تهران- ایرنا- فراخوان «توسعه دانش فنی و پیاده سازی نرم افزار جبران تغییرفرم بافت مغز در سامانه های راهبری جراحی مغز و اعصاب مبتنی بر انطباق تصاویر اولتراسوند حین عمل و MRI پیش از عمل» از سوی بنیاد ملی علم ایران در قالب برنامه حمایت از پژوهش عمیق شرکت‌های دانش‌بنیان منتشر شد.
به گزارش روز دوشنبه گروه علمی ایرنا از بنیاد ملی علم ایران، جراحی تومورهای مغزی از جمله مداخلات پیچیده‌ای است که نیازمند دقت بالا در تعیین موقعیت تومور و مرز آن با بافت سالم است. سامانه‌های راهبری جراحی با استفاده از تصاویر MRI پیش از عمل، نقش مهمی در برنامه‌ریزی و هدایت جراح، به‌ویژه در نمونه‌برداری و برداشت تومورهای کوچک و عمقی دارند. بااین‌حال، پس از باز شدن جمجمه و در طول جراحی، بافت مغز تحت تأثیر عواملی مانند نشت مایع مغزی، جاذبه و برداشت بافت دچار جابه‌جایی یا تغییر فرم مغز (Brain Shift) می‌شود. این جابه‌جایی که در برخی موارد می‌تواند به چندین سانتی‌متر برسد، موجب کاهش تطابق تصاویر پیش از عمل با وضعیت واقعی مغز و افت دقت سامانه‌های راهبری می‌شود.
در این طرح، یک پلتفرم هوشمند برای جبران خودکار تغییر فرم مغز و به‌روزرسانی تصاویر MRI بر اساس داده‌های سونوگرافی حین عمل توسعه خواهد یافت. با بهره‌گیری از روش‌های پیشرفته پردازش تصویر و شبکه‌های عصبی عمیق، سامانه قادر خواهد بود اطلاعات MRI را با شرایط واقعی مغز در حین جراحی منطبق کند. همچنین، تحلیل تصاویر سونوگرافی و تفکیک تومور از بافت سالم می‌تواند به برداشت دقیق‌تر تومور، کاهش آسیب به بافت‌های حیاتی و کاهش احتمال عود کمک کند. انتظار می‌رود این فناوری ضمن ارتقای عملکرد سامانه‌های راهبری جراحی، زمینه توسعه محصول، افزایش توان رقابتی و تجاری‌سازی آن در مراکز پیشرفته جراحی مغز و اعصاب را فراهم سازد.
مشروح مسئله پژوهشی
سامانه‌های متداول هدایت جراحی مغز و اعصاب، مبنای محاسباتی خود را بر فرض صلب بودن ساختار جمجمه و انطباق پایدار داده‌های پیش از عمل با آناتومی واقعی بیمار بنا نهاده‌اند؛ فرضی که پس از انجام برش کرانیوتومی و گشوده شدن سخت‌شامه، به‌دلیل تخلیه مایع مغزی- نخاعی، اثر جاذبه، تغییرات همودینامیک و کاهش فشار درون‌جمجمه‌ای نقض می‌شود. در این مرحله، بافت مغز دچار جابه‌جایی و فرونشست ناهمگن و غیر خطی در بازه‌ای بین ۵ تا ۲۵ میلی‌متر می‌گردد که این ناهمخوانی هندسی میان تصاویر تشخیصی باکیفیت MRI و پیکربندی لحظه‌ای بافت، مستقیماً به اُفت دقت ناوبری و تهدید مرزهای ایمن در دستیابی به حداکثر میزان برداشت تومور می‌انجامد. برای مهار این چالش، به‌روزرسانی برخط تصاویر تشخیصی با تکیه بر سونوگرافی سه‌بُعدی درون‌جراحی به‌عنوان راهکاری در دسترس و ایمن مطرح شده است؛ بااین‌حال، تفاوت‌های بنیادین در فیزیک تشکیل تصویر، وجود نویزهای دانه‌ای و آرتیفکت‌های صوتی، میدان دید محدود و اُفت کنتراست در سونوگرافی، فرایند تطبیق و هم‌پوشانی را با موانع اساسی روبه‌رو می‌سازد.
مسئله‌محوری این پژوهش از منظر ریاضی، حل یک مسئله معکوس بدحالت (Inverse Ill-posed Problem) برای کشف و برآورد میدان برداری تغییر شکل سه‌بُعدی است؛ نگاشتی فضایی که بتواند مختصات آناتومیک موجود در تصویر MRI پیش از عمل را به فضای تغییریافته سونوگرافی حین‌عمل پیوند بزند. این چالش صرفاً به هم‌پوشانی بصری یا ترازسازی خطی محدود نمی‌شود، بلکه میدان تغییر شکل تخمین‌زده شده باید واجد پیوستگی فضایی، همسانی توپولوژیک و فاقد هرگونه تاخوردگی غیر فیزیکی یا اعوجاج ساختگی باشد تا هندسه کانتورهای حیاتی نظیر کپسول داخلی، عروق عمقی، ساقه مغز و حواشی تومور به‌درستی حفظ شوند. از سوی دیگر، با توجه به اثرگذاری مستقیم ابعاد و موقعیت تومور، میزان برداشت بافت، مرحله عمل و تفاوت‌های فیزیولوژیک فردی بر الگوی جابه‌جایی مغز، این نگاشت نیازمند پایداری و تعمیم‌پذیری بالا است؛ ضمن آنکه حفظ توازن دقیق میان دقت زیاد و زمان پردازش اندک، شرط تحقق‌پذیری بالینی آن در جریان پیوسته جراحی خواهد بود.
خروجی این طرح با ارتقای سطح آمادگی فناوری به تراز ۶ و پیاده‌سازی آزمایشی در محیط بالینی، جایگاه مؤثری را در سراسر زنجیره ارزش تجهیزات پزشکی پوشش می‌دهد.
چالش‌های کلیدی نیاز فناورانه
در مدالیته‌های تصویربرداری میان MRI و سونوگرافی شکاف بنیادینی وجود دارد.
ماهیت ناپایدار و غیر خطی پدیده «Brain Shift» مربوط می‌شود که تحت تأثیر متغیرهای محیطی نظیر تخلیه مایع مغزی- نخاعی، اثر جاذبه و نحوه برداشت تومور، رفتاری به‌شدت پویا از خود نشان می‌دهد.
توسعه الگوریتم‌های منعطف جهت تعمیم‌پذیری
گام‌های پژوهشی و الزامات طرح
گام اول: مرور ادبیات، طراحی پروتکل تحقیق و آماده‌سازی داده‌های پایه
این فاز شامل بررسی دقیق بنچ‌مارک‌های بین‌المللی، جمع‌آوری دیتاست‌های مورد نیاز جهت آموزش مدل‌های یادگیری عمیق، تحلیل مقالات و متدولوژی‌های روز، تدوین پروتکل هماهنگ تصویربرداری و اخذ تأییدیه کمیته اخلاق جهت انجام تست‌های بالینی است. خروجی این فاز تدوین سند معماری سیستم، پروتکل جمع‌آوری داده و تهیه دیتاست پیش‌پردازش‌شده جهت بنچ‌مارک اولیه و مجوز انجام تست‌های بالینی خواهد بود.
گام دوم: پیش‌پردازش تصاویر اولتراسوند، بازسازی سه‌بعدی و بخش‌بندی باقیمانده تومور
تمرکز این مرحله بر پیاده‌سازی پروتکل‌های پردازش و بهبود کیفیت تصاویر سونوگرافی، بازسازی سه‌بُعدی تصاویر اولتراسوند و توسعه مدل هوش مصنوعی برای بخش‌بندی است. با توجه به نیاز مهم جراح برای افتراق مرز تومور باقیمانده و بافت سالم، بخش‌بندی تصاویر اولتراسوند در سه کلاس تومور، فضای خالی ناشی از تخلیه تومور (Cavity) و بافت سالم مغز است. بخش‌بندی و بازسازی تصاویر در فرایند انطباق، ارزیابی و نمایش میدان تغییر شکل نقش کلیدی خواهند داشت.
گام سوم: انطباق صلب تصاویر اولتراسوند و MRI
هدف عملیاتی این فاز، پالایش انطباق اولیه میان فضای تصاویر MRI و اولتراسوند (iUS) است تا با حذف نویزهای سیستمی ناشی از خطاهای احتمالی کالیبراسیون پروب، خطاهای ردیابی و کالیبراسیون دستگاه، یک بستر دقیق و قابل‌اطمینان فراهم شود. در این مرحله، با طراحی یک الگوریتم انطباق صلب ۶ درجه آزادی (DOF-۶)، تمامی خطاهای تجمعی ناشی از مراحل قبلی خنثی می‌شود؛ به‌گونه‌ای که پس از این مرحله، هرگونه خطای باقیمانده به‌طور خالص به ماهیت تغییرشکل (Deformation) بافت مغز منتسب شده و بستری استاندارد و ایزوله برای ورود به محاسبات غیرصلب در فاز بعدی فراهم می‌شود.
گام چهارم: جبران تغییرفرم غیر خطی بافت (Non-rigid) و ادغام تصاویر
این گام به برآورد فرونشست و کشیدگی غیر یکنواخت بافت مغز با روش‌های مبتنی‌بر یادگیری عمیق یا الاستیک می‌پردازد تا ضمن جلوگیری از اعوجاج‌های غیر فیزیکی، ماژول انطباق غیر صلب و سیستم ادغام داده‌ها با کنترل شفافیت برای جراح توسعه یابد.
گام پنجم: بهینه‌سازی محاسباتی الگوریتم‌های توسعه‌یافته
در این فاز، کاهش زمان استنتاج و سبک‌سازی مدل‌های محاسباتی به‌منظور انطباق با محدودیت‌های ضرباهنگ اتاق عمل (بدون اُفت دقت) پیگیری می‌شود و خروجی آن، نسخه بهینه‌شده و شتاب‌یافته ماژول‌ها به همراه گزارش آزمون سرعت و مصرف منابع خواهد بود.
گام ششم: توسعه نرم‌افزار و رابط کاربری بالینی (GUI)
طراحی ساختار ماژولار و رابط کاربری ارگونومیک با رعایت اصول عمومی استانداردهای نرم‌افزار پزشکی (مشابه IEC ۶۲۳۰۴ و ISO ۶۲۳۶۶) در این مرحله انجام می‌شود تا بستری یکپارچه شامل بخش‌های پردازش و نمایش تعاملی برای اتصال به سیستم‌های راهبری جراحی فراهم شود.
گام هفتم: جمع‌آوری داده‌های بالینی، حاشیه‌نویسی و ارزیابی
این گام شامل اخذ تصاویر جراحی واقعی، نشانه‌گذاری نقاط مبنا (Landmarks) توسط متخصصین جهت تعیین شاخص‌های TRE و اعتبارسنجی میزان جبران جابه‌جایی بافت است که خروجی آن ایجاد دیتاست بالینی بومی و گزارش کامل کارایی الگوریتم بر روی بیماران واقعی خواهد بود. بخش‌بندی تومور و مرزهای آن نیز را می‌توان به عنوان ملاک‌های ارزیابی درنظر گرفت.
گام هشتم: تحلیل نتایج، تجمیع مستندات و تدوین گزارش نهایی
در مرحله پایانی، جمع‌بندی آماری شاخص‌های دقت و سرعت صورت می‌گیرد تا ضمن تهیه پرونده فنی با ساختار مهندسی پزشکی جهت تسهیل توسعه‌های آتی، گزارش نهایی جامع پروژه پژوهشی تدوین و ارائه شود.
خروجی‌های مورد انتظار
خروجی بنیادین این طرح، توسعه، پیاده‌سازی و اعتبارسنجی بالینی یک ماژول نرم‌افزاری تخصصی برای سامانه راهبری جراحی مغز و اعصاب است. این ماژول با هم‌راستاسازی تصاویر MRI پیش از عمل و تصاویر اولتراسوند حین عمل (iUS)، خطای ناشی از جابه‌جایی و جابجایی بافت مغز (Brain Shift) را جبران کرده و دقت راهبری جراحی را در طول عمل به‌روزرسانی می‌نماید.
تسهیم مالکیت
مالکیت معنوی؛ مجری در مالکیت معنوی ناشی از اجرای پژوهش سهیم خواهد بود. انتشار مقاله مشترک بین مجری و متقاضی در ژورنال‌های داخلی و خارجی و ارائه مقاله در کنفرانس‌ها و سمینارها با موافقت و ذکر نام همه دست‌اندرکاران مجاز خواهد بود.
مالکیت منافع مادی؛ مالکیت مادی و منافع حاصل از دستاوردهای طرح در ابتدا، به نسبت مشارکت مالی بنیاد و شرکت متقاضی تسهیم می‌شود. پس از مرحله تجاری‌سازی، کلیه حقوق و مالکیت مادی مذکور به‌طور کامل متعلق به شرکت خواهد شد. ضمناً، شرکت متقاضی مجاز است براساس توافق فی‌مابین، بخشی از منافع سهم خود را به مجری اختصاص دهد.
نحوه پذیرش
پذیرش طرح‌ها به‌صورت رقابتی انجام می‌شود و پروپوزال‌های ارسالی از طریق سامانه کایپر، براساس شاخص‌های زیر اولویت‌بندی خواهند شد:
تسلط علمی و جامعیت تخصصی افراد تیم پیشنهادی در حوزه‌های مرتبط
انطباق زمان‌بندی، بودجه‌بندی و شرح خدمات با اهداف و نیازهای پژوهش مورد تقاضا
بهره‌مندی از زیرساخت و تجهیزات مورد نیاز
پروپوزال طبق فرمت پیشنهادی بنیاد تهیه و از طریق سامانه کایپر ارسال شده باشد.
فونت حروف و اعداد فارسی B Nazanin و اندازه قلم ۱۳ و فونت حروف و اعداد انگلیسی Times New Roman و اندازه قلم ۱۱ باشد.
هزینه‌های قابل قبول
هزینه‌های طرح می‌بایست با ارائه مستندات شفاف در پروپوزال آورده شود:
حق التحقیق نیروی انسانی
خرید مواد مصرفی مورد نیاز
هزینه برون‌سپاری خدمات
حوزه‌های اولویت‌دار
مهندسی پزشکی
مهندسی برق
مهندسی کامپیوتر
تصویربرداری پزشکی
رادیولوژی
جراحی مغز و اعصاب
واجدین شرایط
پژوهشگر اصلی تیم لازم است عضو هیئت‌علمی فعال یکی از دانشگاه‌ها و مؤسسات آموزش عالی کشور باشد. پس از دریافت پروپوزال از طریق سامانه، ارزیابی انجام گرفته و در صورت کسب امتیاز بالا، تیم برگزیده جهت مذاکره با بنیاد و شرکت متقاضی دعوت خواهد شد.
فایل‌های پیوست
فرم درخواست پیشنهاده (پروپوزال)
متن فراخوان
تاریخ فراخوان
شایان ذکر است که مهلت ثبت این پیشنهاده، تاریخ اعلام شده در فراخوان بوده و پیشنهادههایی که پس از این تاریخ ثبت شوند مورد بررسی قرار نخواهند گرفت.
مبلغ حمایت
پژوهش پیشنهاد شده تا سقف ۸۰ درصد توسط بنیاد ملی علم ایران حمایت خواهد شد. بدیهی است که مابقی هزینه‌ها توسط شرکت متقاضی پژوهش تأمین خواهد شد. بالاسری محل خدمت پژوهشگر به صورت مجزا توسط شرکت متقاضی پرداخت خواهد شد.
شیوه ثبت‌نام و ارسال درخواست
متقاضیان جهت ثبت‌نام میتوانند به سامانه کایپر مراجعه و از طریق بخش متقاضیان/ پژوهشگران اقدام کنند و در صورتی‌که در این سامانه پروفایل مشخصات فردی ندارند ابتدا ثبت‌نام کرده و سپس به وسیله نام کاربری (Email) و رمز عبور اعطا شده وارد سامانه شوند. پس از ورود در بخش ارسال طرح جدید میتوانند از کارتابل پژوهش عمیق شرکت‌های دانش‌بنیان، طرح خود را ارسال کنند.
کارشناس پاسخگو
پژوهشگران پس از مطالعه توضیحات فراخوان و آییننامههای مربوطه در پورتال بنیاد علم، در صورت داشتن هرگونه ابهام یا سؤال در خصوص فرایند ارسال طرح، شرایط و محتوای علمی فراخوان میتوانند از پروفایل خود در سامانه کایپر با کارگروه دانش‌بنیان از طریق تیکیت، یا با ایمیل hatamkhani.a@insf.org سؤالات خود را مطرح کنند و یا با شماره تلفن ۰۲۱۸۲۱۶۱۱۵۰ تماس بگیرند.