Содружество математиков и врачей. Как с помощью математических моделей обучить ИИ определять состояния сердечно-сосудистой системы средствами телемедицины?
Поиск инновационных способов снижения высоких показателей госпитализации и ремиссии у пациентов с сердечно-сосудистой недостаточностью до сих пор считается одной из самых сложных проблем в современной кардиологии. Уровень госпитализации таких пациентов стабильно остается высоким, а месячные показатели повторного приема пациентов с сердечной недостаточностью согласно данным медицинской статистики колеблются от 19% до 25%, за год же составляет до 50%.
Врачи полагают, что системы дистанционного мониторинга для непрерывного контроля клинических параметров, таких как артериальное давление, насыщение тканей кислородом, частота сердечных сокращений, электрокардиограмма и внутрисердечная диагностика помогут усилить медицинский контроль, предотвратить декомпенсацию и одновременно выиграть время и ресурсы по сравнению с традиционным лечением.
Искусственный интеллект как инструмент клинической поддержки уже применяется в кардиологии в системах поддержки принятия клинических решений и интерпретации изображений. Однако, процесс разработки автоматизированных систем поддержки принятия решений, предназначенных для диагностических или прогностических целей, требует от ИИ знания очень широкого набора данных, с одной стороны исключительно математических, а с другой – классифицированных врачами.
Без помощи специальных математических моделей невозможно обучить ИИ обрабатывать и верно интерпретировать процессы, происходящие в человеческом организме. Доктор технических наук, профессор, действительный член Академии информатизации образования и «The International Physics And Control Society» (IPACS), А.В. Копыльцов, профессор Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения и Санкт-Петербургсгого государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) много лет занимался изучением моделирования капиллярного кровотока с использованием алгоритмов распределенных вычислений.
Мы попросили Александра Васильевича рассказать о том, как с помощью математических моделей можно обучить ИИ определять состояния сердечно-сосудистой системы средствами телемедицины и как его открытия применяются в отечественном медицинском приборостроении?
Александр Васильевич! В ряде своих научных исследований Вы решали задачу, связанную с экспериментальными вычислениями по расчету параметров кровотока в капиллярной сети. Как возникла идея изучения этого процесса? Это был чисто математический интерес или запрос от врачей кардиологов?
- Основная проблема – проблема транспорта респираторных газов в организме человека. Поскольку основными заболеваниями, которые приводят к летальному исходу, являются сердечно-сосудистые заболевания и в первую очередь ‑ инфаркт, инсульт и другие, которые связаны с нарушением транспорта кислорода и углекислого газа в системе микроциркуляции.
Основными переносчиками кислорода в организме являются эритроциты, которые разносят кислород из легких по всему организму . Чтобы понять, как кислород из легких поступает в ткани, необходимо исследовать перенос кислорода в крупных сосудах (артерии, вены, артериолы, венулы) и мелких (капилляры). В крупных сосудах можно проводить эксперименты, например, поставить датчики и измерять давление и скорость кровотока. В мелких сосудах это невозможно, т.к. размеры датчиков иногда больше сосудов и сами датчики оказывают влияние на кровоток.
Поэтому для исследования кровотока в узких капиллярах применяют методы математического моделирования. Построение математических моделей и расчеты на компьютере позволяют таким образом подобрать параметры модели, что модель будет имитировать сердечно-сосудистую систему конкретного больного. На такой модели первоначально можно провести расчеты влияния различных лекарственных препаратов и, только после того, как убедились на модели в эффективности выбранного метода лечения, можно будет применить этот метод лечения к конкретному больному.
К респираторным газам (газы которые используются при дыхании в газовых смесях) в первую очередь обычно относят при нормальных условиях азот (N), кислород (О2) и углекислый газ (окись углерода, СО2). В экстремальных условиях (космонавты, водолазы и др.) азот иногда заменяют на водород (Н2), гелий (Не) и другие газы или их смеси.
Система транспорта кислорода в организме человека
Зачем в принципе нужно изучать, как транспортируется кислород в организме человека?
- Изучение транспорта кислорода в организме человека с одной стороны имеет теоретический интерес, а с другой практический. Теоретический интерес представляет изучение сердечно-сосудистой системы живых организмов в нормальных и экстремальных условиях (недостаток кислорода, пониженное давление, пониженная температура, травмы, ушибы, переломы и пр.).
Практический интерес представляет то, что на основе знаний процессов, происходящих в сердечно-сосудистой системе конкретного человека, можно с помощью математических моделей и программ на компьютере рассчитать влияние на конкретного человека медикаментозных препаратов и иных лечебных средств. И после проведенных расчетов выбрать наилучшую методику лечения.
Ваши исследования проводились чисто теоретически, на уровне математических расчётов или они проходили с участием людей?
- Исследования проводились с участием компьютера, т.к. математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, которая решалась при различных начальных и граничных условиях с помощью компьютера. В качестве входных параметров модели использовались параметры, которые были получены в экспериментах и опубликованы в научных статьях. Выходные параметры модели также сравнивались с экспериментальными данными, например, сравнивали интервалы изменения каких-либо параметров получаемых при расчетах и в экспериментах.
С кем из врачей кардиологов Вы совместно работали в процессе изучения гемодинамики крови?
- Работа начиналась в начале 1980 гг. в Институте физиологии им. И.П. Павлова АН СССР возглавляемого доктором медицинских наук, профессором Д.П. Дворецким, когда я там работал в лаборатории кровообращения, возглавляемой доктором биологических наук Ю.Я. Кисляковым.
В лаборатории работали как врачи, проводившие эксперименты на лабораторных мышах, так и математики и программисты, проводившие расчеты на компьютерах. Лаборатория тесно сотрудничала с Военно-медицинской академией (профессор Л.В. Чирейкин) и Ленинградским политехническим институтом (профессор А.А. Первозванский).
В середине 90-х годов я работал с доктором Гробе (K. Groebe) в лаборатории профессора Г. Тевса (G. Thews) Института физиологии и патофизиологии Майнцского университета ФРГ. В 90-е и нулевые годы работал в группе Биомедицинской информатики, возглавляемой профессором Р.И. Полонниковым, в Институте информатики и автоматизации РАН.
Какие особенности кровотока были выявлены с помощью ваших алгоритмов и расчётов?
- К особенностям кровотока в узких капиллярах, полученных при расчетах на компьютере, можно отнести, то, что было обнаружено, что сопротивление оказываемое продвижению эритроцита по капилляру существенно снижается за счет вращения мембраны эритроцита, причиной которого является постоянство объема и площади поверхности эритроцита. Вращение мембраны эритроцита в экспериментах Шмид-Шонбейна (H. Schmid-Schonbein) в стеклянных трубках малого диаметра (3-7 мкм) достигало 20 оборотов в секунду, а в наших расчетах‑ до 50 оборотов в секунду. Снижение сопротивления продвижению эритроцитов по капиллярам позволяет снизить нагрузку на сердце.
Вы построили несколько моделей в ходе исследования. Расскажите, пожалуйста, популярно какие это модели?
- Было разработано несколько моделей:
- трехмерная модель движения эритроцита по капилляру, позволяющая оценивать сопротивление оказываемое эритроциту в капилляре в условиях приближенных к реальности (в 1982 г. Скалак (R. Skalak) построил двухмерную модель);
- модель движения совокупности эритроцитов по капиллярным сетям, позволяющая оценивать сопротивление, оказываемое кровотоку в капиллярных сетях;
- модель локальной регуляции кровотока продуктами метаболизма, позволяющая понять особенности регуляции кровотока в системе микроциркуляции (на уровне капилляров и окружающих тканей);
- модель магнитного поля, порождаемого зарядами, расположенными на мембране эритроцита, которая позволяет оценить распределение магнитного поля в окрестности эритроцита, что важно при применении внешних электромагнитных полей для лечения различных заболеваний.
Какое значение могут иметь результаты Вашей работы для врачей кардиологов и телемедицины в целом?
- Полученные результаты помогут понять, как осуществляется транспорт кислорода в системе микроциркуляции, как осуществляется его регуляция при нормальных и экстремальных условиях. На основе этих знаний в будущем могут быть разработаны приборы, которые позволят воздействовать на систему микроциркуляции конкретного человека, как медикаментозными препаратами, так и внешними электромагнитными полями. Такое воздействие может быть оказано как в клинике, так и дистанционно средствами телемедицины, поскольку высококлассного специалиста может не оказаться рядом с больным в нужное время.
Как с помощью Вашей модели можно оценить состояние человеческого организма, определить норму и патологию состояний конкретного человека?
- Оценить состояние сердечно-сосудистой системы конкретного человека можно путем создания математической модели конкретного человека и ее реализации на компьютере. Если модель человека имеет отклонения от идеальной модели, то с помощью модели можно рассчитать влияние различных внешних лечебных воздействий на организм и выбрать оптимальное. В идеальном случае в будущем можно будет построить модель конкретного человека и вести мониторинг изменения здоровья конкретного человека и параметров модели от рождения. Это позволит в экстремальных ситуациях прежде осуществить расчеты на модели, а затем применять какие-либо лечебные процедуры к реальному человеку.
Где в дальнейшем в науке могут применяться результаты расчетов модели капиллярной сети до высоких значений уровней ветвления?
- В тканях плотность капиллярной сети довольно высокая и достигает 6000 капилляров в 1 мм3. Поэтому количество капилляров во всем организме очень велико и в настоящее время вычислительная техника не может справиться за приемлемое время с задачей расчета кровотока во всех капиллярах организма. Однако существуют разные подходы, в частности, алгоритмы, построенные на идее распараллеливания вычислительного процесса, квантовые вычисления и др. Эти подходы могут быть использованы также при описании лимфатической системы или нервной системы, которые отличаются большим количеством ветвлений.
Как известно в настоящее время медицинская телекардиология развивается по трем направлениям: удаленная автоматизированная расшифровка ЭКГ с помощью специальных приборов в экстренных случаях, типа Кардиометра –МТ, непрерывный и длительный контроль электрокардиограмм и одновременно других показателей пациента, называемый радиотелемониторингом, дистанционное консультирование с параллельными обследованиями и единичные персональные телеконсультации в классическом и самом наиболее востребованном формате. Какие потребности телемедицины закроют ваши открытия?
- В будущем, в случае развития в области моделирования системы микроциркуляции и сердечно-сосудистой системы в целом, можно предположить, что будут разработаны высокочувствительные приборы, которые будут осуществлять мониторинг сердечно-сосудистой системы непрерывно от самого рождения и в случае каких-либо отклонений от нормы, характерной для конкретного человека, будут генерироваться на основе ИИ рекомендации, позволяющие избежать осложнений и летального исхода.
Как предложенный подход может быть использован в обучении ИИ и в телемедицине? В каких областях телемедицины с практической точки зрения представляют особый интерес ваши достижения?
- Разработанные алгоритмы могут быть использованы при разработке систем ИИ в телемедицине. В частности, алгоритм локальной регуляции кровотока может быть применен в других разделах физиологии и медицины, поскольку все живые организмы обладают высокой степенью приспосабливаемости и саморегуляции.
Также большой интерес в настоящее время представляют исследования электромагнитных полей в живых организмах и воздействие различных внешних излучений на живые организмы, в частности, бытовой техники, мобильных телефонов и др. На эти проблемы в своих трудах обращал внимание еще профессор А.Л. Чижевский. В настоящее время в связи с развитием вычислительной техники есть возможность произвести расчеты в области «электрических проблем крови», как говорил А.Л. Чижевский.
В каких регионах могут быть использованы полученные результаты?
- Полученные результаты могут быть использованы в таких местах, куда специалисту трудно добраться, в частности, в удаленных сельских поселениях, в горах, в пустынях, в Арктике и Антарктиде.
