Исследователи вуза работают над созданием моделей механики сердца

08:00, 2 октября 2019

Ученые участвуют в проекте по созданию прорывной технологии лечения сердечных заболеваний

Вячеслав Гурьев руководит проектом Cardioid: Сardiac Modeling Project в научно-исследовательском центре IBM. Фото: Илья Сафаров.

Компания IBM (США) и совместная научная лаборатория «Компьютерная биология и медицина» института естественных наук и математики Уральского федерального университета (ИЕНиМ УрФУ) и Института иммунологии и физиологии (ИИФ) УрО РАН ведут общие научно-исследовательские проекты в целях создания трехмерных компьютерных моделей механики сердца, предназначенных для более точной диагностики, оперативного и эффективного лечения сердечных заболеваний. Об этом в ходе визита в УрФУ рассказал Вячеслав Гурьев — выпускник университета, а ныне — руководитель проекта Cardioid: Сardiac Modeling Project в научно-исследовательском центре IBM в Нью-Йорке.

По описанию Гурьева, детализированные математические модели, отражающие всю сложность структуры и функционирования сердца, строятся на основе колоссального объема данных, которые поступают из больниц по всей территории Соединенных Штатов и хранятся в специализированных репозиториях.

«Это „коллекции“ сердечных томографий пациентов (как с инфарктом или гипертрофией сердца, так и без сердечной недостаточности), электрокардиограмм больных, прошедших экстренную госпитализацию, базы оцифрованных сигналов с катетеров, которые измеряют давление в различных участках кровеносной системы. Чтобы понять размеры таких хранилищ, представьте университетский актовый зал, в котором мы находимся, без остатка заполненный устройствами для хранения информации», — объяснил Гурьев.

Имея доступ к такой «библиотеке» данных о протекании сердечных болезней и их лечении, доктор нажатием нескольких клавиш на клавиатуре компьютера получает сложную трехмерную математическую модель сердца, а искусственный интеллект методом машинного обучения (то есть совершенствуясь по мере решения задач) предсказывает картину прогрессирования болезни и дает рекомендации о наилучшем ее лечении — терапевтическом или операционном.

По словам Вячеслава Гурьева, в США очень бурно развивается эта индустрия на стыке биоинформатики, обработки больших данных и машинного обучения. Проблема в том, что медики, не обладающие достаточными познаниями в области математики и физики, затрудняются в интерпретации слишком сложных для них математических моделей сердца. Это обстоятельство препятствует масштабному внедрению моделей в практическую кардиологию.

В связи с этим в Америке начинают готовить специалистов, одинаково компетентных как в медицине, так и в математике и физике (так, в прошлом аспирант механико-математического факультета бывшего УрГУ, кандидат физико-математических наук Вячеслав Гурьев досконально изучил курс экспериментальной физиологии человека и сейчас специализируется на создании математических моделей левого желудочка сердца).

Другой путь решения проблемы — переход к редуцированным, упрощенным моделям с меньшим количеством параметров. Такие модели должны быть понятны врачам и в то же время совершенны для описания структуры, функций, патологий сердца и дальнейшего протекания болезней. Созданием таких моделей, совместно с группой Гурьева в компании IBM, занимается совместная научная лаборатория «Компьютерная биология и медицина» ИЕНиМ УрФУ и ИИФ УрО РАН.

«Суть нашей совместной работы в соединении биофизических измерений и математических вычислений. На основе биофизических данных и с помощью дифференциальных и алгебраических уравнений мы моделируем функции отдельной клетки, а нейронная сеть, автоматически обрабатывая информацию об этой клетке методом машинного обучения, дает нам представление о состоянии всего сердца», — добавила Ольга Соловьева, завлабораторией, доктор физико-математических наук, профессор, директор ИИФ УрО РАН.

Результаты исследований представлены в статье, опубликованной екатеринбургскими учеными и их американскими коллегами в престижном международном научном журнале Frontiers in Physiology.