Ученые РФ создали компьютерную модель сердца

Уральские ученые вместе с американскими коллегами разработали высокопроизводительную компьютерную модель механики сердца. Впервые достигнута скорость расчетов, позволяющая применить модель для лечения пациентов в клиниках. Статья опубликована в журнале PLOS One.

Более детальное описание нормальной работы сердца и его патологий помогает ученым повышать эффективность существующих методов лечения и разрабатывать новые. В последнее время активно развивается такое направление, как интеллектуальное моделирование — создание цифровых моделей сердца, которые можно использовать как аналитический инструмент в медицинской практике и при клинических испытаниях. Однако существующие модели требуют слишком сложных расчетов и неприменимы для повседневного использования, поэтому перед исследователями стоит задача их упрощения.

Ученые из Института иммунологии и физиологии УрО РАН (ИИФ УрО РАН) и Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина (УрФУ) совместно с американскими коллегами из исследовательского центра IBM имени Томаса Джона Уотсона (штат Нью-Йорк) разработали новую стратегию уменьшения вычислительной сложности, необходимой для построения таких моделей. Исследования были поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Во время сердечного цикла происходит синхронное сокращение двух предсердий, затем желудочков, а потом — расслабление. Здоровый орган работает в определенном ритме, но практически все его заболевания приводят к сбоям. Из-за этого наш "внутренний насос" утрачивает способность перекачивать кровь в нужном объеме и развивается хроническая сердечная недостаточность.

Обычно для создания детализированных моделей сердца используют расчеты с большим количеством варьируемых параметров сердечной мышцы, таких как проводимость, сократимость и другие. Полученные "виртуальные клинические данные" сравниваются с реальными результатами клинических исследований – ЭКГ, УЗИ и других. Затем при помощи машинного обучения находят зависимости между результатами модели и ее параметрами, таким образом получая значения, которые наиболее близки к показателям пациентов. Это процесс длительный и дорогостоящий, требующий больших вычислительных мощностей.

Подход российских ученых основан на подтвержденном сходстве сокращения одного мышечного элемента сердца и всего желудочка. Создать модель работы одной мышцы намного проще, чем делать объемное моделирование камеры сердца целиком. Это позволило использовать для вычисления сократительной функции желудочка модель более низкого порядка. При меньших затратах на обучение программы был получен результат необходимой точности.

"Наш подход основан на хорошо установленных данных о сходстве сокращения изолированной мышцы и всего желудочка, — приводятся в пресс-релизе РНФ слова одного из авторов исследования Ольги Соловьевой, доктора физико-математических наук, профессора, заведующего лабораторией математической физиологии в ИИФ УрО РАН и лабораторией "Математическое моделирование в физиологии и медицине с использованием суперкомпьютерных технологий" УрФУ. — В частности, мы демонстрируем, что простых линейных преобразований между растяжением мышцы и сокращением объема камеры достаточно для воспроизведения общих выходных данных давления и объема в 3D-моделях".

Описание работы желудочка позволяет решать задачи, связанные с током крови, давлением и другими аспектами работы сердца. Используя предложенный подход, можно анализировать большие массивы данных реальных клинических исследований и выводить общие закономерности, применимые в медицинской практике. Биофизические модели, учитывающие особенности конкретного пациента, могут быть полезны для увеличения эффективности подбора лекарств или при некоторых видах сердечной терапии, например, при установке кардиостимулятора, электроды которого контролируют работу сердца и помогают его камерам сокращаться в нужном ритме.

21/02/2020

Источники: https://ria.ru