Jak wynika z nowego badania, naukowcom udało się stworzyć cyfrowego bliźniaka, który po raz pierwszy odtwarza układ przewodzenia elektrycznego serca, koordynujący jego bicie.
Przełom może otworzyć drogę do diagnostyki i doboru metod leczenia takich schorzeń, jak arytmia czy niewydolność serca.
Badanie, którego wyniki opublikowano w czasopiśmie „Medical Image Analysis”, przeprowadził zespół z Millennium Institute for Engineering and Artificial Intelligence for Health (iHEALTH), instytucji współpracującej z chilijskimi uniwersytetami, specjalizującej się w obrazowaniu medycznym, inżynierii, sztucznej inteligencji i medycynie.
Naukowcy opracowali tam model komputerowy, który pozwala na cyfrową rekonstrukcję sieci Purkinjego – układu przewodzenia impulsów elektrycznych w sercu – przy użyciu standardowego elektrokardiogramu.
„Celem cyfrowego bliźniaka serca jest wykorzystanie go jako wirtualnego pacjenta, gdzie leczenie można testować i optymalizować bez ryzyka. Pozwoliłoby to na lepsze planowanie procedur, większą personalizację, a tym samym skuteczniejsze rezultaty” – powiedział Francisco Sahli, adiunkt inżynierii na Papieskim Uniwersytecie Katolickim w Chile i główny badacz w iHEALTH, w wywiadzie dla UPI.
Sieć Purkinjego ma unikalną strukturę.
„To jak drzewo rosnące blisko wewnętrznej powierzchni serca. Stworzyliśmy model fraktalny, podobny do płatków śniegu – czyli powtarzającej się struktury” – powiedział o projekcie, którego realizacja zajęła prawie siedem lat.
Chociaż zespół opracował wcześniej model komputerowy, trudno było go ręcznie dostosować do indywidualnych pacjentów. To skłoniło ich do zbadania modelu sztucznej inteligencji, który ostatecznie zadziałał, powiedział Sahli, który spędził ostatnie 10 lat pracując nad replikacją tego systemu.
Przeprowadził testy z udziałem prawdziwych pacjentów, w których algorytm był w stanie wykryć nieprawidłową aktywność elektryczną serca bez konieczności stosowania inwazyjnych procedur diagnostycznych, takich jak mapowanie elektroanatomiczne, w którym „cewnik wprowadza się do serca w celu bezpośredniego pomiaru aktywności elektrycznej”.
Badanie odzwierciedla szerszą tendencję w opiece zdrowotnej.
„Ostatnio nastąpiła zmiana paradygmatu w medycynie – odchodzenie od leczenia ogólnego na rzecz medycyny precyzyjnej, w której leczenie jest spersonalizowane pod kątem konkretnego pacjenta” – powiedział Sahli.
Dodał, że obecnie w leczeniu niewydolności serca stosuje się rozrusznik serca, który nie przynosi żadnych efektów u około 30% pacjentów.
„Jedną z najważniejszych zmiennych decydujących o powodzeniu tego leczenia jest precyzyjne umiejscowienie rozrusznika. Lekarz może przetestować tylko kilka pozycji podczas zabiegu. Właśnie tu pojawia się idea cyfrowego bliźniaka. Co by było, gdybyśmy mieli cyfrową kopię serca, która działałaby tak samo jak prawdziwe?” – zapytał retorycznie.
Dodał, że dzięki modelowi cyfrowemu lekarze będą mogli przetestować tysiące możliwych pozycji rozrusznika i określić optymalną „bez dotykania pacjenta”.
„Może to potencjalnie zwiększyć skuteczność leczenia i skrócić czas trwania procedury” – powiedział, dodając, że ze względu na globalny zasięg chorób układu krążenia istotne jest opracowywanie skuteczniejszych metod leczenia i diagnostyki.
Według Światowej Organizacji Zdrowia, ponad 19 milionów ludzi umiera każdego roku na choroby układu krążenia, co stanowi 32% zgonów na świecie, chociaż 80% przypadków można by zapobiec poprzez odpowiednią kontrolę nadciśnienia tętniczego, palenia tytoniu i innych czynników ryzyka.
Zespół pracuje teraz nad dwoma wyzwaniami: zwiększeniem mocy obliczeniowej, tak aby możliwe było generowanie cyfrowego bliźniaka każdego pacjenta niemal w czasie rzeczywistym.
„Na razie uważamy, że można to traktować jako kolejne badanie medyczne, a wyniki będą gotowe w ciągu jednego dnia, gdy tylko dostępne będą zdjęcia pacjenta i elektrokardiogram. Następnie zespół medyczny mógłby wykorzystać to jako wirtualnego pacjenta do testowania metod leczenia” – powiedział Sahli.
Członkowie zespołu starają się również o fundusze na dodanie mechanicznej funkcji serca do obecnego cyfrowego bliźniaka.
„W tym celu musimy uwzględnić dane z obrazowania medycznego i połączyć je z danymi dotyczącymi energii elektrycznej, którymi już dysponujemy” – powiedział Sahli.
