قلب هر فرد ویژگی‌های مخصوص به خود را دارد. سال‌هاست که دانشمندان شاخه پزشکی محاسباتی سعی در شناخت روش‌های مطالعه و شبیه‌سازی قلب دارند. در آزمایشگاه Trayanovalab در دانشگاه Johns Hopkins این مدل‌ها برای شناخت ویژگی‌های قلب تولید می‌شوند. دانشمندان این آزمایشگاه به سرپرستی Natalia Trayanova سعی در ایجاد تحولات مثبت در روش‌های درمانی بیماران قلبی دارند. آنان با ایجاد تصویر هندسی قلب و شبیه سازی کارکرد عضلات قلب و کارکرد الکتریکی قلب روی این تصویر، می‌توانند جنبه‌های مختلف قلب بیمار و آریتمی را مطالعه کنند. برای آشنایی بیشتر با این پژوهش با مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

اهمیت شبیه سازی قلب و کارکرد این شبیه سازی ها

در رشته مهندسی پزشکی دانشمندان در پی شبیه‌سازی ارگان‌های پیچیده بدن هستند. در این میان شبیه‌سازی‌های قلب با سرعت و دقت زیادی انجام شده است و بسیار پیشرفت کرده است. این نسخه مشابه قلب پیچیدگی‌های قلب و کارکرد آن را با جزئیات زیاد در سطح مولکولی و سلولی، تا سطح یک ارگان را به خوبی شبیه‌سازی می‌کند. همچنین تپش عضلات در این مدل‌ها به خوبی نشان داده می‌شود.

این مدل‌ها ارزش خود را در پژوهش‌های قلب به اثبات رسانیده است. مدل‌هایی از این دست به دانشمندان اجازه می‌دهند داده‌های تجربی را به کار بگیرند تا بتوانند بیماری‌های قلبی را مطالعه کنند. از میان این مدل‌ها قلب‌های مجازی پتانسیل ایجاد تحولات زیادی را دارا هستند.

گام اول در مطالعات محاسباتی قلب، تصویربرداری MRI است. پس از آن دانشمندان یک تصویر/مدل شخصی‌سازی شده از قلب فرد ایجاد می‌کنند. این تصویر/مدل را می‌توان به روش‌های نظری دستکاری کرد یا آزمایش کرد. این روش‌های دستکاری روی قلب واقعی قابل انجام نیست. این روش بررسی به طور خاص می‌تواند با کاهش هزینه‌های آزمایش و کاهش میزان تهاجمی بودن آزمایش به شناخت خوبی از بیماری فرد برسد. شایان ذکر است که این روش مطالعه هنوز در مرحله آزمایش بالینی است. اما Natalia Trayanova به عنوان پژوهشگر ارشد این روش، آزمایش‌های بالینی دقیقی را برای شناخت این روش‌ها پیش‌بینی کرده است.

شناخت قابلت‌های بالقوه یک قلب مجازی

برای درک بهتر این روش و مزیت‌های آن باید پزشکی قلب امروز را بشناسیم. برای درک بهتر این مورد بیایید بیماری را تصور کنیم که دچار حمله قلبی شده است. بیمار ما روی زمین افتاده است و قفسه سینه را چنگ زده است. او بسیار ترسیده است. پس از انتقال او به بخش اورژانس بیمارستان پزشکان برای ابقای جریان خون و بازرسانی اکسیژن به قلب دست به کار می‌شوند. هر چند در این کار موفق می‌شوند، تعدادی از سلول‌های قلبی بیمار در هنگام حمله بر اثر نبود اکسیژن مرده‌اند. این سلول‌های مرده در سیگنال الکتریکی کلی قلب اخلال ایجاد می‌کنند.

در صورتیکه این اخلال ایجاد شده پس از حمله قلبی سبب نامنظم شدن ضربان قلب شود(آریتمی قلبی) بیمار در خطر جدی قرار می‌گیرد. در این هنگام پزشک باید تصمیم بگیرد که بیمار در معرض این خطر هست یا خیر. اگر بیمار در معرض خطر آریتمی قلب باشد ممکن است حمله قلبی را باز هم تجربه کند. گاها پزشکان برای پیشگیری از ایست قلبی یک ایمپلنت الکتریکی استفاده می‌کنند که با وارد کردن شوک قلب را به کارکرد عادی باز می‌گرداند. این دستگاه همان الکتروشوک یا دفیبریلاتور است.

ایمپلنت دفیبلاتور برای کدام بیمار لازم است؟

پزشک چگونه باید در این مورد تصمیم بگیرد؟  پزشک تا حد امکان به دوری از یک جراحی کاشت غیر ضروری علاقه دارد. کاشت ایمپلنت یک جراحی تهاجمی است و برای بیمار دشوار خواهد بود. همچنین بیمار باید پیچیدگی‌های حضور این ایمپلنت در بدنش را پذیرا باشد. در حال حاضر پزشکان به میزان خونی توجه می‌کنند که در هر تپش از قلب به خارج فرستاده می‌شود(ejection fraction). اگر این عدد زیر ۳۵ درصد باشد به بیمار توصیه می‌شود که جراحی کاشت را انجام دهد. معمولا تنها پنج درصد بیمارانی که جراحی کاشت را انجام می‌دهند دچار آریتمی می‌شوند و ایمپلنت شوک مورد نیاز را به بدن تحویل می‌دهد.

از طرف دیگر تجربه شوک ایجاد شده از ایمپلنت نیز خوشایند نیست. برای برخی مانند لگد خوردن در ناحیه قفسه سینه است. برای برخی مثل رفتن زیر آب است و برخی بیهوش می‌شوند. از طرف دیگر بیمارانی نیز هستند که بدون ایمپلنت به زندگی ادامه می‌‌دهند و مشکل ایست قلبی را تجربه می‌کنند.

دقت شبیه سازی محاسباتی قلب برای پیشگویی آریتمی قلبی

شبیه‌سازی و محاسبات پزشکی در اینجا به کار می‌آید. می‌توان به طور نظری روی قلب آزمایش‌های مختلفی انجام داد. در نواحی مختلف قلب شوک ایجاد کرد و احتمال ابتلای بیمار به آریتمی قلبی را بررسی کرد. در دانشگاه John Hopkins و در Baltinmore آزمایشی برای سنجش کارکرد این روش انجام شده است. در این آزمایش داده‌های ۴۰ بیمار دریافت شد که سکته قلبی را تجربه کرده بودند. این بیماران ایمپلنت قلب را دریافت کرده بودند. گروه اطلاعات قلب بیمار هنگام دریافت ایمپلنت را شبیه سازی کرد. سپس پیشگویی کرد که کدام بیماران پس از پنج سال نیاز به شوک دستگاه خواهد داشت. نهایتا این پیشگویی در ۸۵ درصد موارد درست بود. این درحالی است که دقت پیشگویی بر است Ejection Fraction در همین بازه زمانی ۵۱ درصد بوده است.

در حال حاضر گروه روی داده‌های بیمارانی با Ejection Fraction فراتر از ۳۵ متمرکز هستند. آنان قلب بیماران را شبیه‌سازی می‌کنند. سپس پیش‌بینی می‌کنند که بیمار در آینده آریتمی قلبی خواهد داشت یا نه. بر اساس این پیش‌بینی‌ها به بیماران برای دریافت ایمپلنت مشورت داده می‌شود.

چگونه یک قلب مجازی ساخته می‌شود؟

برای ساخت مدل قلب باید اطلاعات درستی از سلول‌های آسیب دیده پس از حمله قلبی وجود داشته باشد. پس استفاده از تصاویر MRI و CT لازم است. سپس با استفاده از پردازش تصویر عضلات دیواره قلب تشخیص داده می‌شود. سپس یک مدل هندسی ساخته می‌شود. پس از آن باید تعیین کرد که سیگنال‌های الکتریکی چگونه در قلب توضیع می‌شود.

پس از مشخص شدن همه این موارد مدلی از کارکرد داخلی قلب روی این تصویر انداخته می‌شود. باید دقیقا رد و بدل شدن یون‌ها در جداره سلول‌های قلب و وجود جریان بین سلولی به این تصویر اضافه شود. نتیجه یک نقشه قلب است که می‌توان آن را بزرگنمایی کرد، یا در سطح ارگان بدن آن را بررسی کرد.

استفاده از شبیه سازی قلب برای درمان آریتمی

گامی بعدی در این مطالعات یافتن درمان آریتمی قلبی است. برای بیمارانی که به دفعات شوک ایمپلنت را دریافت کرده‌اند، شناسایی علت بیماری مهم است. به عنوان مثال بیماری را در نظر بگیرید که آریتمی دارد. ابتدا پزشک این بیمار باید سیگنال‌های الکتریکی مسبب تپش نامنظم قلب را بشناسد. به فرض سیگنال‌ها مانند یک ابر چرخان در قلب پخش شود. اگر پزشک بتواند نقطه‌ای که این سیگنال چرخان ایجاد می‌شود، اقدام برای درمان ممکن است.

تعیین نقطه موثر در ایجاد آریتمی قلب

اینکار چندان راحت نیست. روش اینکار  آبلاسیون یا Ablation نام دارد. به این منظور پزشک یک کاتتر را از ران بیمار وارد بدن می‌کند. کاتتر به سمت قلب هدایت می‌شود. پس از آن با حسگر و الکترود سر کاتتر کارکرد الکتریکی همه نواحی قلب سنجیده می شود. این کار دردناک است و ۴ تا ۱۲ ساعت به طول می‌انجامد. باتوجه وضعیت خطرناک بیماران اینکار توجیح‌پذیر است. اما خالی از خطر و خاطا نیست.

در مواردی که آریتمی از بطن قلب ناشی شود، آبلاسیون چالش‌های خاص خود را دارد. در یک پژوهش روی بیمارانی که تپش سریع بطنی داشتند (ventricular tachycardia) ۵۴ درصد با آبلاسیون از تپش نامنظم قلب نجات یافتند. ۸ درصد بیماران نیز چالش‌های این روش را تجربه کردند.

سنجش کارایی پزشکی محاسباتی برای درمان تپش سریع بطنی یا ventricular tachycardia

در این موارد یک قلب مجازی به کمک بیمار و پزشک می‌آید. پزشکان John Hopkins با مطالعه روی پرونده بیماران پس از سکته قلبی با تپش سریع بطنی، ventricular tachycardia، سعی دارند در یافتن سلول‌های عامل این تپش نامطلوب به پزشکان کمک کنند. اینکار نیاز به کاوش دردناک در قلب بیمار را مرتفع می‌کند.

در مورد بیماران پس از سکته قلبی یک مدل قلبی ساخته می‌شود. این مدل نشان می‌دهد که چگونه سلول‌های مرده قلب در عملکرد الکتریکی قلب اخلال ایجاد می‌کنند. سپس شبیه‌سازی برای شناسایی نوع آریتمی محتمل در قلب بیمار و سلول‌های عامل آن انجام می‌شود. به این صورت سلول‌های عامل آریتمی قلب شناسایی می‌شوند. سپس برای سوزاندن این سلول‌ها تصمیم‌گیری می‌شود. به شکلی که کمتری تعداد سلول لازم سوزانیده شود. کاهش زمان Ablation و درد بیمار از مزایای این روش است. با داشتن این نقاط کافی است پزشک کاتتر را به محل مورد نظر هدایت کند.

کارایی این روش با شبیه‌سازی قلب بیمارانی انجام می‌شود که در گذشته تحت Ablation قرار گرفتند و درمان شدند. در واقع نقاطی که شبیه‌سازی تعیین می‌کند در میان نقاط سوزانده شده است. اما تعدادآن‌ها کمتر است.

---

Folding@home و CovidMoonshot برای محاسبات پزشکی و یافتن داروی ضد کرونا
انتشار کامل ترین نقشه ژنوم انسان توسط DeepMind
پانکراس مصنوعی برای نخستین بار روی بیماران مبتلا به دیابت نوع ۲ آزمایش شد

---

منبع: spectrumieee

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است.»