Здорове серце та цифрові двійники

Здорове серце б'ється приблизно 3 мільярди разів протягом усього життя. Це відбувається завдяки маленькому мозку з 40 000 нейронів та інших нервових клітин, які генерують електричні імпульси, що змушують серце скорочуватися і перекачувати кров по всьому організму. Коли ця система виходить з ладу, серцебиття стає нерегулярним, що може спричинити зупинку серця за лічені хвилини або призвести до інших захворювань, як-от інсульт, протягом багатьох років.

Наталія Траянова щодня стикається з цією величезною проблемою охорони здоров'я. Біофізик болгарського походження, вона є професором біомедичної інженерії та медицини в Університеті Джонса Гопкінса в США. Вона очолює Альянс інновацій у діагностиці та лікуванні серцево-судинних захворювань, дослідницький інститут, де лікарі, інженери, радіологи та математики застосовують прогностичні підходи, засновані на даних, комп'ютерне моделювання та інновації в кардіологічній візуалізації для поліпшення діагностики та лікування серцево-судинних захворювань.

Траянова створює «цифрові серця» для кожного пацієнта — інновацію, яка може поліпшити прийняття клінічних рішень та медичне обслуговування. Під час візиту до Іспанії для виступу з лекцією, науковиця розповіла в цьому інтерв'ю про одне з найбільш яскравих застосувань штучного інтелекту: моделювання серця, щоб запобігти його передчасній зупинці.

Питання: Наскільки небезпечне захворювання, з яким ви боретеся?

Відповідь: Раптова зупинка серця — найбільший вбивця, якого ми знаємо. У більшості випадків це пов'язано з порушеннями серцевого ритму, аритміями. Щороку близько 400 000 людей помирають від цих причин тільки в США. Це величезна проблема, насамперед тому, що ми не розуміємо, чому і як саме це відбувається. Наша кінцева мета — знати, хто постраждає від аритмії, і мати можливість запобігти їй.

П: Як ви збираєтеся цього досягти?

В: За допомогою обчислювальної кардіології. Уявіть, що ви прийшли в лікарню з проблемою серця. У багатьох випадках лікарі не знають, як краще вас лікувати. Ми створюємо віртуального близнюка вашого серця, який допомагає нам зрозуміти, яка у вас проблема, і випробувати варіанти лікування, щоб лікарі могли вирішити, що робити.

П: Як створюється цифровий близнюк серця?

В: Ми використовуємо медичні зображення і обчислення, щоб побудувати точну копію вашого серця. Вона відтворює все, що відбувається в органі, від клітинного рівня до всього серця.

П: Чи можна зробити близнюка будь-якого серця?

В: У серця є рубці, які утворюються, якщо у вас стався серцевий напад. Є також сполучна тканина, яка утворюється внаслідок нормального старіння серця. Ці ушкодження ускладнюють поширення електричних імпульсів, а це означає, що ваше серце не скорочується належним чином і не перекачує достатньо крові та кисню до решти тіла. За п'ять хвилин ви можете померти. Віртуальний близнюк заснований на зображенні серця пацієнта, зробленому за допомогою МРТ з контрастом. Там ми можемо побачити рубці і відтворити їх у тривимірній моделі. У цю модель ми також включаємо орієнтацію м'язових волокон, які мають основоположне значення для скорочення. І нарешті, ми додаємо шар, який показує нам серце на рівні роздільної здатності в один мікрон [одна мільйонна частина метра]. На цьому шарі ми вже представляємо тканину на клітинному і субклітинному рівні. Ми можемо відтворити, наприклад, невеликі електричні струми, які проходять від однієї клітини до іншої, які необхідні для поширення серцебиття по всьому серцю. Готове віртуальне серце в кінцевому підсумку представляє близько 20 мільйонів клітин.

П: Скільки часу займає створення віртуального серця?

В: Це складний процес, який вимагає потужних комп'ютерів. Спочатку з МРТ-сканування сегментується тканина і фіброз, що вручну зайняло б шість годин. Однак, за допомогою штучного інтелекту цей процес скорочується до декількох хвилин. Потім програмне забезпечення призначає орієнтацію волокон на основі атласу людських сердець. Згодом він ділиться на невеликі ділянки перед моделюванням. Моделювання ускладнене через високу роздільну здатність і складність рівнянь потоку струму, які вимагають дуже коротких часових інтервалів для точного моделювання поширення електрики. Отже, щоб відповісти на ваше запитання, моделювання аритмії протягом чотирьох хвилин може зайняти від чотирьох до 10 годин на суперкомп'ютері, залежно від кількості доступних CPU [центральних процесорів]. Однак для проведення декількох симуляцій і аналізу різних сценаріїв потрібні значні обчислювальні зусилля. Можна оцінити збурення в різних ділянках серця і визначити критичні точки, де необхідно провести абляцію: спалити тканину, щоб зробити невеликий рубець для корекції аритмії. Нещодавно ми опублікували дослідження в Nature Computational Science, де використовувався штучний інтелект для розв'язання необхідних рівнянь за секунду. Його ще потрібно адаптувати для включення рубців і фіброзу, але в нормальному серці він уже ефективний.

П: Які результати ви отримали у пацієнтів?

В: Аритмії різняться залежно від їхнього розташування в серці. Ті, що вражають його нижні камери, шлуночки, спричиняють раптову смерть. Ті, що вражають верхні камери, передсердя, не смертельні, але являють собою найбільшу проблему для здоров'я у світі. 2% населення страждає на неї. Кожна четверта людина старше 65 років. Ці аритмії призводять до інсультів. Для їхнього лікування ми розробили персоналізовані цифрові двійники для 10 пацієнтів у пілотному дослідженні. Ці люди перенесли дуже серйозні інфаркти, і лікарі не знали, як діяти. Цифрові двійники вказали, де провести абляцію і які результати вона дасть. Лікарям залишалося тільки помістити катетер туди, куди ми їм сказали. Ми закінчили три тижні тому, і поки що всі пацієнти живі та здорові. Ми також розпочали нове дослідження за участю 170 пацієнтів із проблемами передсердь.

П: Чи можна буде коли-небудь використовувати ці методи в рутинному порядку?

В: Досі їхнє використання було обмежене необхідністю великих обчислювальних ресурсів. Але з новим штучним інтелектом, опублікованим нещодавно, рівняння можна розв'язати за лічені секунди на персональному комп'ютері. Це полегшить його впровадження в клініках. Наразі процес автоматизований: пацієнт прибуває, його серце сканується, сегментується, створюється цифровий двійник і передбачається ідеальне лікування. Напередодні ввечері лікар отримує план і під час процедури слідує прогнозу на екрані, щоб точно застосувати катетер.

П: Що ви думаєте про побоювання щодо штучного інтелекту?

В: У Джонса Гопкінса я очолюю як дослідження в галузі цифрових двійників і обчислювальної кардіології, так і ініціативу зі штучного інтелекту в галузі охорони здоров'я та медицини. Завдяки анонімній пожертві було профінансовано великий проєкт за участю 160 професорів у галузі штучного інтелекту та нову будівлю. Хоча ШІ швидко розвивається, його впровадження в медицині відбувається повільно через необхідність ретельних випробувань і довіри лікарів. Недостатньо, щоб ШІ діагностував; він має бути зрозумілим і доступним для лікарів і пацієнтів. Побудова цієї довіри є ключем до інтеграції його в клінічну практику та медичні записи.

П: Як новий уряд Дональда Трампа впливає на біомедичні дослідження у вашій країні?

В: Це жахливо. Скорочення непрямих витрат Національних інститутів здоров'я (NIH) за адміністрації Трампа дуже шкідливе для досліджень у США. Ці витрати, узгоджені з кожним університетом, фінансують лабораторії та інфраструктуру. Джонса Гопкінса — установа, яка отримує найбільше фінансування від NIH у США. Нова ситуація серйозно вплине на науковий розвиток. Скорочення ресурсів обмежить наймання нових професорів і перешкоджатиме прогресу досліджень. США ризикують втратити своє світове лідерство в науці та біомедицині. Можливо, нам знадобиться кілька поколінь, щоб пом'якшити наслідки.