Теперь, объединив простые изображения МРТ со сложным компьютерным анализом, команда исследователей Джона Хопкинса считает, что можно исключить предположения из этого процесса, используя виртуальную трехмерную модель сердца, которая анализирует уникальную анатомию ребенка и определяет лучшие место для устройства до его имплантации.
Описание работы команды перед печатью публикуется в The Journal of Physiology.
«Детские кардиологи давно искали способ оптимизировать размещение устройств в этой группе кардиологических пациентов, и мы считаем, что наша модель делает именно это», – говорит ведущий исследователь Наталья Траянова, Ph.D., Мюррей Б. Профессор Сакса биомедицинской инженерии в Университете Джона Хопкинса. "Это важный первый шаг к внедрению компьютерного анализа в клинику детской кардиологии."
Если дальнейшие исследования покажут, что модель имеет ценность для пациентов, она может избавить многих детей с сердечными заболеваниями от повторных процедур, которые иногда необходимы для изменения положения устройства, говорит соисследователь Джейн Кроссон, штат Массачусетс.D., детский кардиолог и специалист по аритмии в Детском центре Джонса Хопкинса.
«Это похоже на виртуальную электрофизиологическую лабораторию, где мы можем предсказать наилучшие результаты еще до того, как прикоснемся к пациенту», – говорит Кроссон.
У взрослых и детей с нормальным размером и анатомией сердца одна часть устройства находится под ключицей, а другой конец вставляется в одну из камер сердца, стандартная и хорошо проверенная конфигурация.
Но у детей с крошечным или уродливым сердцем все устройство должно быть расположено снаружи, что часто бывает несовершенным. Эксперты говорят, что такие дефибрилляторы, расположенные с неправильной точностью, могут срабатывать без необходимости или, что еще хуже, не срабатывать, когда необходимо вернуть сердцу ребенка нормальный ритм. Кроме того, неправильно расположенные устройства могут нанести удар, создавая сверхсильные болезненные толчки, которые пугают детей и могут даже повредить клетки сердца.
«Это спасательные устройства, но они могут быть похожи на удар лошади в грудь и действительно травмировать детей», – говорит Кроссон.
Ученые говорят, что с помощью модели сердца Джона Хопкинса они могут точно определить, где по отношению к сердцу пациента устройство лучше всего сможет перезагрузить сердце, используя наименьшее количество энергии и самый мягкий шок.
По словам Траянова, это увеличивает время автономной работы устройства.
Чтобы построить модель, команда Джона Хопкинса начала с простых МРТ-сканирований сердца с низким разрешением ребенка, рожденного без трехстворчатого клапана и правого желудочка.
Основываясь на этих изображениях, исследователи разработали трехмерную компьютерную модель, которая позволила им смоделировать опасное нарушение ритма, во время которого сильные регулярные удары сердца превращаются в слабые колчаны, которые, если их не прерывать, могут убить за считанные минуты. Модель предсказала, насколько эффективно дефибриллятор остановит этот опасный ритм, если он будет расположен в каждой из 11 позиций вокруг сердца. На основе модели ученые определили, что оптимальной терапией являются две определенные позиции.
Особое преимущество модели – реалистичная сложность. Модель была построена с использованием цифровых представлений субклеточных, клеточных, мышечных и соединительных структур сердца – от ионов и сердечных белков до мышечных волокон и тканей.
Компьютерная модель также включала кости, жир и легкие, окружающие сердце.
«Функция сердца поражает своей сложностью и вариабельностью от человека к человеку, и тонкие изменения в том, как один белок взаимодействует с другим, могут иметь серьезные последствия для его насосной и электрической функции», – говорит Траянова. "Мы хотели зафиксировать этот уровень специфичности, чтобы обеспечить точность прогнозов."
Траянова и ее команда также разработали модели на основе изображений, которые выявляют горячие точки, вызывающие аритмию, в сердечной мышце взрослого человека и могут помочь в терапевтической абляции таких областей. Однако новое педиатрическое виртуальное сердце – это первая попытка команды исследовать педиатрическую кардиологию.
Соисследователями исследования были Лукас Ратнер, Фиджой Вадаккумпадан и Филип Спевак, все из Джона Хопкинса.
Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения в рамках гранта R01HL103428.