Tallinna tehnikaülikooli infotehnoloogia teaduskonna Thomas Johann Seebecki elektroonikainstituudi siduselektroonika teaduslabori juhtivteadur professor Mart Min tutvustab, millega hakkab tegelema loodav tuumiklabor.

Mart Min on koos Tõravere teadlastega aidanud arendada mõõteseadmeid sputnikule Saljut ja kosmosejaamale Mir, samuti kasutatakse tema väljatöötatud lahendusi paljudes südamestimulaatorites.

Praegu katsetakse Mart Mini uudset meetodit südames tsentraalse vererõhu muutuste määramiseks ilma vaevalise operatsioonita Ida-Tallinna keskhaiglas. Kõige uuemaks töölõiguks on kujunenud mikrovedelikega töötavate kiiplaborite loomine haigusttekitavate bakterite ja viiruste avastamiseks.

Olete viimased paar aastakümmet tegelnud elektroonilist impulssi ja bioloogilist kude ühendavate lahendustega.

Mart Min: Vastab tõele, et olen üritanud leida võimalikult efektiivseid koostöölahendusi tehislikele süsteemidele, püüdnud peamiselt spetsiaalsesse spektroskoopia valdkonda kuuluva bioimpedantsi mõõtmist ühendada bioloogilise koega. Kõike seda ikka selleks, et inimene ennast paremini tunneks ja oma puudustest, kui need on tekkinud, jagu saaks.

Palun selgitage lähemalt, mis on impedantsspektroskoopia. Näiteks Vikipeedias on selgituseks, et tegu on näivtakistusega. Kas olete nõus?

Ei, ei ole, pigem on tegu täistakistusega. Termin on pärit algselt elektrotehnikast, kus on kasutusel näivvõimsus ja kasulik aktiivvõimsus, kusjuures näivvõimsus on seotud elektrienergia kasutamata jäämisega. Näiteks kui vahelduvvool liigub läbi ülekandeliinide, siis osa võimsusest kaob juhtmete ja maa vahelise mahtuvuse kaudu ning tekib faasinihe elektrivoolu ja -pinge vahel.

Sellel eelneval on impedantsspektroskoopiaga pelgalt matemaatiline (kaudselt siiski ka füüsikaline lähedus), kuid mitte sisuline side. Impedantsi puhul mõõdame bioloogilise koe tõkestavat vastumõju seda läbivale elektroonilise impulsi tekitatud elektrivoolule. Selle vastumõju mõõt ongi bioimpedants, mis kajastab bioloogiliste kudede omadusi, täpsemalt, kudedes toimuvaid muutusi. Rakendatava impulsi ja selle poolt esile kutsutava voolu vahel tekib impedantsi tõttu nii faasinihe kui ka signaali sumbuvus. Matemaatiliselt saame kompleksvõrrandi, millel on reaalosa ja imaginaarosa. Rakendades vahelduvaid elektrisignaale laias sagedusvahemikus saame impedantsi spektri sarnaselt nähtava valguse vallast tuntud vikerkaarega. Impedantsi saab kasutada mujalgi, mitte ainult eluslooduse tundmaõppimisel, näiteks saab ka uusi tehismaterjale uurida impedants­spektroskoopia abil.

Palun rääkige ka oma senisest teadusteest.

Olen kogu elu olnud pigem rakendaja kui alusteadlane. Pärast koduülikooli TTÜ lõpetamist veel eelmise riigikorra ajal oli minu peamine tegevus seotud elektroonika ja raadiotehnoloogia ettevõttega Punane RET. Juba nõukogude ajal töötasime välja tehnoloogiaid ja (peamiselt) sidemõõtmisvahendeid, mida patentisime kümnes juhtivas tööstusriigis. Muu seas arendasime Tõravere teadlaste kutsel ka mõõteseadmeid, mis baseerusid valgusspektroskoopial – infrapunasest kuni ultravioletspektroskoopiani – sputnikule Saljut ja kosmosejaamale Mir. Meie osa oli sensorsüsteemide juhtelektroonika väljatöötamine.

Pärast nõukogude aja lõppu sattus kogu ühiskond, aga eriti teadlased, eksistentsiaalsete probleemide rägastikku: kuidas leida vahendeid edasiseks eksistentsiks? Kuidagi loomuldasa toimus lähenemine meditsiiniteadlastele, tekkis küsimus, kas meie väljatöötatud arendusi ei saaks kasutada meditsiinitehnoloogias. Kuni sattusime väga huvitava, juba toona Euroopa Liidu rahastatava projekti juurde – mis sest, et riigina oli Eesti sellest ühendusest veel kaunis kaugel. Teemaks olid südamestimulaatorid. Mind viis selle projekti juurde kolleegist akadeemik Raimund Ubar, kel oli juba toona laialdasi rahvusvahelisi sidemeid.

Siis puutusingi esimest korda kokku hägusloogika ja häguskontrolliga, sest südamestimulaatorite töö on just selline, et seda ei saa range lineaarsusega korraldada, sest selle tööd mõjutavad üheaegselt kümned komponendid: erinevad koormused, tarvidus energia järele, psühhofüsioloogilised impulsid, vererõhu muutused, hapniku manustamise võime jne. Siis tekkis ka esimest korda hüpotees, et südametalitluse juhtimiseks ja kontrolliks saab ehk kasutada impedantsspektroskoopiat. Olulist osa mängis selles ka kohtumine ühel konverentsil Budapestis hägusloogikale aluse pannud professor Zadehiga.

Millest rääkisite?

Meie kohtumine toimus konverentsi lõpupoole. Põgusas vestluses kaitses professor Lotfi A. Zadeh oma maailmavaadet ja hägusloogika järgi käitumist, Ta selgitas mulle, et kui sa nüüd tahad lennujaama jõudmiseks võtta aluseks teekonna matemaatilise mudeli, siis peaksid koostama diferentsiaalvõrrandi, kus võtad arvesse kõiki teel ettetulevaid pöördeid ja keeramisi, kiirendusi ja pidurdusi, üldse kirjeldama kõike võimalikku, mis punktist a punkti b jõudmiseks teha tuleb. Kui sa sellega valmis saad, siis jõuad ilusti lennujaama, aga küsimus on – kunas. Pakun, et umbes kuu aja pärast, aga sul on seal vaja olla tunni-paari pärast. Seega on minu soovitus: tee endale üks hägune plaan, usu oma intuitsiooni, ära midagi arvuta, käitu oma kogemuste ja parema tunnetuse järgi ning sa jõuad märkimisväärselt kiiremini lennujaama kui rangete matemaatiliste arvutuste tulemusena.

Mis sai edasi südamestimulaatori loost?

Me võtsimegi toona aluseks hägusloogika põhimõtte, tegime selles valdkonnas ära suure teoreetilise töö ja edasi keskendusime impedantsspektroskoopia kaudu selle põhimõtete rakendamisele. Alustuseks mõõtsime kopsu impedantsi muutumist hingamise juures. Kui inimene teeb füüsilist tööd, siis hingab ta intensiivsemalt ja see on otseses sõltuvuses südametööst. Leidsimegi, et kopsu impedantsi muutuste ja südame stimuleerimiseks vajaliku rütmi vahel kehtivad hägusalt määratletud, kuid siiski ranged seosed. Pealegi oskasime südamelihase impedantsi kaudu määrata haigele südamele lubatava stimuleerimise rütmi piirmäära, ilma et süda viga saaks. Projekt lõppes, mina sain kõvasti targemaks ja teaduslikus mõttes võis tööd igati edukaks lugeda.

Edasist kontakti impedants­spektroskoopia uurijatega vahendas minu õpilane, kes oli läinud Rootsi doktorantuuri, ja mind kutsuti Stockholmi ülikooli lugema impedantsiteemalisi loenguid. Aasta oli siis 1999. Pärast üht loengut tulid minu juurde noormees ja neiu ning ütlesid, et esindavad sellist ameerika meditsiinikompaniid nagu St. Jude Medical, kes tegutseb südamestimulaatorite vallas. Selle üks esindusi asus Stockholmi külje all ning mind kutsuti ka sinna ettevõttesse loengut pidama. Kohe pärast loengut tehti ettepanek koostööks. Jõudsime nendega lepinguni, mis vältas neli aastat. Selle koostöö käigus saadud lahendused patentis firma otsekohe. Oluliseks eeliseks sai just see, et rakendasin oma seniseid teadmisi inimese hingamise ja südametöö omavahelistest seostest. Edu kindlustas koostöö meditsiinivaldkonna inimestega, pikema koostöö partneriteks said edumeelsed noored arstid Andres Kink ja Indrek Rätsep.

Teil on institutsionaalne uurimistoetus (IUT) „Impedantsspektroskoopia põhine objektide identifitseerimine ja juhtimine: signaalid, algoritmid, energiasäästlikud lahendused“. *

Praeguse IUT puhul on keskmes vererõhk. Uurime veresooni, nende seisundit ja rõhku nendes, et veri organismis ikka ilusasti laiali jookseks, kuhu vaja. Teaduslikus mõttes ei ole meedikutele olukorra hindamiseks mitte niivõrd tähtis see vererõhk, mida oleme harjunud mõõtma käsivarre ümbert. Loomulikult näitab ka see kaudselt nii mõndagi, aga meedikud ise hindavad hulga kõrgemalt tsentraalset vererõhku ehk vererõhku südame aordikaares, mis otse südamest välja tuleb. See rõhu kõver näitab, kui palju süda suudab verd endast välja paisata ja siin tuleb mängu selline mõiste nagu hüdrauliline takistus ehk impedants. Kui veresoonte takistus on liiga suur, loob see pinge ja lööb rõhu üles. Kui mõõdame tsentraalset vererõhku, saame teada kahte asja. Kui vererõhk on liiga kõrge, siis võime eeldada, et veresoonte hüdrauliline takistus on liiga suur, süda on korras ja jaksab lüüa, aga veri ei jookse laiali, sest kuskil on kas veresoonte ahenemine või ateroskleroos. Kuid kui rõhku üldse ei teki, siis järelikult on südame enda teovõime vilets. Selge vajaduse korral seda aordikaare vererõhku praegu küll mõõdetakse, kuid selleks on vaja eraldi operatsiooni. Mõõdik aetakse inimese kubeme juurest sisse, sisestatakse vastav sensor ja tehakse mõõtmised. See meetod on üsna kallis ja on ka viltu­mineku oht. Nii meil kui ka mujal maailmas otsitakse lahendusi, kuidas mõõta aordikaares rõhku lihtsamalt ja mitte­invasiivselt. Teeme koostööd Ida-Tallinna keskhaiglaga ja meie esmased uuringud-eksperimendid näitavad (teostatud on juba kuni 200 mõõtmist), et mõistlik on mõõta impedantsi ühel radiaalarteri lõigul randme juures ning leida selle kaudu tsentraalse vererõhu muutusi. Töö jätkub, aga juba esmased tulemused on paljulubavad.

Kõige uuemaks töölõiguks on kujunenud mikrovedelikega töötavate kiip­laborite loomine haigusi tekitavate bakterite ja viiruste avastamiseks ja määratlemiseks impedantsspektroskoopia abil seal, kus tekib vajadus – kas kodus, tööl ja puhkehetkel või koguni sõjaväljal (point-of-need detection).

Meil arutletakse, kas teadus on riigieelarvele koormaks või on see investeering. Kas professor Min võib kinnitada, et väga konkreetse töö tulemusena südame ja kopsu impedantsi mõõtmisel on inimeste sees või küljes seadmed, mis aitavad neil elada ja oma tervist paremini tunda?

Tõepoolest, ma võin sellele küsimusele vastata selge jah-sõnaga. St. Jude Medicali firmal on tootepakkumises väga palju eri tüüpi stimulaatoreid ja minu andmetel kasutatakse neis kõigis rohkemal või vähemal määral impedantsspektroskoopiat, konkreetselt minu töörühma väljatöötatud lahendusi. Ka Eesti patsientidel on võimalik kasutada firma St. Jude Medical implanteeritavaid südamestimulaatoreid. Neid prototüüpe ja lahendusi on välja töötatud ka mujal, näiteks ELIKO tehnoloogia arenduskeskuses, kus ma samuti osalen, ning tema koostööpartnerite poolt Soomes ja Taanis. Meil on just valminud täiesti uus aparaat, mis on praegu katsetusjärgus.

Rääkige nüüd lühidalt ka ELi rahaeraldisest kognitiivelektroonika tuumiklabori loomiseks ning enda ja Tallinna tehnikaülikooli osast selles.

Tallinna tehnikaülikool on selles projektis ainuke osaline ja meie oleme rahvusvaheliselt ka grandi ainuvastutajad. Ütlen kohe, et selle grandi saamiseks oli väga äge konkurss, aga meil õnnestus võitjana väljuda. ELi rahale (2,5 miljonit) on lisanud haridus- ja teadusministeerium 200 000 eurot ning meilt oodatakse omafinantseeringuna veel 300 000 eurot. Seega on kogu grandi suuruseks kolm miljonit eurot, mis rakendusgrandina on Eesti teaduses pretsedenditult suur summa, millega saame kindlasti ära teha väga palju nii sisulist kui ka organisatsioonilist tööd. Kokku on meil laboris paarkümmend inimest, laborijuhi leidmiseks korraldasime rahvusvahelise konkursi. Selleks sai euroopaliku töökogemusega mees Katarist. Ta tuleb meile esialgu dotsendi (associate professor) ametikohale. Soovitavalt oleks vaja olnud täisprofessorit, kuid esitatud kuupalga nivoo (5600 eurot) juures ei leidnud me Euroopast tõelist professionaali.

Mis see kognitiivelektroonika siis on? Ma ütleksin, et see on tehniliste (elektrooniliste) vahenditega saadud tunnetus maailmast, kätte saadud sensorite kaudu andmete mõtestatud käsitluse abil. Temas on üsna palju tehisintellekti sarnaseid jooni. Päris kindlasti on kognitiivelektroonika seotud mõõtmistega, sest meil on informatsiooni saamiseks vaja väga erinevaid andmeid. Ta on otseselt seotud sellise ingliskeelse terminiga, millele head vastet eesti keeles veel ei olegi. Inglise sensing tähendab sensortehnoloogiat. Näiteks kas sensor tunneb ära midagi ja/või mõne koha, näiteks tunneb ära haigusseisundi või inimese asukoha. Seega, mitte ainult mõõtmine, vaid ka tunnetuslik arusaamine ja mõistmine. Üheks tunnetuse saamise aluseks meie loodava tuumik­labori puhul on impedantsi mõõtmine. Milles on meie teaduslik probleem, millega me tegeleme, milles edukad oleme? Me oskame mõõta impedantsi, saame ka tagasisidet objektilt, aga millist ergutust ja impulssi välja anda, et saaksime maksimaalse hulga adekvaatset informatsiooni võimalikult ruttu kätte, see on probleem. Ja siis see, mida selle informatsiooniga peale hakata. Informatsioon tuleb teadmiseks kujundada. Kokkuvõtvalt: kuidas töötada välja selline süsteem, kus peame teada saama, millist analüüsi teha, et tunnuslikud momendid tuleksid selgelt esile ja selle info saamisega kaasnevad häired, tõrked ja müra maha jääksid, oleksid minimeeritud. Ja edasi: kui saame kätte informatsiooni, mis siis edasi saab, kuidas me seda tõlgendame? Vaja on teha otsuseid, mis häda või tõbi inimesel on, vaat selle informatsiooni ja tehnoloogia edasiarendamisel tulevad juba mängu tehisintellekti printsiibid ja neid me selles loodavas tuumiklaboris üritamegi luua. Seega on tegu läbi ja lõhki tuleviku elektroonikaga ja tuleviku tehnoloogiaga informaatika valdkonnast.

* Väljavõte IUT annotatsioonist. Sihiks on luua senisest efektiivsemad impedantsspektroskoopia meetodid ja mikroelektroonsed vahendid eksperimentaaluuringute teostamiseks füüsikas, bioloogias ja materjaliteaduses ning tehnilise ja meditsiinilise diagnostika jaoks. Eesmärk saavutatakse infotehnoloogia alaste teadmiste suunatud arendamise ja rakendamise ning mikroelektroonika alaste saavutuste ühise implementeerimise kaudu. Tähelepanu koondub matemaatilise spektraalanalüüsi meetodite uurimisele ja arendamisele (üheaegne aeg-sagedus käsitlus, fraktsionaalne Fourier’ teisendus, ortogonaalsed teisendused), silmas pidades lühiajaliste ja laiaribaliste signaalide sünteesimeetodeid nõutava spektriga ergutussignaalide saamiseks ja elektroonseks genereerimiseks. Otsitakse selliseid binaarseid või ternaarseid impulssjadasid, mille rakendamine ergutuseks ning reaktsiooni analüüsiks annab maksimaalse kiiruse ja mahuga infovoo. Valmib originaalne meetod ja seade kognitiivse impedantsspektroskoopia eeliste demonstreerimiseks.