Szybki rozwój technologii informatycznych, pakietów oprogramowania symulacyjnego i urządzeń medycznych w ostatnich latach daje możliwość zebrania dużej ilości informacji klinicznych. Tworzenie kompleksowych i szczegółowych narzędzi obliczeniowych stało się zatem niezbędne do przetwarzania konkretnych informacji z obfitości dostępnych danych.
Z punktu widzenia lekarzy, niezwykle ważne jest rozróżnienie fenotypów "normalnych" i "nienormalnych" u konkretnego pacjenta, aby oszacować postęp choroby, reakcje terapeutyczne i przyszłe ryzyko. Najnowsze modele obliczeniowe znacznie poprawiły zintegrowane zrozumienie zachowania mięśnia sercowego w kardiomiopatiach przerostowych (HCM) i poszerzających (DCM)1. Kluczowe znaczenie ma użycie szczegółowego i anatomicznie dokładnego modelu aktywności elektrycznej całego serca o wysokiej rozdzielczości, co wymaga ogromnych czasów obliczeń, dedykowanego oprogramowania i superkomputerów1,2,3. Metodologia dla prawdziwego modelu 3D serca została niedawno opracowana przy użyciu liniowego sprężystego i ortotropowego modelu materiałowego opartego na eksperymentach Holzapfel, który może dokładnie przewidzieć transport i przemieszczenie sygnału elektrycznego w polu heart4. Opracowanie nowatorskich podejść do modelowania integracyjnego może być skutecznym narzędziem do rozróżniania rodzaju i nasilenia objawów u pacjentów z zaburzeniami wielogenowymi oraz oceny stopnia upośledzenia normalnej aktywności fizycznej.
Istnieje jednak wiele nowych wyzwań dla modelowania specyficznego dla pacjenta. Fizyczne i biologiczne właściwości ludzkiego serca nie są możliwe do pełnego określenia. Pomiary nieinwazyjne zwykle zawierają zaszumione dane, na podstawie których trudno jest oszacować konkretne parametry dla indywidualnego pacjenta. Obliczenia na dużą skalę wymagają dużo czasu, podczas gdy ramy czasowe kliniczne są ograniczone. Danymi osobowymi pacjentów należy zarządzać w taki sposób, aby wygenerowane metadane mogły być ponownie wykorzystane bez naruszania poufności danych pacjenta. Pomimo tych wyzwań, wieloskalowe modele serca mogą zawierać wystarczający poziom szczegółowości, aby uzyskać prognozy, które ściśle podążają za obserwowanymi przejściowymi reakcjami, zapewniając w ten sposób nadzieję na przyszłe zastosowania kliniczne.
Jednakże, pomimo znacznego wysiłku naukowego wielu laboratoriów badawczych i znacznej ilości wsparcia grantowego, obecnie dostępny jest tylko jeden komercyjnie dostępny pakiet oprogramowania do symulacji wieloskalowych i całego serca, o nazwie SIMULIA Living Heart Model5. Obejmuje dynamiczną symulację elektromechaniczną, udoskonaloną geometrię serca, model przepływu krwi i pełną charakterystykę tkanki serca, w tym charakterystykę bierną i aktywną, włóknistą naturę i ścieżki elektryczne. Model ten jest przeznaczony do stosowania w medycynie spersonalizowanej, ale charakterystyka materiału aktywnego opiera się na modelu fenomenologicznym wprowadzonym przez Guccione i wsp.6,7. W związku z tym projekt SIMULIA nie jest w stanie bezpośrednio i dokładnie przetłumaczyć zmian w charakterystyce funkcjonalnej kurczliwych białek obserwowanych w wielu chorobach serca. Zmiany te są spowodowane mutacjami i innymi nieprawidłowościami na poziomie molekularnym i subkomórkowym6. Ograniczone wykorzystanie oprogramowania SIMULIA do niewielkiej liczby zastosowań w praktyce klinicznej jest doskonałym przykładem dzisiejszych trudności w opracowywaniu wieloskalowych modeli ludzkiego serca na wyższym poziomie. Z drugiej strony motywuje to do opracowania nowej generacji wieloskalowych pakietów programowych, które mogą śledzić skutki mutacji od skali molekularnej do narządowej.
Głównym celem elektrofizjologii serca jest określenie propagacji sygnału wewnątrz tułowia i właściwości wszystkich przedziałów4,5,6. Projekt SILICOFCM8 przewiduje rozwój choroby kardiomiopatii na podstawie specyficznych dla pacjenta danych z badań biologicznych, genetycznych i klinicznych. Osiąga się to dzięki wieloskalowemu modelowaniu realistycznego układu sarkomerycznego, profilu genetycznego pacjenta, kierunku włókien mięśniowych, interakcji płyn-struktura i sprzężenia elektrofizjologicznego. Skutki deformacji lewej komory, ruchu zastawki mitralnej i złożonej hemodynamiki dają szczegółowe zachowanie funkcjonalne chorób serca u konkretnego pacjenta.
Ten artykuł demonstruje użycie platformy SILICOFCM do parametrycznego modelu lewej komory (LV) generowanego automatycznie na podstawie specyficznych dla pacjenta obrazów ultrasonograficznych przy użyciu modelu płynnej struktury serca z elektromechanicznym sprzężeniem. Analizy widoku wierzchołkowego i widoku w trybie M LV zostały wygenerowane za pomocą algorytmu głębokiego uczenia. Następnie, korzystając z generatora siatki, model elementów skończonych został zbudowany automatycznie, aby symulować różne warunki brzegowe pełnego cyklu dla LV contraction9. Na tej platformie użytkownicy mogą bezpośrednio wizualizować wyniki symulacji, takie jak wykresy ciśnienie-objętość, ciśnienie-odkształcenie i czas pracy mięśnia sercowego, a także animacje różnych pól, takich jak przemieszczenia, ciśnienia, prędkość i naprężenia ścinające. Parametrami wejściowymi od konkretnych pacjentów są geometria z obrazów ultrasonograficznych, profil prędkości w warunkach przepływu granicznego wejścia i wyjścia dla LV oraz specyficzna terapia lekowa (np. entresto, digoksyna, mavacamten itp.).