في سيليكو التجارب السريرية لأمراض القلب والأوعية الدموية
Summary
يوضح هذا البروتوكول سير عمل منصة SILICOFCM لتوليد نموذج حدودي للبطين الأيسر تلقائيا من صور الموجات فوق الصوتية الخاصة بالمريض من خلال تطبيق نموذج كهروميكانيكي متعدد المقاييس للقلب. تتيح هذه المنصة في التجارب السريرية السيليكو التي تهدف إلى تقليل التجارب السريرية الحقيقية وتعظيم النتائج العلاجية الإيجابية.
Abstract
يهدف مشروع SILICOFCM بشكل أساسي إلى تطوير منصة حسابية للتجارب السريرية في السيليكو لاعتلال عضلة القلب العائلي (FCMs). السمة الفريدة للمنصة هي دمج بيانات التصوير البيولوجي والجيني والسريري الخاصة بالمريض. تسمح المنصة باختبار العلاج الطبي وتحسينه لتحقيق أقصى قدر من النتائج العلاجية الإيجابية. وبالتالي ، يمكن تجنب الآثار الضارة والتفاعلات الدوائية ، ويمكن منع الموت القلبي المفاجئ ، ويمكن تقصير الوقت بين بدء العلاج الدوائي والنتيجة المرجوة. تقدم هذه المقالة نموذجا بارامتريا للبطين الأيسر يتم إنشاؤه تلقائيا من صور الموجات فوق الصوتية الخاصة بالمريض عن طريق تطبيق نموذج كهروميكانيكي للقلب. تم وصف تأثيرات الدواء من خلال شروط حدودية محددة لتدفق المدخل والمخرج ، وقياسات ECG ، ووظيفة الكالسيوم لخصائص عضلة القلب. تم دمج البيانات الجينية من المرضى من خلال الخاصية المادية لجدار البطين. يتضمن تحليل الرؤية القمية تقسيم البطين الأيسر باستخدام إطار U-net مدرب مسبقا وحساب المستطيل الحدودي بناء على طول البطين الأيسر في الدورة الانبساطية والانقباضي. يتضمن تحليل عرض الوضع M حدود المناطق المميزة للبطين الأيسر في عرض الوضع M. بعد استخراج أبعاد البطين الأيسر ، تم إنشاء شبكة عناصر محدودة بناء على خيارات الشبكة ، وتم تشغيل محاكاة تحليل العناصر المحدودة بسرعات مدخل ومخرج مقدمة من المستخدم. يمكن للمستخدمين تصور نتائج المحاكاة المختلفة مباشرة على المنصة مثل حجم الضغط ، وإجهاد الضغط ، ومخططات وقت عمل عضلة القلب ، بالإضافة إلى الرسوم المتحركة لمجالات مختلفة مثل الإزاحة والضغوط والسرعة وضغوط القص.
Introduction
يوفر التطور السريع لتقنيات المعلومات وحزم برامج المحاكاة والأجهزة الطبية في السنوات الأخيرة الفرصة لجمع كمية كبيرة من المعلومات السريرية. لذلك ، أصبح إنشاء أدوات حسابية شاملة ومفصلة أمرا ضروريا لمعالجة معلومات محددة من وفرة البيانات المتاحة.
من وجهة نظر الأطباء ، من الأهمية بمكان التمييز بين الأنماط الظاهرية “الطبيعية” مقابل “غير الطبيعية” في مريض معين لتقدير تطور المرض والاستجابات العلاجية والمخاطر المستقبلية. حسنت النماذج الحسابية الحديثة بشكل كبير الفهم التكاملي لسلوك عضلات القلب في اعتلال عضلة القلب الضخامي (HCM) والتوسعي (DCM)1. من الأهمية بمكان استخدام نموذج عالي الدقة ومفصل ودقيق تشريحيا للنشاط الكهربائي للقلب بالكامل ، مما يتطلب أوقات حساب هائلة وبرامج مخصصة وأجهزة كمبيوتر عملاقة1،2،3. تم مؤخرا تطوير منهجية لنموذج قلب 3D حقيقي باستخدام نموذج خطي مرن ومواد تقويم يعتمد على تجارب Holzapfel ، والتي يمكنها التنبؤ بدقة بمجال نقل الإشارات الكهربائية والإزاحة داخل القلب4. يمكن أن يكون تطوير مناهج النمذجة التكاملية الجديدة أداة فعالة للتمييز بين نوع وشدة الأعراض لدى المرضى الذين يعانون من اضطرابات متعددة الجينات وتقييم درجة الضعف في النشاط البدني الطبيعي.
ومع ذلك ، هناك العديد من التحديات الجديدة للنمذجة الخاصة بالمريض. الخصائص الفيزيائية والبيولوجية لقلب الإنسان غير ممكن تحديدها بشكل كامل. عادة ما تتضمن القياسات غير الغازية بيانات صاخبة يصعب من خلالها تقدير معلمات محددة للمريض الفردي. يتطلب الحساب على نطاق واسع الكثير من الوقت للتشغيل ، في حين أن الإطار الزمني السريري محدود. يجب إدارة البيانات الشخصية للمريض بطريقة يمكن من خلالها إعادة استخدام البيانات الوصفية التي تم إنشاؤها دون المساس بسرية المريض. على الرغم من هذه التحديات ، يمكن أن تتضمن نماذج القلب متعددة المقاييس مستوى كافيا من التفاصيل لتحقيق التنبؤات التي تتبع عن كثب الاستجابات العابرة المرصودة ، وبالتالي توفير الوعد للتطبيقات السريرية المستقبلية.
ومع ذلك ، بغض النظر عن الجهد العلمي الكبير الذي بذلته مختبرات الأبحاث المتعددة والمبلغ الكبير من دعم المنح ، لا يوجد حاليا سوى حزمة برامج واحدة متاحة تجاريا لمحاكاة القلب متعدد النطاقات وكامل ، تسمى SIMULIA Living Heart Model5. ويشمل المحاكاة الكهروميكانيكية الديناميكية ، وهندسة القلب المكررة ، ونموذج تدفق الدم ، والتوصيف الكامل لأنسجة القلب ، بما في ذلك الخصائص السلبية والنشطة ، والطبيعة الليفية ، والمسارات الكهربائية. يستهدف هذا النموذج استخدامه في الطب الشخصي ، لكن توصيف المواد النشطة يعتمد على نموذج ظاهري قدمه Guccione et al.6,7. لذلك ، لا يمكن ل SIMULIA أن تترجم بشكل مباشر ودقيق التغيرات في الخصائص الوظيفية للبروتين المقلص التي لوحظت في العديد من أمراض القلب. تحدث هذه التغييرات بسبب الطفرات والتشوهات الأخرى على المستويين الجزيئي وتحت الخلوي6. يعد الاستخدام المحدود لبرنامج SIMULIA لعدد صغير من التطبيقات في الممارسة السريرية مثالا رائعا على صراعات اليوم في تطوير نماذج قلب بشرية متعددة المستويات عالية المستوى. من ناحية أخرى ، فإنه يحفز تطوير جيل جديد من حزم البرامج متعددة المقاييس التي يمكنها تتبع آثار الطفرات من النطاق الجزيئي إلى مقياس الأعضاء.
الهدف الرئيسي من الفيزيولوجيا الكهربية للقلب هو تحديد انتشار الإشارة داخل الجذع وخصائص جميع المقصورات4،5،6. يتنبأ مشروع SILICOFCM8 بتطور مرض اعتلال عضلة القلب باستخدام بيانات التصوير البيولوجي والجيني والسريري الخاصة بالمريض. يتم تحقيق ذلك من خلال النمذجة متعددة المقاييس لنظام الساركومريك الواقعي ، والملف الجيني للمريض ، واتجاه الألياف العضلية ، وتفاعل بنية السوائل ، واقتران الفيزيولوجيا الكهربية. تعطي تأثيرات تشوه البطين الأيسر وحركة الصمام التاجي وديناميكا الدم المعقدة سلوكا وظيفيا مفصلا لأمراض القلب لدى مريض معين.
توضح هذه المقالة استخدام منصة SILICOFCM لنموذج حدودي للبطين الأيسر (LV) يتم إنشاؤه تلقائيا من صور الموجات فوق الصوتية الخاصة بالمريض باستخدام نموذج قلب ذو بنية سائلة مع اقتران كهروميكانيكي. تم إنشاء تحليلات العرض القمي وعرض الوضع M ل LV باستخدام خوارزمية التعلم العميق. بعد ذلك ، باستخدام مولد الشبكة ، تم بناء نموذج العناصر المحدودة تلقائيا لمحاكاة الظروف الحدودية المختلفة للدورة الكاملة لانكماش الجهد المنخفض9. على هذا النظام الأساسي ، يمكن للمستخدمين تصور نتائج المحاكاة مباشرة مثل حجم الضغط ، وإجهاد الضغط ، ومخططات وقت عمل عضلة القلب ، بالإضافة إلى الرسوم المتحركة لمجالات مختلفة مثل الإزاحة والضغوط والسرعة وضغوط القص. معلمات الإدخال من مرضى محددين هي الهندسة من صور الموجات فوق الصوتية ، وملف تعريف السرعة في ظروف تدفق حدود الإدخال والإخراج ل LV ، والعلاج الدوائي المحدد (على سبيل المثال ، entresto ، digoxin ، mavacamten ، إلخ).
Protocol
Representative Results
Discussion
مشروع SILICOFCM عبارة عن منصة تجارب سريرية في السيليكو لتصميم مجموعات افتراضية من المرضى للتنبؤ بالمخاطر ، واختبار آثار العلاج الدوائي ، وتقليل التجارب على الحيوانات والتجارب السريرية البشرية. تم اختبار آثار العلاج الدوائي على غرار ظروف تدفق حدود المدخل / المخرج الموصوفة ، ووظيفة الكال?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذه الدراسة مدعومة من قبل برنامج البحث والابتكار Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي بموجب اتفاقية منحة SILICOFCM 777204 ووزارة التعليم والعلوم والتنمية التكنولوجية في جمهورية صربيا من خلال العقود رقم 451-03-68 / 2022-14 / 200107. تعكس هذه المقالة آراء المؤلفين فقط. المفوضية الأوروبية ليست مسؤولة عن أي استخدام قد يتم للمعلومات التي تحتوي عليها المقالة.
Materials
| SILICOFCM project | www.silicofcm.eu | open access for registered users |
Referências
- Gibbons Kroeker, C. A., Adeeb, S., Tyberg, J. V., Shrive, N. G. A 2D FE model of the heart demonstrates the role of the pericardium in ventricular deformation. American Journal of Physiology. 291 (5), 2229-2236 (2006).
- Pullan, A. J., Buist, M. L., Cheng, L. K. . Mathematically Modelling the Electrical Activity of the Heart – From Cell To Body Surface and Back Again. , (2005).
- Trudel, M. -. C., Dub´e, B., Potse, M., Gulrajani, R. M., Leon, L. J. Simulation of QRST integral maps with a membrane based computer heart model employing parallel processing. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 51 (8), 1319-1329 (2004).
- Kojic, M., et al. Smeared multiscale finite element models for mass transport and electrophysiology coupled to muscle mechanics. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7, 381 (2019).
- Baillargeon, B., Rebelo, N., Fox, D. D., Taylor, R. L., Kuhl, E. The Living Heart Project: A robust and integrative simulator for human heart function. European Journal of Mechanics – A/Solids. 48, 38-47 (2014).
- Guccione, J. M., McCulloch, A. D. Mechanics of active contraction in cardiac muscle: Part I–Constitutive relations for fiber stress that describe deactivation. TheJournal of Biomechanical Engineering. 115, 72-81 (1993).
- Guccione, J. M., Waldman, L. K., McCulloch, A. D. Mechanics of active contraction in cardiac muscle: Part II–Cylindrical models of the systolic left ventricle. The Journal of Biomechanical Engineering. 115, 82-90 (1993).
- Kojic, M., et al. Smeared multiscale finite element model for electrophysiology and ionic transport in biological tissue. Computers in Biology and Medicine. 108, 288-304 (2019).
- Wang, Y., Rudy, Y. Application of the method of fundamental solutions to potential-based inverse electrocardiography. Annals of Biomedical Engineering. 34 (8), 1272-1288 (2006).
- Van Oosterom, A. The use of the spatial covariance in computing pericardial potentials. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 46 (7), 778-787 (1999).
- Van Oosterom, A. The spatial covariance used in computing the pericardial potential distribution. Computational Inverse Problems in Electrocardiography. , 1-50 (2001).
- Van Oosterom, A. Source models in inverse electrocardiography. International Journal of Bioelectromagnetism. 5, 211-214 (2003).
- Van Oosterom, A. The equivalent double layer: source models for repolarization. Comprehensive Electrocardiology. , 227-246 (2010).
