Хаос и аритмии сердца
Современные методы моделирования сердечной деятельности позволят отказаться от использования электрошоковых устройств при аритмиях сердца.
Привычный ритм работы сердца может, без видимой на то причины, внезапно нарушиться. Электрические сигналы сердца становятся хаотичными, срывается цикл выталкивания крови и сердце начинает биться аритмично. Если не принять решительных мер, летальный исход может наступить через несколько минут.
Основная причина внезапной смерти по причине сердечной недостаточности в США - аритмия желудочка - убивает 350 тысяч человек каждый год. Конечно, наиболее часто это происходит с пожилыми людьми, у которых частично разрушены сердечные ткани, однако встречаются случаи внезапной смерти и среди молодых, совершенно здоровых ранее людей. Единственным известным средством неотложной помощи при аритмии является электрошоковый удар. Подобные устройства есть не только в госпиталях, но и в аэропортах и самолетах, они также имплантируются в грудь пациента. Несмотря на то, что набор для шокового удара рекомендуется иметь в каждом доме, некоторые ученые считают подобные деаритмиторы не лучшим вариантом решения проблемы.
"Деаритмиторы используются в крайних случаях, когда нет другого выхода" - говорит кардиофизиолог Алан Гарфинкель (Alan Garfinkel), профессор департамента медицины и физиологии Университета шт. Калифорния (Лос-Анджелес). Его исследовательские групповые модели аритмии в смоделированной сердечной ткани дают возможность исследовать эти заболевания и их последствия. Работа с использованием суперкомпьютеров, установленных в Maui High Performance Computing Center (MHPCC), дает возможность улучшать и создавать новые средства борьбы с этим недугом.
Спиралевидные волны
Электрические сигналы проходят через нормальную сердечную ткань в виде последовательных волн электрической активности, распространяющихся со огромной скоростью. Небольшое возбуждение группы, известной как лидирующие ячейки, вызывает сокращение сердечной мышцы, перекачивающей кровь . После подобного сокращения необходим период релаксации, подготовки следующей волны. Это и есть тот обычный ритм сокращений, происходящих сотни раз в течение часа.
Аритмия может появиться в результате нарушения сердечного ритма, называемого эктопическим сжатием (EC) или экстрасистолой. Экстрасистола может быть спровоцирована приемом некоторых медикаментов, таких как кокаин и наиболее часто происходит в нарушенной сердечной ткани. Гарфинкель утверждает, что даже здоровое сердце испытывает, по крайней мере одну экстрасистолу каждый час. Если экстрасистола происходит в конце нормальной убывающей волны, излучение вновь входит в ткань, сквозь которую уже прошла волна. Поэтому эта ткань находится в стадии восстановления и не готова к новому сокращению.
Экстрасистолы обычно очень малы, чтобы произвести какие-либо серьезные разрушения. Однако, временами они могут быть достаточно большими или могут происходить более часто, создавая тем самым проблемы. Волна закручивается назад на себя, отражаясь на отдыхающей ткани и принимает спиралевидную форму. Эта волна может циркулировать вокруг себя снова и снова, подобно коту, гоняющемуся за своим хвостом. Результатом является частое сердцебиение, называемое вентикулярной тахикардией. Обычные пульсации и частые сердцебиения, которые все мы время от времени ощущаем, происходят в верхних отделах сердца и не являются опасными.
Когда спиралевидная волна становится нестабильной и спонтанно разбивается на несколько спиралевидных волн, вентикулярная тахикардия часто переходит в аритмию. В течение нескольких секунд накапливается большое количество волн. Они возвращаются в ткань, которую они уже прошли, прокручиваются на себя и вызывают беспорядочное поведение сердца. Подобная турбуленция являет собой картину полного хаоса.
Два года назад Гарфинкель совместно с другими учеными-кардиологами, обнаружили, что аритмия в сердечной ткани собаки происходит не на случайной основе, а в соответствии с правилами теории хаоса. Хотя название "хаос" подразумевает беспорядок, хаотичные системы подчиняются определенным, хотя и сложным, уравнениям нелинейной математики. Хаос, который они видели в работе сердца собаки, был первым хаотическим процессом, когда-либо описанным в медицине и это было долгожданной новостью. Так как аритмия происходит по определенным правилам, их модели вели к получению предсказуемых, а поэтому терапевтических, результатов.
55 миллионов переменных
Гарфинкель реализовал первые двумерные модели на рабочих станциях DEC Alpha в своей лаборатории. Чтобы приблизить модель к реальной ситуации, у него не было другого выбора, как обратиться к суперкомпьютерам, которые могли выполнять вычисления, необходимые для моделирования в трех измерениях.
Наименьшее количество сердечной ткани, которая будет поддерживать спиралевидную волну, покрывается сеткой в 300х300х100 ячеек. Состояние каждой их этих ячеек должно быть описано, по меньшей мере, шестью переменными - в общей сложности, это около 55 миллионов переменных. Каждая переменная обновляется с шагом в одну сотую микросекунды, и каждое новое состояние зависит от предыдущего результата.
Для моделирования одной волны требуется 18 часов счета на 44-процессорной системе IBM SP2. Группа ученых использует суперкомпьютеры IBM RS/6000 SP в суперкомпьютерных центрах в Мауи, шт. Гавайи (MHPCC) и в Сан-Диего (SDSC).
Сначала большой проблемой являлось предохранение спиралевидной волны от разрушения и раcпространения. После изменения основных переменных в 20 экспериментах, Гарфинкель и его команда нашли, что величина только одной переменной влияет на стабильность спиралевидной волны. Эта переменная отражает время, когда ячейка должна отдыхать, перед тем, как быть снова задействованной. Если вы стимулируете ячейку сердца, не давая ей отдыха, то ионы натрия, калия и кальция, образующий электрический потенциал, не могут двигаться достаточно быстро, чтобы снова вернуть ячейку к равновесию, после того, как через нее прошел ток.
При вводе в компьютерную модель "лекарства", которое меняет временные характеристики ионных потоков и позволяет ячейкам быстрее восстанавливаться, они нашли, что спиралевидные волны просто выдыхаются.
Получение лекарства
Терапевтический потенциал этого результата ясен: разработать лекарство, которое позволит ячейкам восстанавливаться быстрее в пре-аритмический период, что поможет избежать перехода тахикардии в аритмию. В результате можно избежать травмы сердца при переходе к нормальному ритму через аритмию.
Подробнее об этих исследованиях:
Читайте другие статьи серии Суперкомпьютерные технологии рядом с нами.
© Лаборатория Параллельных Информационных Технологий, НИВЦ МГУ
