В нескольких словах
Наталья Траянова разрабатывает виртуальные модели сердца для улучшения диагностики и лечения сердечно-сосудистых заболеваний, используя искусственный интеллект и большие данные. Это позволяет врачам более точно определять методы лечения и снижать риск внезапной остановки сердца. Разработка сталкивается с проблемами финансирования и внедрения в клиническую практику, но имеет огромный потенциал.
Здоровое сердце бьется около 3 миллиардов раз за жизнь. Это возможно благодаря «маленькому мозгу» из 40 000 нейронов и других нервных клеток, генерирующих электрические импульсы, которые заставляют сердце сокращаться и перекачивать кровь по всему организму. Когда эта система дает сбой, сердцебиение становится нерегулярным, что может привести к остановке сердца за считанные минуты или спровоцировать другие заболевания, такие как инсульт.
Наталья Траянова ежедневно сталкивается с этой «огромной» проблемой здравоохранения. Биофизик болгарского происхождения, она профессор биомедицинской инженерии и медицины в Университете Джонса Хопкинса в США. Она возглавляет Альянс инноваций в диагностике и лечении сердечно-сосудистых заболеваний, исследовательский институт, где врачи, инженеры, радиологи и математики применяют прогностические подходы, основанные на данных, компьютерном моделировании и инновациях в кардиологической визуализации, для улучшения диагностики и лечения сердечно-сосудистых заболеваний.
Траянова создает виртуальные сердца для каждого пациента — инновация, которая может улучшить принятие клинических решений и качество медицинской помощи. Во время визита в Испанию для выступления на конференции в Фонде Рамона Аресеса в Мадриде ученая объясняет в этом интервью одно из самых перспективных применений искусственного интеллекта: моделирование сердца, чтобы предотвратить его преждевременную остановку.
Вопрос: Насколько опасна болезнь, с которой вы боретесь?
Ответ:
Внезапная остановка сердца — самый главный убийца, которого мы знаем. В большинстве случаев это связано с нарушениями сердечного ритма, аритмиями. Каждый год около 400 000 человек умирают от этих причин только в Соединенных Штатах. Это огромная проблема, особенно потому, что мы не понимаем, почему и как это происходит. Наша конечная цель — знать, кто будет страдать от аритмии, и предотвратить ее.
В: Как вы планируете этого достичь?
О:
С помощью вычислительной кардиологии. Представьте, что вы пришли в больницу с проблемой сердца. Во многих случаях врачи не уверены, как лучше вас лечить. Что мы делаем, так это создаем виртуального двойника вашего сердца, который помогает нам понять, в чем ваша проблема, и опробовать варианты лечения, чтобы врачи могли решить, что делать.
В: Как строится цифровой двойник сердца?
О:
Мы используем медицинские изображения и вычисления, чтобы построить точную копию вашего сердца. Он воспроизводит все, что происходит в органе, от клеточного уровня до целого сердца.
В: Можно ли сделать двойника любого сердца?
О:
В сердце есть рубцы, которые образуются после инфаркта. Есть также соединительная ткань, которая образуется в результате нормального старения сердца. Эти повреждения затрудняют распространение электрических импульсов, а это значит, что ваше сердце плохо сокращается и не перекачивает достаточно крови и кислорода в остальную часть тела. Через пять минут вы можете умереть. Виртуальный двойник основан на изображении сердца пациента, сделанном с помощью магнитно-резонансной томографии с контрастом. Там мы можем увидеть рубцы и воспроизвести их в трехмерной модели. В эту модель мы также включаем ориентацию мышечных волокон, которые имеют решающее значение для сокращения. И, наконец, мы добавляем слой, который показывает нам сердце на уровне разрешения в один микрон [одна миллионная часть метра]. В этом слое мы представляем ткань на клеточном и субклеточном уровне. Мы можем воспроизвести, например, небольшие электрические токи, которые проходят от одной клетки к другой, которые необходимы для распространения сердцебиения по всему сердцу. Готовое виртуальное сердце представляет собой около 20 миллионов клеток.
В: Сколько времени занимает создание виртуального сердца?
О:
Это сложный процесс, требующий больших компьютеров. Во-первых, на основе магнитно-резонансной томографии сегментируются ткани и фиброз, что вручную займет шесть часов. Однако с помощью искусственного интеллекта этот процесс сокращается до нескольких минут. Затем программное обеспечение назначает ориентацию волокон на основе атласа человеческих сердец. Затем его делят на небольшие участки перед моделированием. Моделирование затруднено из-за высокого разрешения и сложности уравнений потока тока, которые требуют очень коротких временных интервалов для точного моделирования распространения электричества. Итак, чтобы ответить на ваш вопрос, моделирование аритмии в течение четырех минут может занять от четырех до 10 часов на суперкомпьютере, в зависимости от количества доступных ЦП [центральный процессор]. Однако для выполнения нескольких симуляций и анализа различных сценариев требуются большие вычислительные усилия. Можно оценить возмущения в разных областях сердца и определить критические точки, где необходимо провести абляцию: прижечь ткань, чтобы сделать небольшой рубец для исправления аритмии. Недавно мы опубликовали исследование в Nature Computational Science, где искусственный интеллект использовался для решения необходимых уравнений за одну секунду. Еще предстоит адаптировать его для включения рубцов и фиброза, но в нормальном сердце он уже эффективен.
Виртуальные сердца двух пациентов, созданные командой Траяновой в Университете Джонса Хопкинса (США).Circulation
В: Какие результаты вы получили у пациентов?
О:
Аритмии различаются в зависимости от их расположения в сердце. Те, которые поражают его нижние камеры, желудочки, вызывают внезапную смерть. Те, которые поражают верхние камеры, предсердия, не смертельны, но представляют собой самую большую проблему здравоохранения в мире. Этим страдают 2% населения. Каждый четвертый человек старше 65 лет. Эти аритмии приводят к инфарктам головного мозга. Для их лечения мы разработали персонализированные цифровые двойники для 10 пациентов в пилотном исследовании. Эти люди перенесли очень серьезные инфаркты, и врачи не знали, как поступить. Цифровые двойники показали, где проводить абляцию и какие результаты она даст. Врачам оставалось только поместить катетер туда, куда мы им сказали. Мы закончили три недели назад, и пока все пациенты живы и здоровы. Мы также запустили новое исследование со 170 пациентами с проблемами предсердий.
В: Можно ли будет когда-нибудь использовать эти методы в обычном режиме?
О:
До сих пор их использование было ограничено необходимостью больших вычислительных ресурсов. Но с новым искусственным интеллектом, опубликованным недавно, уравнения можно решить за секунды на персональном компьютере. Это облегчит его внедрение в клиниках. В настоящее время процесс автоматизирован: пациент приходит, его сердце сканируется, сегментируется, создается цифровой двойник и прогнозируется идеальное лечение. Накануне вечером врач получает план и во время процедуры следует прогнозу на экране, чтобы точно применить катетер.
В: Что вы думаете о опасениях по поводу искусственного интеллекта?
О:
В Johns Hopkins я руковожу как исследованиями в области цифровых двойников и вычислительной кардиологии, так и инициативой в области искусственного интеллекта в здравоохранении и медицине. Благодаря анонимному пожертвованию был профинансирован крупный проект с участием 160 профессоров в области искусственного интеллекта и новое здание. Хотя ИИ быстро развивается, его внедрение в медицину происходит медленно из-за необходимости тщательного тестирования и доверия врачей. Недостаточно, чтобы ИИ ставил диагноз; он должен быть объяснимым и понятным для врачей и пациентов. Построение этого доверия является ключом к его интеграции в клиническую практику и медицинские записи.
В: Как новая администрация Дональда Трампа влияет на биомедицинские исследования в вашей стране?
О:
Это ужасно. Сокращения косвенных затрат Национальных институтов здоровья (NIH) при администрации Трампа очень вредны для исследований в США. Эти затраты, согласованные с каждым университетом, финансируют лаборатории и инфраструктуру. Johns Hopkins — учреждение, которое получает больше всего финансирования от NIH во всех Соединенных Штатах. Новая ситуация серьезно повлияет на научное развитие. Сокращение ресурсов ограничит наем новых профессоров и затруднит прогресс исследований. Соединенные Штаты рискуют потерять свое мировое лидерство в науке и биомедицине. Нам могут потребоваться несколько поколений, чтобы смягчить последствия. Источник: elpais.com
