Имитационная модель сердца

Мы подготовили перевод статьи о проекте «Живое сердце», который занимается созданием первой в мире имитационной модели сердца. 

В течение многих лет медицина и здравоохранение полагались на случайные клинические испытания, а полученные результаты задавались в качестве «золотого стандарта» для оценки процедур, лекарств, медицинских устройств или каких-либо других продуктов. Но подобные исследования могут быть очень дорогими и трудоёмкими. Кроме того, результаты не всегда соответствуют тому, что происходит в реальном мире. А в некоторых случаях подобные испытания могут подвергать пациентов значительному риску.

Поэтому появилась необходимость в новых подходах, чтобы заполнить существующие пробелы, оставленные клиническими испытаниями. The Living Heart Project (проект «Живое сердце») – проект, который запустили, чтобы решить эти проблемы.

Проект начался в 2014 году, когда Dassault Systèmes подписал пятилетнее соглашение с Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA). Бернард Шарлес (Bernard Charlès), генеральный директор Dassault Systèmes, объяснил, что компания рассматривает это как возможность применить к биологии и медицине свой обширный опыт в разработке систем и имитационных моделей для других отраслей, таких как транспорт и производство. Он также добавил: «Исторически уровень внедрения моделирования и симуляции в медицине был чрезвычайно низким в отличие от других отраслей экономики».

Тем не менее, потенциал всегда там был. В конце концов, имитационное моделирование изменило другие области и профессии, такие как метеорология, производство и аэрокосмическая инженерия. Например, сейчас ни один космический аппарат не допускается до стартовой площадки без миллионов часов компьютерных симуляций, которые помогают исследовать каждую вероятную возможность и помочь соответствующим образом скорректировать технологию и планы. Медицина также может извлечь выгоду из подобных технологий и подходов.

Конечной целью проекта «Живое сердце» было создание обширной компьютерной имитационной модели человеческого сердца, которая могла бы использоваться для тестирования различных типов устройств и лекарств, а также для обучения людей тому, как выполнять процедуры. То есть виртуальное сердце для запуска виртуальных экспериментов.

Компьютерное моделирование может показать потенциальные результаты различных вариантов лечения, но сердце – очень сложная система.

Сердце состоит из множества различных типов клеток и тканей, которые работают вместе для выполнения широкого спектра интегрированных функций. Воздействие «медицинскими устройствами», такими как искусственный клапан или лекарство, может повлечь за собой ряд тяжёлых последствий. Поэтому, если мы хотим создать имитационную модель, которая действительно сможет предсказать все эти последствия, мы должны учесть множество важных деталей – клетки, мышечные волокна, сердечные клапаны, камеры сердца и т.д. Ведь то, что происходит, например, с ионным каналом в клетке может в конечном счёте повлиять на работу сердца и наоборот.

Таким образом, чтобы создать имитационную модель сердца нужно объединить множество деталей, концепций и знаний по различным дисциплинам. Стив Левайн (Steve Levine), доктор философии, исполнительный директор проекта «Живое сердце», говорил следующее: «Мы должны были собрать вместе различные сообщества. Не только инженеров, но и экспертов по разным аспектам сердечной деятельности – биологов, кардиологов и хирургов. Проект действительно собрал и объединил множество людей из разных дисциплин».

В общей сложности проект «Живое сердце» включает более 80 партнёров в области исследований и промышленности, в том числе ведущих специалистов из различных медицинских учреждений. В настоящее время в проекте «Живое сердце» зарегистрировано 130 организаций из 24 стран мира.

В начале запуска проекта стоял важный вопрос: как различные члены медицинского сообщества примут имитационную модель сердца? Инициаторы проекта «Живое сердце» не были уверены в том, что медицинские эксперты с радостью встретят новую идею. Уверенность пришла только тогда, когда они встретились с непредубеждёнными хирургами, которые показали реальность своей повседневной жизни и сложный процесс планирования перед операцией. Вскоре образовалась экосистема кардиоторакальных хирургов, кардиологов, а также других медицинских экспертов и исследователей, которые начали работать вместе.

С тех пор дела пошли в гору. В 2015 году проект выпустил первый в мире коммерческий 3D симулятор человеческого сердца. В следующем году модель сымитировала кровоток в бьющемся сердце. В 2017 году проект сделал «Живое сердце» доступным в облаке, а в следующем году модель использовалась для определения безопасности лекарств, которые могут вызывать нарушения сердечного ритма. В настоящее время существует модель, которая позволяет снимать и перемещать различные слои и части сердца, а также вносить изменения, например, вставлять устройства. На сегодняшний момент, «Живое сердце» – это уже решение коммерческого уровня, которое могут использовать компании, производящие медицинские приборы, и больницы.

Имитационное моделирование может покрыть многие недостатки реальных клинических испытаний. Например, клиническое испытание может проводиться только в одном месте или группе мест в течение определённого периода времени и при определённых обстоятельствах. Имитационная модель же позволяет исследовать последствия от изменения обстоятельств и условий. С помощью неё можно попытаться провести эксперименты, которые трудно или даже невозможно провести в реальной жизни.

Список, где потенциально возможно использовать имитационную модель сердца, очень длинный. Такая модель может помочь расширить наши коллективные знания о сердце и помочь в подготовке врачей и учёных. Также она подходит для планирования лечения и процедур. В будущем результаты экспериментов по моделированию могут стать значительными частями документов, который подаются в Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA), в рамках процесса утверждения и регулирования медицинского оборудования, лекарств и других медицинских продуктов. FDA на самом деле опережает многие регулирующие органы в других отраслях в рассмотрении вопроса о моделировании для принятия регулирующих решений. В этих отраслях нет такой открытости и вовлечённости, как у FDA.

Два десятилетия назад медицина, возможно, была не совсем готова для имитационных моделей. Но с тех пор многое изменилось. Можно с уверенностью сказать, что проект «Живое сердце» будет продолжен, учитывая результаты, приём медицинского сообщества и потенциал для улучшения исследований, ухода за пациентами и развития медицинского продукта.

С оригиналом статьи можно ознакомиться на сайте forbes.com.