Dzięki połączeniu kilku modeli matematycznych naukowcy stworzyli niezwykle użyteczny model serca z myślą o wsparciu badań kardiologicznych i nowych metod leczenia.
Serce jest najważniejszym narządem w ludzkim ciele. Niestety, z danych wynika, że choroby układu krążenia są przyczyną ponad 45 % zgonów w Europie. Ponadto serce jest również niezwykle złożonym mechanizmem, który posiada unikalne cechy specyficzne dla poszczególnych osób. Zatem lepsze poznanie podstawowych mechanizmów działania tego narządu umożliwi opracowanie bardziej spersonalizowanych metod leczenia wad serca.
W ramach projektu iHEART, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, zespół naukowców pod kierownictwem Alfio Quarteroniego, profesora analizy numerycznej na Politechnice Mediolańskiej, opracował wirtualny symulator serca. Ten model obliczeniowy stanowi narzędzie oferujące ogromne możliwości w zakresie lepszego zrozumienia funkcji serca i działania jego skomplikowanych mechanizmów, a także wspomagania decyzji klinicznych.
„Oprócz wartości edukacyjnej model ten posiada potencjał w zakresie ważnych zastosowań medycznych, zapewniając niezbędne wsparcie pracownikom opieki zdrowotnej podczas wykonywania oceny medycznej i opracowywania strategii działania w przypadku różnych schorzeń związanych z sercem”, wyjaśnia Quarteroni, główny badacz w projekcie iHEART.
Zaawansowana matematyka w badaniach nad ludzkim sercem
Aby stworzyć wirtualne serce, zespół przeanalizował matematyczne i fizyczne właściwości kilku podstawowych modeli serca, a następnie połączył je w jeden model.
Wśród analizowanych przez badaczy parametrów znalazły się właściwości elektrofizjologiczne, aktywne i pasywne właściwości mechaniczne, dynamika płynów, właściwości kinetyczne zastawek, krążenie krwi, perfuzja mięśnia sercowego oraz przewodzenie sygnałów elektrycznych przez tułów.
„Model iHEART został zaprojektowany w celu opisania wszystkich tych elementów, a dzięki ich harmonizacji i połączeniu stworzyliśmy ujednolicony i dokładny pod względem biofizycznym model funkcji serca”, mówi Quarteroni.
Najważniejsze wyniki projektu opierają się na tych matematycznych udoskonaleniach, jak również na wykonanej następnie symulacji.
Zespół stał się pionierem, jeśli chodzi o opracowanie zaawansowanych technik aproksymacji wysokiego rzędu, które zwiększyły precyzję symulacji. Zespół stworzył również nowe algebraiczne solvery, aby zoptymalizować wydajność obliczeniową, a także włączył do badań najnowocześniejsze koncepcje i metodologie naukowego uczenia maszynowego.
„Te przełomowe prace zaowocowały znaczną liczbą publikacji naukowych na łamach prestiżowych czasopism w dziedzinach takich jak matematyka, bioinżynieria i medycyna”, dodaje Quarteroni.
Symulator iHEART
Nowo opracowany symulator iHEART jest unikalny pod względem możliwości płynnego łączenia i odtwarzania skomplikowanych procesów zachodzących w układzie krążenia w ramach ujednoliconej platformy.
„Ten wysoki stopień integracji zapewnia niezrównaną dokładność biofizyczną podczas symulacji pracy serca i związanych z nią zaburzeń i chorób”, podkreśla Quarteroni. „Stanowi on przełom w dziedzinie kardiologii obliczeniowej, oferując unikalne i kompleksowe podejście do symulacji serca na komputerze”.
Oprócz symulatora zespół opracował również zestaw bibliotek oprogramowania, wraz ze złożonymi funkcjami serca, które są dostępne dla szerokiej społeczności użytkowników, w tym osób z wykształceniem medycznym i bioinżynieryjnym.
Zastosowania w medycynie
Twórcy symulatora iHEART oczekują, że odegra on kluczową rolę w badaniach dotyczących chorób serca, ostatecznie prowadząc do opracowania innowacyjnych terapii.
„Naszą wizjonerską koncepcją jest płynna integracja komputerowych symulacji numerycznych funkcji serca zarówno z dziedziną bioinżynierii, jak i praktyką kliniczną, co pozwoli na stworzenie cyfrowych bliźniaków serca”, zauważa Quarteroni.
Zespół projektu iHEART aktywnie przyczynia się do ulepszenia metod diagnozowania i leczenia różnych schorzeń układu sercowo-naczyniowego dzięki podjęciu współpracy z licznymi oddziałami klinicznymi, zarówno we Włoszech, jak i za granicą.
„Przewidujemy, że model iHEART okaże się użytecznym narzędziem wspomagającym diagnozowanie i leczenie chorób układu krążenia, wspierając rozwój opieki kardiologicznej z korzyścią dla pacjentów na całym świecie”.
Komentarze
[ z 0]