print logo

Simulerer elektrisk feil i hjertet

Pacemakere fungerer ikke for hver tredje pasient. Datasimuleringer kan hjelpe legene med å velge ut de pasientene som har nytte av denne behandlingen.

VIRKER IKKE ALLTID: Medisinere kan nå få hjelp av en matematisk simuleringsmodell av hjertet for å finne den optimale plasseringen av pacemakerelektrodene. Foto: SciencePhoto

Avanserte, matematiske datasimuleringer gjør det mulig å lære mer om alvorlige, elektriske rytmeforstyrrelser i hjertet.

– I dag fins dessverre ingen effektiv behandling. For mange pasienter er den beste behandlingen å sette på en pacemaker med elektroder inn i hjertemuskelen, men spørsmålet er hvor elektrodene skal plasseres for at effekten skal bli best mulig, påpeker Joakim Sundnes . Han er førsteamanuensis på Institutt for informatikk ved Universitetet i Oslo og forsker ved Senter for biomedisinske beregninger på Simulasenteret.

Hjelper legene

I samarbeid med forskere på Matematisk institutt ved Universitetet i Oslo og Hjerteavdelingen på Rikshospitalet har Joakim Sundnes de siste fem årene utviklet et nytt simuleringsprogram, slik at legene kan få en dypere forståelse av hva som skjer når hjertet blir utsatt for elektriske forstyrrelser.

Hjertet er bygd opp slik at de elektriske signalene skal aktivere hele hjertet samtidig. Når signalene forstyrres, trekker bare deler av hjertet seg sammen, før resten av hjertet kommer etter. Det er veldig uheldig. Da vil de forskjellige delene av hjertemuskelen motarbeide hverandre, slik at pumpefunksjonen blir dårligere.

Basert på EKG-analyse, som registrerer den elektriske aktiviteten i hjertet, kan pasienten få operert inn en pacemaker. I pacemakeren er det to elektroder. Poenget er å sende ut elektriske støt for at hjertet skal slå i takt.

– Dessverre fungerer ikke behandlingen for en tredel av pasientene. Vi håper at de matematiske modellene kan hjelpe oss til å utvikle nye diagnostiske metoder for å finne hvilke pasienter som kan ha nytte av pacemaker. Det er ikke sikkert at to elektroder er det optimale. Kanskje bør man sette inn flere elektroder eller plassere dem på en annen måte? Med simuleringsmodellen kan vi teste ut nye hypoteser og metoder på datamaskinen. Simuleringsprogrammet er derfor midt i blinken for oss, forteller forsker Espen Wattenberg Remme ved Hjerteavdelingen på Rikshospitalet.

TUNG MATEMATIKK: For å simulere ett hjerteslag trenger professor Hans Petter Langtangen og førsteamanuensis Joakim Sundnes flere tusen datamaskiner. Foto: Yngve Vogt

Kjedereaksjon i hjertet

Datasimuleringen er en løsning av et matematisk ligningssystem som beskriver sammenhengen mellom elektrisk aktivitet og deformasjonen av hjertemuskelen.

Hjertecellene reagerer på en elektrisk impuls ved å trekke seg sammen og sende impulsen videre til nabocellene. Dette skaper en kjedereaksjon i hjertet.

– Den matematiske beskrivelsen av sammentrekningen av hjertet inkluderer alt fra den elektriske overføringen fra celle til celle, de elektrokjemiske reaksjonene i cellene som fører til elektrisk aktivering, sammentrekningen av hver enkelt celle, samt de elastiske egenskapene til hjerteveggen.

Joakim Sundnes har brukt mesteparten av de siste fem årene til å utvikle detaljene i den matematiske modellen og til å finne effektive metoder for å kunne løse disse ligningene i datamaskinen.

Det er nettopp slike beregninger som er spesialet ved Senter for biomedisinske beregninger.

Luker ut feil

Det elektriske samspillet i hjertet er svært komplekst.

– Den store utfordringen er å innføre enorme forenklinger av virkeligheten og likevel beskrive de viktigste fysiske effektene på en god måte, påpeker professor Hans Petter Langtangen , som både er professor ved Institutt for informatikk på Universitetet i Oslo og forskningsleder på Senter for biomedisinske beregninger.

Problemet er at den feilen man observerer, kan ha flere kilder. Det store spørsmålet er om den feilen man observerer, er en feil i den matematiske modellen, i løsningsmetoden eller skyldes en programmeringsfeil. Svaret er ikke opplagt. Av og til virker ikke løsningsmetoden.

– Da må den matematiske modellen eller løsningsmetoden endres, forteller Hans Petter Langtangen, som i en årrekke har forsket på hvordan man på en bedre måte kan utvikle effektive programmeringsverktøy for simuleringsteknologi.

Det spesielle med den nye hjertesimuleringen, er koblingen av en rekke kompliserte, matematiske ligninger med varierende geometri. I motsetning til tidligere simuleringer tar de denne gang også hensyn til at formen på hjertet endrer seg hele tiden.

– Det skaper ekstremt tunge beregninger.

Tusenvis av datamaskiner

Til denne typen simulering trengs det svært kraftige datamaskiner. Selv om forskerne tar i bruk alle de 680 datamaskinene på Simulasenteret samtidig, har de likevel ikke nok maskinkapasitet til å simulere ett hjerteslag i døgnet.

– Vi er interessert i å simulere flere hjerteslag, og må derfor bruke tusenvis av datamaskiner. Regnestykkene må deles opp og fordeles mellom datamaskinene, men jo flere datamaskiner som brukes, desto større er faren for at de bruker mye av tiden på å kommunisere seg imellom fremfor å regne. Faren for feil er også større.

Forskerne ønsker også å lage et dataprogram som ser på langtidseffekten av sykdommen over ti år.

– Det er så ekstremt regnekrevende at de matematiske modellene må forenkles enda mer.

Kunstig hjerte

Foreløpig studerer forskerne et kunstig hjerte.

– Det gjør vi for å forstå dynamikken i hjertet ut ifra et naturvitenskapelig ståsted. De medisinske forskerne kan da bruke hjertesimuleringene til å øke forståelsen av hva som skjer under en hjertesvikt. Vi har hatt jevnlig kontakt med det medisinske miljøet siden starten, men metoden og programvaren har ikke vært god nok før nå, forteller Hans Petter Langtangen.

Pasientens hjerte

Målet er at kirurgene skal kunne datasimulere hjertesykdommen hos spesifikke pasienter, for å finne den optimale plasseringen av elektroder hos akkurat denne pasienten, før inngrepet starter.

– Dette kan skje om fem til ti år, håper den amerikanske forskeren Sam Wall ved Simulasenteret. Han har sin bakgrunn fra Universitetet i San Francisco, som har et av verdens ledende forskningsmiljøer på modellering av hjertemekanikk.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Informasjons- og kommunikasjonsvitenskap, Numeriske metoder, Simulering, visualisering, signalbehandling, bildeanalyse, Matematikk, Anvendt matematikk, Topologi/geometri, Fysikk, Medisinske fag, Klinisk medisinske fag, Kardiologi Av Yngve Vogt
Publisert 9. jun. 2009 00:00