Древнегреческий философ и эрудит Аристотель однажды пришел к выводу, что человеческое сердце состоит из трех камер и что это самый важный орган во всем теле, управляющий движением, ощущениями и мышлением.

Сегодня мы знаем, что человеческое сердце на самом деле имеет четыре камеры и что мозг в значительной степени контролирует движение, ощущения и мысли. Но Аристотель был прав, когда заметил, что сердце является жизненно важным органом, перекачивающим кровь в остальную часть тела, чтобы достичь других жизненно важных органов. Когда наступает опасное для жизни состояние, такое как сердечная недостаточность, сердце постепенно теряет способность снабжать другие органы достаточным количеством крови и питательных веществ, что позволяет им функционировать.

Исследователи из Массачусетского технологического института и Гарвардской медицинской школы недавно опубликовали статью в открытом доступе в журнале Communications Medicine , в которой представлен неинвазивный подход глубокого обучения, который анализирует сигналы электрокардиограммы (ЭКГ) для точного прогнозирования риска развития сердечной недостаточности у пациента.

В ходе клинического испытания модель показала результаты с точностью, сопоставимой с золотым стандартом, но более инвазивными процедурами, дав надежду тем, кто подвержен риску сердечной недостаточности. В последнее время наблюдается резкий рост смертности от этого состояния, особенно среди молодых людей, вероятно, из-за растущей распространенности ожирения и диабета.

«Эта статья — кульминация того, о чем я говорил на других площадках в течение нескольких лет», — говорит старший автор статьи Колин Штульц, директор Программы Гарварда-MIT по медицинским наукам и технологиям и филиал Клиники машинного обучения в здравоохранении имени Абдула Латифа Джамиля Массачусетского технологического института (Jameel Clinic). «Цель этой работы — выявить тех, кто начинает заболевать еще до появления симптомов, чтобы можно было вмешаться достаточно рано и предотвратить госпитализацию».

Из четырех камер сердца две — предсердия и две — желудочки — правая сторона сердца имеет одно предсердие и один желудочек, и наоборот. В здоровом человеческом сердце эти камеры работают в ритмической синхронности: кровь с низким содержанием кислорода поступает в сердце через правое предсердие. Правое предсердие сокращается, и создаваемое давление выталкивает кровь в правый желудочек, откуда она затем перекачивается в легкие для насыщения кислородом.

Затем обогащенная кислородом кровь из легких попадает в левое предсердие, которое сокращается, перекачивая кровь в левый желудочек. Затем следует еще одно сокращение, и кровь выбрасывается из левого желудочка через аорту, попадая в вены, разветвляющиеся на все тело.

«Когда давление в левом предсердии повышается, отток крови из легких в левое предсердие затрудняется, поскольку это система с более высоким давлением», — объясняет Штульц. Помимо того, что Штульц является профессором электротехники и компьютерных наук, он также является практикующим кардиологом в Mass General Hospital (MGH).

«Чем выше давление в левом предсердии, тем больше у вас развивается легочных симптомов — одышки и т. д. Поскольку правая сторона сердца перекачивает кровь через легочные сосуды в легкие, повышенное давление в левом предсердии приводит к повышенному давлению в легочных сосудах».

Текущим золотым стандартом для измерения давления в левом предсердии является катетеризация правого предсердия (RHC), инвазивная процедура, которая требует тонкой трубки (катетера), прикрепленной к датчику давления, для введения в правое сердце и легочные артерии. Врачи часто предпочитают оценить риск неинвазивным путем, прежде чем прибегать к RHC, путем проверки веса пациента, артериального давления и частоты сердечных сокращений.

Но, по мнению Штульца, эти меры грубы, о чем свидетельствует тот факт, что 1 из 4 пациентов с сердечной недостаточностью повторно госпитализируется в течение 30 дней . «Мы ищем что-то, что дает вам информацию, подобную информации инвазивного устройства, а не простых весов», — говорит Штульц.

Чтобы собрать более полную информацию о состоянии сердца пациента, врачи обычно используют 12-канальную ЭКГ, при которой 10 клейких пластырей прикрепляются к пациенту и соединяются с аппаратом, который выдает информацию с 12 различных углов сердца. Однако 12-канальные ЭКГ-аппараты доступны только в клинических условиях, и они также обычно не используются для оценки риска сердечной недостаточности.

Вместо этого Штульц и другие исследователи предлагают систему искусственного интеллекта для мониторинга сердечной гемодинамики (CHAIS), глубокую нейронную сеть, способную анализировать данные ЭКГ с одного отведения. Другими словами, пациенту достаточно иметь на груди один клейкий, доступный в продаже пластырь, который он может носить за пределами больницы, не привязываясь к аппарату.

Чтобы сравнить CHAIS с нынешним золотым стандартом RHC, исследователи выбрали пациентов, которым уже была назначена катетеризация, и попросили их надеть пластырь за 24–48 часов до процедуры, хотя пациентов просили снять пластырь перед катетеризацией.

«Когда вы попадаете в зону за полтора часа [до процедуры], это 0,875, так что это очень, очень хорошо», — объясняет Штульц. «Таким образом, измерение с устройства эквивалентно и дает вам ту же информацию, как если бы вас катетеризовали в течение следующих полутора часов».

«Каждый кардиолог понимает ценность измерений давления в левом предсердии для характеристики сердечной функции и оптимизации стратегий лечения пациентов с сердечной недостаточностью», — говорит Аарон Агирре, SM \’03, Ph.D. \’08, кардиолог и врач интенсивной терапии в MGH. «Эта работа важна, поскольку она предлагает неинвазивный подход к оценке этого важного клинического параметра с использованием широкодоступного кардиомонитора».

Агирре, получивший докторскую степень по медицинской инженерии и медицинской физике в Массачусетском технологическом институте, ожидает, что при дальнейшей клинической проверке CHAIS будет полезен в двух ключевых областях: во-первых, он поможет в отборе пациентов, которым будет наиболее полезно более инвазивное кардиологическое обследование с помощью RHC; во-вторых, эта технология может обеспечить последовательный мониторинг и отслеживание давления в левом предсердии у пациентов с заболеваниями сердца.

«Неинвазивный и количественный метод может помочь в оптимизации стратегий лечения пациентов на дому или в больнице», — говорит Агирре. «Я с нетерпением жду, куда команда MIT заведет это дальше».

Однако преимущества не ограничиваются только пациентами — для пациентов с трудно поддающейся лечению сердечной недостаточностью становится проблемой удержать их от повторной госпитализации без постоянного имплантата, что занимает больше места и времени у и без того перегруженного и нехватки персонала медицинского учреждения .

Исследователи проводят еще одно клиническое исследование с использованием CHAIS совместно с MGH и Бостонским медицинским центром, которое они надеются вскоре завершить, чтобы начать анализ данных.

«На мой взгляд, реальный потенциал ИИ в здравоохранении — это предоставление справедливой, современной помощи всем, независимо от их социально-экономического статуса, происхождения и места проживания», — говорит Штульц. «Эта работа — один шаг к достижению этой цели».