يوفر التطور السريع لتقنيات المعلومات وحزم برامج المحاكاة والأجهزة الطبية في السنوات الأخيرة الفرصة لجمع كمية كبيرة من المعلومات السريرية. لذلك ، أصبح إنشاء أدوات حسابية شاملة ومفصلة أمرا ضروريا لمعالجة معلومات محددة من وفرة البيانات المتاحة.
من وجهة نظر الأطباء ، من الأهمية بمكان التمييز بين الأنماط الظاهرية "الطبيعية" مقابل "غير الطبيعية" في مريض معين لتقدير تطور المرض والاستجابات العلاجية والمخاطر المستقبلية. حسنت النماذج الحسابية الحديثة بشكل كبير الفهم التكاملي لسلوك عضلات القلب في اعتلال عضلة القلب الضخامي (HCM) والتوسعي (DCM)1. من الأهمية بمكان استخدام نموذج عالي الدقة ومفصل ودقيق تشريحيا للنشاط الكهربائي للقلب بالكامل ، مما يتطلب أوقات حساب هائلة وبرامج مخصصة وأجهزة كمبيوتر عملاقة1،2،3. تم مؤخرا تطوير منهجية لنموذج قلب 3D حقيقي باستخدام نموذج خطي مرن ومواد تقويم يعتمد على تجارب Holzapfel ، والتي يمكنها التنبؤ بدقة بمجال نقل الإشارات الكهربائية والإزاحة داخل القلب4. يمكن أن يكون تطوير مناهج النمذجة التكاملية الجديدة أداة فعالة للتمييز بين نوع وشدة الأعراض لدى المرضى الذين يعانون من اضطرابات متعددة الجينات وتقييم درجة الضعف في النشاط البدني الطبيعي.
ومع ذلك ، هناك العديد من التحديات الجديدة للنمذجة الخاصة بالمريض. الخصائص الفيزيائية والبيولوجية لقلب الإنسان غير ممكن تحديدها بشكل كامل. عادة ما تتضمن القياسات غير الغازية بيانات صاخبة يصعب من خلالها تقدير معلمات محددة للمريض الفردي. يتطلب الحساب على نطاق واسع الكثير من الوقت للتشغيل ، في حين أن الإطار الزمني السريري محدود. يجب إدارة البيانات الشخصية للمريض بطريقة يمكن من خلالها إعادة استخدام البيانات الوصفية التي تم إنشاؤها دون المساس بسرية المريض. على الرغم من هذه التحديات ، يمكن أن تتضمن نماذج القلب متعددة المقاييس مستوى كافيا من التفاصيل لتحقيق التنبؤات التي تتبع عن كثب الاستجابات العابرة المرصودة ، وبالتالي توفير الوعد للتطبيقات السريرية المستقبلية.
ومع ذلك ، بغض النظر عن الجهد العلمي الكبير الذي بذلته مختبرات الأبحاث المتعددة والمبلغ الكبير من دعم المنح ، لا يوجد حاليا سوى حزمة برامج واحدة متاحة تجاريا لمحاكاة القلب متعدد النطاقات وكامل ، تسمى SIMULIA Living Heart Model5. ويشمل المحاكاة الكهروميكانيكية الديناميكية ، وهندسة القلب المكررة ، ونموذج تدفق الدم ، والتوصيف الكامل لأنسجة القلب ، بما في ذلك الخصائص السلبية والنشطة ، والطبيعة الليفية ، والمسارات الكهربائية. يستهدف هذا النموذج استخدامه في الطب الشخصي ، لكن توصيف المواد النشطة يعتمد على نموذج ظاهري قدمه Guccione et al.6,7. لذلك ، لا يمكن ل SIMULIA أن تترجم بشكل مباشر ودقيق التغيرات في الخصائص الوظيفية للبروتين المقلص التي لوحظت في العديد من أمراض القلب. تحدث هذه التغييرات بسبب الطفرات والتشوهات الأخرى على المستويين الجزيئي وتحت الخلوي6. يعد الاستخدام المحدود لبرنامج SIMULIA لعدد صغير من التطبيقات في الممارسة السريرية مثالا رائعا على صراعات اليوم في تطوير نماذج قلب بشرية متعددة المستويات عالية المستوى. من ناحية أخرى ، فإنه يحفز تطوير جيل جديد من حزم البرامج متعددة المقاييس التي يمكنها تتبع آثار الطفرات من النطاق الجزيئي إلى مقياس الأعضاء.
الهدف الرئيسي من الفيزيولوجيا الكهربية للقلب هو تحديد انتشار الإشارة داخل الجذع وخصائص جميع المقصورات4،5،6. يتنبأ مشروع SILICOFCM8 بتطور مرض اعتلال عضلة القلب باستخدام بيانات التصوير البيولوجي والجيني والسريري الخاصة بالمريض. يتم تحقيق ذلك من خلال النمذجة متعددة المقاييس لنظام الساركومريك الواقعي ، والملف الجيني للمريض ، واتجاه الألياف العضلية ، وتفاعل بنية السوائل ، واقتران الفيزيولوجيا الكهربية. تعطي تأثيرات تشوه البطين الأيسر وحركة الصمام التاجي وديناميكا الدم المعقدة سلوكا وظيفيا مفصلا لأمراض القلب لدى مريض معين.
توضح هذه المقالة استخدام منصة SILICOFCM لنموذج حدودي للبطين الأيسر (LV) يتم إنشاؤه تلقائيا من صور الموجات فوق الصوتية الخاصة بالمريض باستخدام نموذج قلب ذو بنية سائلة مع اقتران كهروميكانيكي. تم إنشاء تحليلات العرض القمي وعرض الوضع M ل LV باستخدام خوارزمية التعلم العميق. بعد ذلك ، باستخدام مولد الشبكة ، تم بناء نموذج العناصر المحدودة تلقائيا لمحاكاة الظروف الحدودية المختلفة للدورة الكاملة لانكماش الجهد المنخفض9. على هذا النظام الأساسي ، يمكن للمستخدمين تصور نتائج المحاكاة مباشرة مثل حجم الضغط ، وإجهاد الضغط ، ومخططات وقت عمل عضلة القلب ، بالإضافة إلى الرسوم المتحركة لمجالات مختلفة مثل الإزاحة والضغوط والسرعة وضغوط القص. معلمات الإدخال من مرضى محددين هي الهندسة من صور الموجات فوق الصوتية ، وملف تعريف السرعة في ظروف تدفق حدود الإدخال والإخراج ل LV ، والعلاج الدوائي المحدد (على سبيل المثال ، entresto ، digoxin ، mavacamten ، إلخ).