Исследователи вуза работают над созданием моделей механики сердца

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.