[417], а также исследования Гернота Планка в Медицинском университете Граца, Австрия, и исследования Тошиаки Хисады в Токийском университете[418].
Рисунок 32. Виртуальное сердце Alya Red (compBioMed и Суперкомпьютерный центр Барселоны)
Мариано Васкес, работавший с нами над созданием захватывающего фильма «Виртуальные люди», премьера которого состоялась в Музее науки, входит в число 50 исследователей команды разработчиков Alya в Суперкомпьютерном центре Барселоны. Защитив докторскую диссертацию по моделированию потоков жидкости под одним научным руководителем, с 2004 г. он и Гийом Узо разработали программное обеспечение для моделирования множества многомасштабных мультифизических задач, от образования облаков, до того, как вода обтекает китов. Они назвали свое программное обеспечение в честь звезд, в данном случае Alya, и начали его настраивать: Alya Red использовалась для биомедицины, Alya Green для окружающей среды и т. д. Дочерняя компания Elem Biotech разработала модель для биомедицинских применений (например, чтобы показать, что мелкие частицы лекарств из ингалятора попадают в нужное место в организме) и работала с исследователями из Вашингтонского университета над моделированием родовых схваток, которые, как и сердечные сокращения, являются электромеханическими.
На момент написания их модель сердца Alya Red состояла примерно из 100 миллионов участков клеток, каждый из которых описывался примерно 50 уравнениями с 15 переменными (иногда больше, в зависимости от сложности модели), такими как электрическая активность, перемещение, давление и скорость[419]. Как и в прогнозировании погоды, разделение (дискретизация) сердца на ряд более мелких и лучше управляемых частей дает набор миллиардов связанных конечно-разностных уравнений, которые необходимо решить для запуска модели. По сравнению с тысячами миллионов чисел, которые требуются при работе с моделью Alya Red, для настройки цифрового сердца под пациента нужно не так уж много параметров. Детали интересующего сердца – мужского, женского, молодого, старого, тучного, диабетического и т. д. – получаются из измерений человеческого сердца. Некоторые из них собраны, например, Лабораторией видимого сердца Университета Миннесоты.
Обычно для моделирования 10 ударов сердца требуется 10 часов. В идеальном мире мы хотели бы моделировать человеческое сердце гораздо быстрее, чем реальное, но эти симуляции все еще показательны. В разрезе можно показать, например, как больное сердце теряет способность качать кровь, или что опасная аритмия вызвана сердечными препаратами. Потоки в нормальном сердце можно легко визуализировать при моделировании, изображая их в виде пучков ярких цветов, причем красный, оранжевый и желтый используются для обозначения самых сильных потоков. Для сравнения, потоки крови в пораженных желудочках, уже не синхронизированные должным образом, проявляются как вялые синие и зеленые.
Даже имея базовое виртуальное человеческое сердце, можно многое сделать для помощи в проектировании, разработке и производстве медицинских устройств, что является предметом сотрудничества между компанией Medtronic и Суперкомпьютерным центром Барселоны. Их моделирование показывает, как традиционный кардиостимулятор с электродами, продетыми через вены, может восстановить насосную функцию отказавшего сердца. Оно способно помочь расположить кардиостимулятор и точно настроить его электрический стимул. Моделирование также помогло Medtronic спрогнозировать действие инновационного кардиостимулятора Micra (крошечного цилиндра, который вставляется в сам желудочек), показывая лучшее место для его размещения, а также выяснить, как его закрепить, не повредив сердце, и изучить получившиеся потоки крови.
Рисунок 33. Кардиостимулятор Micra (воспроизведено с разрешения Medtronic)
Следующий шаг – создание цифрового двойника собственного сердца пациента. В сотрудничестве с Габриэлой Каптур из Института сердечно-сосудистых исследований UCL при поддержке Британского кардиологического фонда индивидуальная настройка осуществляется с помощью данных МРТ и эхокардиографии 500 британцев, родившихся в 1946 г. Другие команды, такие как Британский биобанк, замечательный глобальный источник данных о 500 000 человек, собирают больше данных о сердце с меньшим разрешением. Команда Барселоны часто создает синтетическое сердце популяции для определения наиболее важных параметров, а затем играет примерно с сотней переменных, чтобы создать наиболее подходящее виртуальное сердце для пациента, независимо от возраста, пола и т. д.
Команда начала создавать эти специальные модели, чтобы понять блокаду левой ножки пучка Гиса – распространенное нарушение сердечной проводимости, которое задерживает активацию левого желудочка, в результате чего он сокращается позже правого[420]. «Такие заявки поступают для отдельных пациентов», – говорит Васкес. Однако странным образом они становятся жертвой собственного успеха. Некоторые люди жаловались, что симуляции слишком красивы, чтобы быть реальными, и похожи на «научную фантастику».
Сердце также по-прежнему привлекает внимание большинства людей в команде Питера Хантера в Окленде. Путем моделирования электрической активности в виртуальных сердцах, которые были настроены с использованием данных визуализации реального сердца, а затем сравнения этих прогнозов с картами электрической активности сердца высокого разрешения, появляется новое понимание нарушений сердечного ритма. Цзичао Чжао изучает фибрилляцию предсердий – наиболее распространенное из них. «Фибрилляция» происходит от латинского «мешок с червями» – яркое отражение того, как мышечная стенка верхних камер сердца (предсердия) нескоординированно извивается, в результате чего предсердия перестают перекачивать кровь должным образом. Работая с Вадимом Федоровым и его командой в Университете штата Огайо, Чжао основывал свое моделирование на данных МРТ сердца 63-летней женщины, погибшей в автокатастрофе. Исследователи смогли раскрыть, как структурное ремоделирование предсердий при повреждении человеческого сердца делает их склонными к фибрилляции, поскольку рубцевание (фиброз) сморщивает тонкую стенку предсердий[421].
Это исследование также помогло им определить идеальное место для проведения абляции, при которой тепло или сильный холод используются для рубцевания или разрушения тканей, вызывающих неправильные электрические сигналы – аномальный сердечный ритм. Они используют аналогичный подход, чтобы понять, как изменения в желудочках провоцируют желудочковую аритмию и внезапную смерть. Мы приближаемся к тому дню, когда пациенты будут регулярно получать пользу от использования информации из сложной персонализированной виртуальной версии своего сердца.
Точная кардиология
Конечная цель работы в Окленде, Барселоне и других командах заключается не только в том, чтобы сделать сердца-близнецы точными во всех масштабах, от каждого удара до своеобразной архитектуры сердечных камер и деталей клеточного метаболизма, формы ионных каналов и т. д., но также в осознании всех закономерностей и ритмов реального сердца отдельного пациента. В сердечно-сосудистой медицине ряд виртуальных методов проложил путь к зарождению того, что, среди прочих, Марк Палмер из Medtronic[422], называет точной кардиологией. Эти модели, основанные на менее трудоемких обыкновенных дифференциальных уравнениях, позволяют настраивать сердца-близнецы.
Например, в Королевском колледже Лондона Консорциум персонализированной кардиологии in silico под руководством Пабло Ламаты продемонстрировал, как объединение компьютерных и статистических моделей может улучшить клинические решения: «Цифровой двойник сменит выбор лечения, основанный на сегодняшнем состоянии пациента, на оптимизацию состояния пациента завтра»[423]. Командой под руководством Резы Разави из Королевского колледжа Лондона с помощью МРТ сердца были созданы персонализированные виртуальные модели сердца для прогнозирования тахикардии[424], в то время как группа из Гейдельбергского университета (Германия) превратила ряд данных пациентов в многомасштабную мультифизическую модель сердечной функции для лечения сердечной недостаточности, когда сердце не справляется с нагрузкой[425]. В Граце, Австрия, команда Гернота Планка создает цифровые двойники сердца, чтобы повысить эффективность имплантации кардиостимуляторов[426]. Изучая дюжину пациентов, его команда обнаружила, что анатомического близнеца сердца на основе изображений МРТ можно создать менее чем за четыре часа[427]. Самое главное, они смогли воспроизвести электрокардиограмму, которая фиксирует ритм сердца и электрическую активность. Тем временем в России Ольга Соловьева из Института иммунологии и физиологии в Екатеринбурге разрабатывает персонализированные модели, сравнивая виртуальные желудочки с реальными путем сравнения смоделированных и реальных электрокардиограмм[428].
Рисунок 34. Модели цифровых двойников позволят предсказать будущее здоровье сердца (воспроизведено с любезного разрешения Кристобаля Родеро, Пабло Ламаты и Стивена Нидерера)
Моделирование может гарантировать, что врачи-кардиологи будут использовать правильные типы имплантатов. Транскатетерная имплантация аортального клапана используется для лечения тяжелого аортального стеноза – заболевания сердечного клапана, которое является одной из основных причин смертности от сердечно-сосудистых заболеваний во всем мире. Заболевание сужает аортальный клапан сердца, не позволяя ему полностью открыться, в результате чего кровоток блокируется или уменьшается, и сердце вынуждено работать интенсивнее. Стеноз вызывает всевозможные симптомы: от одышки и боли или стеснения в груди до обмороков, головокружения и сильного сердцебиения. Компьютерное моделирование, проведенное командой Медицинского центра Эразмус в Роттердаме, помогло врачам подобрать размер клапана и глубину имплантации, подходящие пациенту