Российские исследователи вместе с зарубежными коллегами нашли способ упростить вычисления при компьютерном моделировании механики сердца. Новая методика будет полезна для диагностики и лечения больных в клиниках. Результаты работы опубликованы в журнале PLOS One.

Во время биения сердца сначала сокращаются два предсердия, потом два желудочка, а затем происходит их расслабление. В нормальном состоянии все эти процессы идут в определенном ритме, но при различных заболеваниях он может нарушаться. Из-за этого сердце не может перекачивать кровь в нужном объеме, и развивается хроническая сердечная недостаточность. И несмотря на большое количество методов лечения, это состояние остается одной из ведущих причин смерти во всем мире.

Чтобы повысить эффективность существующих методов лечения и разрабатывать новые, ученые применяют различные методы. Один из них — создание математических моделей, детально описывающих работу органа и все процессы в нем. Эти вычисления можно использовать для анализа данных пациентов в медицинской практике и при клинических испытаниях.

В новой работе ученые из Института иммунологии и физиологии УрО РАН и Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, поддержанные грантом Российского научного фонда, придумали новую стратегию уменьшения вычислительной сложности, необходимой для построения таких моделей. Исследователи проанализировали, как в течение одного сердечного цикла изменяется объем желудочка в зависимости от изменения длины одного элемента сердечной мышцы. Заменив таким образом моделирование целой камеры сердца на небольшой ее участок, исследователям удалось уменьшить сложность модели и получить результат нужной точности с меньшими затратами на обучение программы.

«Мы использовали хорошо установленные данные о сходстве сокращения изолированной мышцы и всего желудочка. Мы показали, что достаточно простых вычислительных операций для воспроизведения общих выходных данных давления и объема в 3D-моделях. Мы также смогли обучить новую модель, повысив ее точность, и показали, как можно оптимизировать ее параметры с помощью медицинских изображений», — отметила одна из исследователей, заведующая лабораторией математической физиологии в ИИФ УрО РАН и лабораторией «Математическое моделирование в физиологии и медицине с использованием суперкомпьютерных технологий» УрФУ Ольга Соловьева.

Описание работы желудочка позволяет решать новые задачи, связанные с током крови, давлением и другими аспектами работы сердца. Используя предложенный подход, можно анализировать большие массивы данных реальных клинических исследований и выводить общие закономерности, применимые в медицинской практике.