Vědci vyvíjejí simulaci srdce, na níž jde testovat zdravotnické materiály a zkoušet operace nanečisto
Představte si, že by si lékaři mohli každý kardiochirurgický zákrok vyzkoušet nanečisto a díky tomu by vybrali tu nejbezpečnější a nejefektivnější technologii a postup, který by byl pacientovi přesně ušit na míru. Zní to jako hudba budoucnosti, možná však ne tak vzdálené. Právě o to totiž usilují odborníci pracující na projektu Living Heart. Ti vytvářejí přesnou simulaci srdce, které funguje se vším všudy tak jako v lidském těle. Zároveň by ho mělo jít upravit dle individuálních parametrů pacienta získaných při vyšetřeních a nasimulovat, aby se chovalo dle jeho diagnózy.
Projekt, jehož úkolem je přesně a dle vědeckých poznatků nasimulovat fungování srdce, vzešel paradoxně od společnosti, která měla původně se zdravotnictvím pramálo společného. Dassault Systèmes totiž poskytovaly softwarové 3D aplikace mapující životnost výrobku například v oblasti dopravy a strojírenství. Jak tedy k nápadu vytvořit simulaci srdce došlo?
„Ředitel strategie Steve Levine má dceru, která od mala trpí problémy se srdcem. Podstoupila spoustu operací a před několika lety měla jít na další a dostat zase nějaký přístroj. Steve byl tehdy překvapen, protože 95 procent přístrojů není testováno – fyzicky je testovat na dobrovolnících je asi složitá věc. Měl proto nápad, jak technologie, které používá naše firma pro simulace letadel, automobilů či elektráren, převést do zdravotnictví a lépe tak predikovat, jak se zařízení bude chovat. Díky tomu se zachrání životy a optimalizují operace. A když kolegové asi před dvěma a půl lety projekt oznámili, řekl jsem, že Česká republika musí být součástí. Máme totiž poměrně hodně kvalitních výzkumníků a kardiospecialistů,“ vysvětluje Tomáš Ivančík z Dassault Systèmes.
Do projektu se tak zapojili odborníci z Fakulty strojní ČVUT a jihlavské VŠPJ. Nejsou pochopitelně jedinými zástupci univerzit, kteří se společností spolupracují. Úzce se zapojily také například britské univerzity, jako je Oxford, Univerzita v Glasgow či London University College. Loni do projektu vstoupil také americký regulátor FDA a byla podepsána pětiletá spolupráce na vývoji.
Zapojit se mohou i čeští klinici
Protože jsou dnes kardiovaskulární choroby nejčastější příčinou úmrtí, je na tomto poli velký potenciál. V současnosti lékaři využívají speciální barviva a rentgenové kamery, aby srdce pacienta mohli sledovat. Ultra-realistická vědecky ověřená 3D simulace srdce přitom už dnes výrobcům přístrojů, výzkumníkům a specialistům ve zdravotnictví umožňuje provádět virtuální testy a zobrazovat reakce srdce takovým způsobem, jaký tradiční fyzické testování nedovoluje.
Jak tedy model funguje? „Fyzicky a geometricky byl vyroben na základě zdravého muže. Teď je třeba se co nejvíc přiblížit realitě. V modelu funguje aktivní i pasivní odezva tkání na základě složitých matematických vzorců, přičemž je všechno založeno na validaci experimentálních dat. Model tak má strukturu a chová se jako reálné srdce, šíří se v něm elektrický impuls podle přesně daných anatomických struktur. Srdce ale zároveň nemůžeme vyjmout ze zbylého systému těla – je tam odpor cév, žil či plic. Proto je model postaven na reálných klinických datech a jsou za ním měsíce až léta výzkumu klinických pracovišť měřících údaje, které můžeme použít,“ vysvětluje docent Zdeněk Horák z katedry technických studií na Vysoké škole polytechnické v Jihlavě. Ten zároveň apeluje na odborníky z klinické sféry, aby se také do vývoje zapojili, posunuli ho dál a použili ke zlepšení léčby. „Model má svoje limity, ale také obrovský potenciál. Sebelepší model bez kliniků, kteří řeknou, co je reálný problém a co bychom měli řešit, nemá smysl,“ konstatuje docent Horák.
Jedním z úkolů, které tak má projekt Living Heart přinést, je propojit jednotlivé odborníky. „Je mnoho specialistů, ale ti nespolupracují mezi sebou – jeden se věnuje měkkým tkáním, někdo aortě, ale nikdo nepracuje dohromady. Cílem je tedy být otevřený a dát k dispozici moderní technologie pro spolupráci na jedné platformě,“ říká Tomáš Ivančík. „Každý specialista ve svém oboru může posunout znalosti dál,“ doplňuje Zdeněk Horák.
Mohlo by vás zajímat
Optimalizace léčby i více času pro přepravu při transplantacích
V praxi už byl model využit k simulaci různých stavů a pomohl tak zlepšit léčebné postupy. Namodelován byl například infarkt myokardu – do simulace se zanese rozsah nekrózy svaloviny a vyzkouší se, co se v orgánu děje. Ukáže se tak pokles výkonu srdce v dané konfiguraci a také, zda byla postižena místa šíření elektrického signálu. Díky simulaci různých stavů pak lze optimalizovat léčbu.
Další vědci zase využili simulaci k návrhu přepravního boxu pro transplantovaná srdce. „Jedním z klíčových faktorů je, že se srdce musí zchladit, ale nejde to udělat příliš rychle, aby se nepoškodila tkáň, ani příliš pomalu, aby nedošlo k degeneraci. Navrhli proto přepravní box, který optimalizuje podmínky, aby k chladnutí srdce na čtyři stupně došlo předepsanou rychlostí v plném objemu tak, aby to bylo co nejrychleji, ale bez poškození. Podle jejich prezentace prodloužili dobu transportu o 12 hodin, což je dost zásadní,“ přibližuje Zdeněk Horák.
Simulováno také bylo zavádění sondy kardiostimulátoru, přičemž odborníci studovali, zda nehrozí riziko porušení či zranění. Díky tomu bylo možné vybrat nejvhodnější tvar, délku a způsob zavedení elektrody. Podobně jde testovat například stenty.
„Typický příklad, k čemu lze model použít, je u plánovaného výkonu. Třeba u anuloplastiky pro mitrální chlopeň je možné vyzkoušet si různé velikosti a tvary kroužku a dopředu predikovat, co se stane – jestli to moc nezatíží tkáň či zda kroužek vydrží a nezdeformuje se,“ vysvětluje docent Horák.
Co udělá s kardiostimulátorem pád, zjistí čeští vědci
Význam projektu ovšem zahrnuje také pochopení samotných pacientů – pokud jim totiž lékař díky simulaci ukáže, co je s jejich srdcem špatně, snáze léčbu pochopí a přijmou. Pokud by navíc pacient měl mobilní senzory a nositelné technologie, bylo by možné získat přehled o různých vlivech na jeho srdce.
Cílem, kterého chce projekt do budoucna dosáhnout, je personalizace medicíny. Vznikají proto simulace, v nichž se výpočtový model ušije na míru konkrétnímu pacientovi. V budoucnu by měl jít také nastavit tak, aby odpovídal konkrétní diagnóze.
„Co se týče směru vývoje našeho týmu, chtěli bychom zaimplementovat koronární cévy. S tím souvisí implantace stentů, bypassy či cévní náhrady. Druhou oblastí je působení dynamických účinků na srdce, tedy co se děje se srdcem při impaktech typu dopravní nehoda či pád člověka na zem. Jde tedy třeba o to, co se stane s kardiostimulátorem u starého člověka, který upadne – zda třeba nehrozí riziko, že sonda někde něco prorazí,“ přibližuje Zdeněk Horák.
Požadavkem na projekt Living Heart ze strany EU do budoucna je také vznik modelu prasečího srdce, na kterém se v současnosti dělá řada klinických studií. I tady by tedy bylo možné trénovat nanečisto.
Co všechno je možné díky simulaci srdce, se můžete podívat zde.
Michaela Koubová
Michaela Koubová
