个性化的虚拟心脏可以大大减少心脏手术重复几率 | 智能医疗

发布日期:2019-09-11 10:00
Natalia Trayanova花了数年时间创建模拟个体患者心脏的人工智能计算机模型。现在,约翰霍普金斯大学的工程师正在将这些模拟交给外科医生。



在本周发表在“自然生物医学工程”杂志上的研究中,Trayanova的团队创建了个性化的心脏模拟,以指导10名患有持续性心律不齐患者的手术过程。虚拟心脏预测外科医生应该在哪里消除可能在现在和将来产生不稳定电信号的心脏组织。

概念验证研究为FDA批准的临床试验奠定了基础,该临床试验将于今年秋季开始。该试验将评估虚拟心脏引导手术是否比现有的传统,一刀切的手术更准确和有效。

去年,外科医生使用约翰霍普金斯团队对心室的三维虚拟模拟--两个较大的下腔室--来指导五名患者心率加快的手术。Trayanova的团队也使用该技术识别心脏骤停高风险的患者。

目前的研究主要集中在心房中的异常电信号--心脏的两个上腔室--这导致持续的不规则心跳,这是一种称为心房纤颤(AF)的常见病症。AF是导致心跳不规则的最常见原因,预计到2020年将影响多达1000万美国人。“这是一个巨大的医疗保健负担。” 霍普金斯计算心脏病学实验室主任Trayanova说。

患者可以经历间歇性或持续性房颤。在任何一种情况下,医生传统上都会用导管进入心脏并烧掉心房四个肺静脉周围的组织。Trayanova说,这种方法适用于间歇性房颤患者,但对于那些持续房颤的患者来说效果不太好,特别是当患者的组织有疤痕时。这些患者通常会返回手术室进行重复手术,甚至多达四到五次,每次在心脏中产生更多的疤痕组织,这可能导致更多的失误。

通过心律失常模拟(OPTIMA)称为最佳目标识别的新个性化程序可以在第一次手术尝试中针对心脏的所有问题区域,包括将来会导致电气失火的那些区域。

以下是它的工作原理:首先,患有房颤的患者进行对比增强的MRI心脏扫描,记录心脏上的任何瘢痕。接下来,工程师将图像分割成心房的几何表示。在计算机程序中,他们用虚拟心脏细胞填充该表示。细胞在正常或疤痕的心脏组织周围表现不同,因此数字心脏逐渐呈现患者心脏的相同行为。

接下来工程师用小电刺激虚拟心脏,看看它会如何反应。“我们不知道先验,通过观察图像,会发生什么。”Trayanova说。因此,他们观察并标记刺激引起心跳不规则的区域。这些是外科医生需要通过燃烧来消灭的部位,这个程序称为消融。

但Trayanova表示,确定这些问题点是不够的。在标记所有初始问题区域后,该团队执行虚拟手术,摧毁这些区域并向模型添加新的虚拟疤痕(称为病变)。然后,他们再次进行测试,因为新的疤痕会导致产生额外的失火心脏组织。

“我们重复这几次以找到最佳的病变集,这样当你执行它们时,病人就不会回到医院。”Trayanova说。通常,到第三轮时不再有可能导致异常电信号的隐藏区域。

最后,患者心脏的电子地图被发送到手术期间操作医师使用的系统,显示在手术室的屏幕上。外科医生使用该图将导管引导至需要被破坏的组织。

通常,估计有50%的持续性AF患者返回医院进行额外的手术。在接受个性化手术的10名患者中,只有一名患者回来进行额外治疗。

个性化方法可能比典型的AF手术更昂贵,因为它涉及MRI扫描。然而,Trayanova表示,阻止患者返回医院进行额外手术可以节省总体成本。她已提交该技术的专利申请。 “我们想要一种有效的治疗方法,所以有人不需要进行五次手术。”她说。