii biomedycznej, m.in. skonstruowano i wdrożono stereotaktyczny manipulator do usprawniania operacji wykonywanych metodą laparoskopową wewnątrz jamy brzusznej. Najważniejsze osiągnięcia praktyczne Instytutu w ostatnim dziesięcioleciu, polegające na opracowaniu, wykonywaniu i wdrożeniu do praktyki medycznej oryginalnych i nowoczesnych urządzeń do pomiarów medycznych, są następujące: 1. Konstrukcje pierwszych polskich specjalizowanych spektrometrów impedancyjnych do pomiaru impedancji zespolonej (moduł i kąt przesunięcia fazowego) dla wybranych obszarów tkankowych lub segmentów ciała w zakresie częstotliwości 1, khz, a następnie khz, przeznaczonych do badań podstawowych (biologia komórkowa, biotechnologie) i do prac klinicznych. 2. Konstrukcja ultradźwiękowego systemu pomiarowego do oceny aktywności ruchowej płodu z nowatorską metodą analizy sygnału. 3. Opracowanie cyfrowych reografów impedancyjnych nowej generacji do współpracy z komputerami typu PC dodatkowy efekt projektu CAVASCREEN z programu EUREKA E!2939 w latach Wymienione urządzenia i metody badań klinicznych były opracowane w ścisłej współpracy z placówkami medycznymi, a zwłaszcza z Centrum Medycznym Kształcenia Podyplomowego i z Akademią Medyczną w Warszawie oraz z Instytutem Kardiologii w Aninie. Na szczególne wyróżnienie zasługują prace badawcze z zakresu przetwarzania i analizy obrazów wielomodalnych (grant rządu szwajcarskiego kierownik K. Mikołajczyk). Prace te w formie pakietów programowych zostały wdrożone i skomercjalizowane wspólnie z Uniwersytetem w Zurychu (umowa międzynarodowa). Duże też nadzieje praktycznych zastosowań stwarzają prace naukowo-badawcze, prowadzone obecnie w Instytucie w ramach grantów MNiSW w zakresie: elastografii serca; wizualizacji preparatów histologicznych w świetle spolaryzowanym w celu wykrywania wczesnego stadium nowotworów (współpraca z Uniwersytetem w Czerniowcach na Ukrainie); nieinwazyjnego wspomagania krążenia krwi metodą kontr pulsacji (współpraca z IIPiB-PAN). Należy też dodać, że w ramach działalności dydaktycznej z zakresu inżynierii biomedycznej Instytut prowadzi obecnie specjalność Urządzenia Elektromedyczne w ramach nowego kierunku kształcenia Mechatronika oraz bierze udział we wdrażaniu nowego kierunku Inżynieria Biomedyczna w ramach studiów międzywydziałowych prowadzonych głównie przez dwa Wydziały: Mechatroniki oraz Elektroniki i Technik Informacyjnych. Należy zaznaczyć, że Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej jako jedyny obecnie Wydział uczelniany ma pełne prawa akademickie w inżynierii biomedycznej, tzn. ma uprawnienia do prowadzenia tego kierunku na trzech stopniach kształcenia (inżynierskim, magisterskim i doktoranckim) oraz doktoryzowania i habilitowania w tej dyscyplinie. W Instytucie w ciągu ponad 35 lat działalności wypromowano około 750 absolwentów na poziomie magisterskim, 25 doktorów, 3 doktorów habilitowanych z zakresu inżynierii biomedycznej. Absolwenci tej dyscypliny, a zwłaszcza doktorzy, są poszukiwanymi specjalistami, zatrudnianymi w instytutach naukowych w placówkach ochrony zdrowia, a także w przemyśle medycznym. Literatura [1] Drozd Z., Pałko T.: Instytut Inżynierii Precyzyjnej i Biomedycznej. Mechatronika wczoraj i dziś; 35-lecie Wydziału. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1997, ss [2] Pałko T.: Systemy i programy kształcenia w zakresie inżynierii biomedycznej. Krakowskie Warsztaty Inżynierii Medycznej; Referaty. Kraków , ss [3] Pałko T.: Rozwój techniki medycznej (biopomiary) w Instytucie Inżynierii Precyzyjnej i Biomedycznej Politechniki Warszawskiej. PAK, 7/2001, ss [4] Pawlicki W.G., Pałko T.: Rola techniki w medycynie i kształcenie kadr. Mat. konf. Potrzeby służby zdrowia w zakresie techniki medycznej, Warszawa, , 41, ss [5] Pałko T., Golnik N., Pawlicki G., Pawłowski Z.: Education on Biomedical Engineering at Warsaw University of Technology. Polish Journal of Medical Physics and Biomedical Engineering, 8, 2, 2002, pp [6] Zaremba K., Cichocki J. (ed.): XXXV lat Instytutu Radioelektroniki, czyli w dekadę po ćwierćwieczu. Wyd. wewn., Warszawa 2005, ss Elektronika 4/