Цифровые двойники сердца способны диагностировать и лечить сердечные заболевания
Международная команда исследователей уже сейчас использует цифровых двойников для получения информации и поддержки бесперебойной работы двигателей самолетов, автомобилей, аэрокосмических аппаратов. Более того, двойники позволяют инженерам проводить профилактическое обслуживание двигателей и предотвращать появление поломок. Подобное возможно и в сфере медицины, а именно в кардиологии, — цифровые двойники вскоре будут следить за не менее важным механизмом, сердцем человека.
Цифровой двойник – это единая обучаемая система, описывающая работу изделия на протяжении всего его жизненного цикла. В той же мере, как данная система применяется инженерами в сфере промышленности, виртуальные сердца могли бы использоваться врачами для диагностирования и определения необходимых методов лечения.
На практике это будет выглядеть так: в первую очередь, пациента необходимо будет обеспечить различными датчиками. Собранные с них данные с помощью специальной программы впоследствии превращались бы в симуляцию насосного органа. Работа симуляции будет отражать работу сердца и процесс кровообращения.
Идея создания цифровых двойников сердца принадлежит программе группы исследователей в области кардиологии под названием ECHOES. Во главе нее стоит профессор бельгийского университета KULeuven Франк Радемаркес. В программе также участвуют европейские и американские исследовательские группы, в том числе Шеффилдский и Бристольский университеты в Великобритании, Гарвард и Стэнфорд в Америке, а также такие фирмы, как “Ansys”, компания, занимающаяся компьютерной симуляцией, и “GE”, производящая реактивные двигатели и медицинские приборы.
Технология, разрабатываемая ECHOES, такова: миниатюрные датчики, которые люди смогут носить в ходе повседневной жизни. По словам Тима Чико из Шеффилдского университета, это позволит отслеживать работу сердца в различных обстоятельствах, в том числе во время сна, ходьбы, физической активности, а не только в течение короткого периода времени, когда пациент проходит клиническое обследование. Некоторые портативные сердечные устройства доступны уже сейчас, однако их использование ограничено несколькими днями. Цифровые двойники будут получать данные с большего набора датчиков и на протяжении более длительного периода.
Доктор Чико предполагает, что мониторинг будет возможен на основе таких простых в использовании продуктов, как приложения для здоровья на смартфонах и фитнес-трекерах. Разработкой датчиков с большим количеством функций занимается группа исследователей ECHOES. Среди них есть ультразвуковой сканер — устройство, которое использует высокочастотные звуковые волны для создания изображений внутренних органов тела. Над его разработкой работает Янг Д’Хуг и его коллеги из университета Leuven. Главным преимуществом данной технологии является ее возможность быть «вшитой» в предметы одежды. Идея заключается в том, что как передатчики, производящие ультразвуковые импульсы, так и приемники, улавливающие возвратные эхосигналы, могут быть вплетены в текстиль, используемый для изготовления, например, жилетов. По словам доктора Д’Хуга таким образом можно будет создавать одежду, способную проводить сканирование сердца, и, более того, ее можно будет стирать.
В то время, как создание пригодных к носке сканеров займет еще несколько лет, некоторые элементы построения цифровой модели сердца могут найти широкое применение уже сейчас. Род Хос, бывший аэрокосмический инженер, который в настоящее время является экспертом в области медицинского моделирования в Шеффилдском университете, возглавил недавний проект под названием EurValve, в рамках которого была разработана система, помогающая врачам лечить людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. EurValve собрала разнообразные данные о состоянии пациентов на основе сканирования и других больничных тестов. Эти показатели были объединены с другой информацией, полученной от этих пациентов, когда они находились дома, с помощью часов, отслеживающих состояние здоровья, которые производит голландская технологическая группа Philips. Система EurValve, которая, как надеются исследователи, в скором времени будет внедрена в клиническую практику, сможет определять тяжесть заболевания и предсказывать исход операции по замене клапанов сердца.
Подобные технологии сыграли бы огромную роль в развитии кардиологии. Часто пациенты не способны точно описать свои симптомы, а тестирование, которое проводит больница, не дает полноценной картины. Особенно следует учесть, что обследуемые люди зачастую уже находятся в состоянии стресса во время медицинских тестов. Стресс как реакция организма способен искажать конечные данные проводимых исследований. В случае же с постоянным мониторингом состояния сердца, чистых результатов будет добиться намного проще. Конечной целью специалисты ставят возможность передавать данные непосредственно в медицинский центр, как это работает сейчас с двигателями самолетов в воздухе и инженерными базами на земле.
Цифровой двойник сердца позволит создать эффективное лечение пациента при многих других заболеваниях. Это даст более четкое представление о вероятном результате вмешательства в конкретном случае. Например, показать, какой тип операции лучше всего подходит для состояния пациента, или же более подходящими являются лекарства и регулярные осмотры.
Несмотря на это, существуют противоречивые мнения на счет преимуществ подобных технологий. Задачей трансляционной медицины является разработка способов создания цифрового двойника пациента (то есть цифровой модели протекающих в конкретном человеке биофизических, биохимических и нейрофизиологических процессов как на уровне организма в целом, так и отдельных органов и систем) и цифровых двойников препаратов (модели лекарства, которая при задании параметров, присущих той или иной среде, куда попадет молекула препарата, претерпевает те же самые трансформации, которые претерпело бы само лекарство при реальном попадании в такую среду). При помещении цифрового аналога препарата в цифровой аналог организма человека, станет понятно, как взаимодействовало бы реальное лекарство и данный организм со всеми его патологиями и особенностями. Однако по мнению некоторых специалистов, живой организм настолько сложен, что любая модель, созданная компьютером, будет иметь ограничения и погрешности, которые в итоге могут оказаться критическими. Клинические испытания, на которые требуется больше времени, включают в себя возможные последствия применения препаратов или физических способов воздействия на организм человека.
И все же, по мере того как все большее число пациентов будет использовать цифрового двойника сердца для диагностики, технология будет совершенствоваться, и в будущем, возможно, вся система станет более точной. Тогда врачи получат новые данные о том, как работают сердца пациентов, а люди смогут расслабиться, зная, что цифровой двойник следит за их главным «двигателем».
Технологии
Анастасия Рыскова
Три новых вида птерозавров были найдены в Сахаре
Запрет на продукты дикой природы: эффективно ли это?
