Naukowcy z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa chcą stworzyć trójwymiarowy model serca, aby przewidzieć zagrażający życiu problem, zanim on wystąpi.
Czy wystąpi u Ciebie zatrzymanie akcji serca? Nowa technologia może przewidzieć, czy i kiedy
Natalie Sabin
26 kwietnia 2022 r. C Ostatnio więcej uwagi poświęca się zgonom spowodowanym przez COVID-19, ale choroby serca pozostają główną przyczyną zgonów w Stanach Zjednoczonych.
Ponad 300 000 Amerykanów umrze w tym roku z powodu nagłego zatrzymania krążenia (zwanego również nagłą śmiercią sercową lub SCD), kiedy to serce nagle przestaje pracować.
Zdarzenia te występują nagle i często bez ostrzeżenia, co sprawia, że są prawie niemożliwe do przewidzenia. Ale to może się zmienić dzięki technologii obrazowania 3D i sztucznej inteligencji (AI), która jest przedmiotem badań na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa.
Naukowcy pracują tam nad stworzeniem dokładniejszych i bardziej spersonalizowanych modeli serca C, i to nie byle jakiego serca - serca pacjenta, który cierpi na chorobę serca.
Obecnie klinicysta może jedynie stwierdzić, czy pacjent jest lub nie jest zagrożony nagłym zgonem - mówi dr Dan Popescu, naukowiec z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa i pierwszy autor nowego badania na temat zdolności sztucznej inteligencji do przewidywania nagłego zatrzymania krążenia. Dzięki tej nowej technologii można uzyskać znacznie bardziej szczegółowe prognozy prawdopodobieństwa wystąpienia zdarzenia w czasie.
Innymi słowy: Dzięki sztucznej inteligencji lekarze mogą nie tylko przewidzieć, czy ktoś jest zagrożony nagłym zatrzymaniem krążenia, ale także kiedy jest najbardziej prawdopodobne, że do niego dojdzie. Będzie to możliwe dzięki bardziej przejrzystemu i spersonalizowanemu spojrzeniu na okablowanie elektryczne serca.
Serce - przewodnik
Serce to nie tylko metronom odpowiedzialny za utrzymywanie stałego strumienia krwi pompowanej do tkanek z każdym uderzeniem. Jest ono także przewodnikiem, przez który przepływa energia życiowa.
Aby wywołać bicie serca, impulsy elektryczne przepływają z góry do dołu narządu. Zdrowe komórki serca płynnie przekazują tę energię elektryczną. Jednak w sercu uszkodzonym przez stan zapalny lub przebyty zawał tkanka bliznowata blokuje przepływ energii.
Kiedy impuls elektryczny napotka na obszar pokryty bliznami, sygnał może stać się nieregularny, zakłócając ustaloną drogę z góry do dołu i powodując nieregularne bicie serca (arytmię), co zwiększa ryzyko nagłej śmierci sercowej.
Oglądanie serca w 3D
Dzisiejsze badania umożliwiają wgląd w budowę serca. Na przykład, skanowanie MRI może ujawnić uszkodzone obszary. Skanowanie PET może wykazać stan zapalny. EKG może rejestrować sygnały elektryczne serca od jednego uderzenia do drugiego.
Jednak wszystkie te technologie oferują jedynie obraz stanu zdrowia serca w danym momencie. Nie są w stanie przewidzieć przyszłości. Dlatego naukowcy z Johns Hopkins idą dalej i opracowują trójwymiarowe cyfrowe repliki serca, zwane obliczeniowymi modelami serca.
Modele obliczeniowe to symulowane komputerowo repliki, które łączą w sobie matematykę, fizykę i informatykę. Modele te istnieją już od dawna i są wykorzystywane w wielu dziedzinach, od produkcji po ekonomię.
W medycynie serca modele te wypełnia się komórkami cyfrowymi, które imitują żywe komórki i którym można nadać różne właściwości elektryczne, w zależności od tego, czy są zdrowe, czy chore.
Obecnie dostępne badania obrazowe i testy (MRI, PET, EKG) dają pewne wyobrażenie o bliznowaceniu, ale nie można tego przełożyć na to, co będzie się działo w czasie - mówi dr Natalia Trayanova z Wydziału Inżynierii Biomedycznej Johns Hopkins.
Dzięki obliczeniowym modelom serca tworzymy dynamiczny cyfrowy obraz serca. Następnie do tego cyfrowego obrazu możemy podawać bodźce elektryczne i oceniać, jak serce jest w stanie na nie zareagować. W ten sposób można lepiej przewidzieć, co się stanie.
Skomputeryzowane modele 3D oznaczają również lepsze i dokładniejsze leczenie chorób serca.
Na przykład powszechnym sposobem leczenia arytmii zwanej migotaniem przedsionków jest ablacja, czyli spalenie tkanki serca. Ablacja zatrzymuje nieregularne impulsy elektryczne powodujące arytmię, ale może również uszkodzić zdrowe komórki serca.
Dzięki spersonalizowanemu obliczeniowemu modelowi serca lekarze mogliby dokładniej określić, jakie obszary powinny być leczone u danego pacjenta, a jakie nie.
Wykorzystanie sztucznej inteligencji opartej na głębokim uczeniu do przewidywania wyników zdrowotnych
Kolega Trayanovej, Popescu, stosuje głębokie uczenie i sztuczną inteligencję, aby w większym stopniu wykorzystać komputerowe modele serca do przewidywania przyszłości.
W artykule opublikowanym niedawno w czasopiśmie Nature Cardiovascular Research zespół badawczy wykazał, że jego algorytm ocenił stan zdrowia 269 pacjentów i był w stanie przewidzieć prawdopodobieństwo wystąpienia nagłego zatrzymania krążenia z wyprzedzeniem do 10 lat.
To naprawdę pierwszy przypadek w historii, o ile nam wiadomo, kiedy technologia głębokiego uczenia się okazała się skuteczna w analizie blizny w sercu - mówi Popescu.
Popescu i Trayanova twierdzą, że algorytm sztucznej inteligencji zbiera informacje z trójwymiarowych modeli obliczeniowych serca wraz z danymi pacjenta, takimi jak rezonans magnetyczny, pochodzenie etniczne, wiek, styl życia i inne informacje kliniczne. Analizując wszystkie te dane, można uzyskać dokładne i spójne szacunki dotyczące długości życia pacjentów zagrożonych nagłą śmiercią.
Nie można sobie pozwolić na błąd. Jeśli się pomylisz, możesz mieć ogromny wpływ na jakość życia pacjenta" - mówi Popescu. Wykorzystanie tej technologii przez lekarzy w procesie podejmowania decyzji daje pewność, że diagnoza i prognozy będą lepsze.
Chociaż obecne badanie dotyczyło pacjentów z konkretnym rodzajem choroby serca, Popescu twierdzi, że jego algorytm można również wykorzystać do oceny innych stanów zdrowia.
Kiedy więc można się spodziewać zastosowania tego rozwiązania poza badaniami naukowymi? Trayanova przewiduje, że trójwymiarowe obrazowanie modeli serca może być dostępne za dwa lata, ale najpierw technika ta musi zostać przetestowana w większej liczbie badań klinicznych, z których część odbywa się właśnie teraz.
Dodanie Sztucznej Inteligencji do modeli serca będzie wymagało dalszych badań i zatwierdzenia przez FDA, więc harmonogram jest mniej jasny. Jednak prawdopodobnie największą przeszkodą jest to, że po zatwierdzeniu technologie te będą musiały zostać przyjęte i być stosowane przez lekarzy i opiekunów.
O wiele trudniej jest odpowiedzieć na pytanie: Kiedy lekarze będą mogli w pełni komfortowo korzystać z narzędzi sztucznej inteligencji? I nie znam na nie odpowiedzi" - mówi Popescu. Obecnie nie uczy się, jak korzystać z AI jako pomocy w procesie podejmowania decyzji.
