Algorytmy w służbie serca – nowa era diagnostyki wieńcowej

Zwężenie tętnic wieńcowych – kiedy potrzebny „hydraulik” od serca?

Nasze serce, nieustannie pompujące krew, potrzebuje stałego dopływu tlenu i składników odżywczych. Zapewniają to tętnice wieńcowe - małe, ale kluczowe naczynia oplatające mięsień sercowy. Zwężenie tych naczyń przez blaszki miażdżycowe, na przykład wskutek pęknięcia blaszki i zamknięcia światła naczynia, może prowadzić do zawału serca. 

Zwężanie się tętnic można obrazowo porównać do zapychania się rur - aby udrożnić przepływ, potrzebny jest hydraulik. To samo należy zrobić ze zwężonymi naczyniami wieńcowymi. Nowoczesne technologie pozwalają na zastosowanie technik przezskórnych, bez konieczności otwierania klatki piersiowej. 

Pomimo dużego sukcesu w zakresie leczenia zespołów wieńcowych, jedno z głównych pytań współczesnej kardiologii brzmi: Która blaszka miażdżycowa stanowi na tyle duże zagrożenie, że wymaga leczenia inwazyjnego, a kiedy wystarcza sama farmakoterapia. Do odpowiedzi i znalezienia profilu blaszki najbardziej podatnego na pęknięcie zbliża nas rozwój technologii komputerowych. A coraz większą rolę w ocenie tętnic wieńcowych odgrywa mniej ryzykowna, nieinwazyjna diagnostyka.

Od anatomii do fizjologii – zmiana paradygmatu

Przez dziesięciolecia głównym narzędziem oceny tętnic wieńcowych była koronarografia, czyli obrazowanie wnętrza naczyń za pomocą kontrastu wpuszczanego bezpośrednio do naczynia. Koronarografia jest badaniem inwazyjnym i ma pewne ograniczenia: pokazuje kształt i stopień zwężenia, ale nic nie mówi o jego funkcjonalnym znaczeniu. Badania wskazują, że w przypadku pośrednich zwężeń istotne jest nie tylko „jak duże” jest zwężenie, ale także „w jaki sposób” wpływa ono na przepływ krwi. Dlatego w ostatnich latach coraz bardziej powszechne stają się techniki bazujące na wskaźnikach fizjologicznych, przydatne do oceny czy dane zwężenie rzeczywiście ogranicza przepływ krwi. Pomiary te są rutynowo wykonywane jako uzupełnienie koronarografii, jednak rozwój technologii pozwolił na otrzymywanie wyników o tych wskaźnikach w mniej inwazyjny sposób.

Wskaźniki te można oszacować z dobrą dokładnością korzystając z nowych nieinwazyjnych technik opartych na zasadach biomechaniki płynów oraz cyfrowych rekonstrukcji naczyń, często przy wsparciu sztucznej inteligencji. Pomaga to zarówno w doborze ścieżki terapeutycznej, jak i stratyfikacji ryzyka nasilenia bólu czy wystąpienia zdarzeń klinicznych. Ocena fizjologii tą metodą potencjalnie może służyć również do diagnostyki chorób “mikronaczyń” serca, które stanowią istotną część krążenia wieńcowego, a których nie widzimy podczas diagnostyki obrazowej.

Nieinwazyjna przyszłość w diagnostyce miażdżycy

Współczesna medycyna zmierza w kierunku ograniczenia technik inwazyjnych do koniecznego minimum. Coraz bardziej precyzyjnym, kompleksowym narzędziem diagnostycznym dla pacjentów z zespołami wieńcowymi staje się tomografia komputerowa. To, co jeszcze niedawno wymagało wprowadzenia czujnika ciśnienia do wnętrza tętnicy, dziś można wykonać na podstawie całkowicie nieinwazyjnej tomografii komputerowej. Co więcej, w badaniu tym możliwa jest również ocena blaszki miażdżycowej pod kątem cech wysokiego ryzyka. Dzięki tomografii możliwa jest wczesna diagnostyka, dobór odpowiedniej strategii prewencyjnej, precyzyjne planowanie interwencji i unikanie niepotrzebnych procedur inwazyjnych.

Czy biomechanika może pomóc? Nowe koncepcje

Coraz szerszy dostęp do kompleksowych oprogramowań i algorytmów umożliwił badaczom rozważania na temat roli biomechaniki przepływu wieńcowego czyli działania sił ścinających na szybkość progresji miażdżycy oraz zwiększenie podatności blaszek na pęknięcia. 

Działanie sił ścinających można wytłumaczyć na przykładzie pocierania dłoni o blat stołu. Powierzchnia stołu stawia opór, a dłoń odczuwa tarcie. To właśnie siła ścinająca, która działa równolegle do powierzchni i powoduje „rozciąganie” warstw wzdłuż siebie. Podobnie krew, płynąc wzdłuż ściany naczynia, wywiera na nią tarcie i wpływa tym samym na wiele procesów biologicznych, takich jak aktywacja komórek śródbłonka czy regulacja napięcia naczyń. 

Niekorzystny profil sił ścinających będący wynikiem zwężeń tętnic, może prowadzić do zaburzeń w funkcjonowaniu śródbłonka, a to przyczynia się do dalszego rozwoju miażdżycy i pogłębiania problemów z przepływem. Zrozumienie roli sił ścinających w tym procesie może pomóc badaczom w opracowywaniu nowych metod diagnostycznych i terapeutycznych, które lepiej przewidują ryzyko zawału serca. Obecnie nie ma jednak przekonywujących danych dotyczących związku profilu biomechanicznego z występowaniem blaszek podwyższonego ryzyka określonych w badaniu nieinwazyjnym. Mam nadzieję, że projekty badawcze prowadzone z moim udziałem dostarczą nowych faktów w tej dziedzinie.

Sztuczna inteligencja – na pomoc lekarzowi

Aby w pełni wykorzystać potencjał obrazowania i analizy fizjologicznej, potrzebna jest ogromna moc obliczeniowa i szybka analiza danych. Tu na scenę wkracza sztuczna inteligencja. Modele uczenia maszynowego są już w stanie rozpoznawać subtelne wzorce w obrazach tętnic wieńcowych, prognozować ryzyko incydentów sercowych, a nawet sugerować najlepszą strategię leczenia. Kluczową rolą sztucznej inteligencji jest również wsparcie nieinwazyjnej diagnostyki, na przykład w zakresie analizy dynamiki przepływu. Pozwala to na wykonanie symulacji wyniku zabiegu jeszcze przed dotarciem lekarza do pracowni zabiegowej. Lekarz, wspierany przez inteligentny algorytm, może szybko i dokładnie dostosować leczenie do potrzeb pacjenta.

Połączenie obrazowania, danych i AI – w stronę spersonalizowanej diagnostyki serca

Badania prowadzone przeze mnie w I Katedrze i Klinice Kardiologii WUM pod opieką promotora prof. Mariusza Tomaniaka koncentrują się na kompleksowej ocenie zwężeń w tętnicach wieńcowych. 

Analizuję m.in. związek pomiędzy cechami blaszki miażdżycowej widocznymi w tomografii komputerowej, a profilem biomechanicznym przepływu. Prowadzę także ocenę skuteczności oprogramowania do uzyskiwania profilu fizjologicznego bezpośrednio z tomografii komputerowej u pacjentów z ciężką stenozą aortalną kwalifikowanych do przezskórnej implantacji nowej zastawki. 

Celem do osiągnięcia jest możliwość leczenia w sposób zindywidualizowany każdego pacjenta dzięki wieloparametrycznej analizie, szczególnie tej nieinwazyjnej. Równolegle prowadzimy w klinice prace nad stworzeniem algorytmu opartego na sztucznej inteligencji, który umożliwi nieinwazyjną ocenę funkcji mikrokrążenia wieńcowego.

Badania nad kompleksową oceną profilu blaszki miażdżycowej, a także śmiała aplikacja technik komputerowych w tym obszarze, to realna szansa na lepszą, mniej inwazyjną i bardziej trafną diagnostykę. Być może uda się stworzyć w ten sposób nowy standard opieki kardiologicznej – oparty na danych, wspierany technologią i skoncentrowany na indywidualnym podejściu do pacjenta.

Kilka słów o autorze

Adrian Bednarek, student 4. roku kierunku lekarskiego oraz doktorant w I Katedrze i Klinice Kardiologii WUM. Autor 16 prac naukowych (łączny IF = 48.5), laureat Stypendium Ministra Zdrowia za osiągnięcia naukowe oraz grantu MNiSW na wykorzystanie AI w diagnostyce dysfunkcji mikrokrążenia. Zwycięzca ogólnopolskiego konkursu fizjologicznego Wielka Synapsa oraz Laureat ogólnopolskiego konkursu anatomicznego Scapula Aurea. Dwukrotny reprezentant WUM na Medical School of Your Future (obóz dla najlepszych studentów kierunku lekarskiego) i prezes Studenckiego Stowarzyszenia Kardiologicznego. Podczas studiów odbywał staże oraz współpracuje z CORRIB CoreLab na University of Galway (Irlandia). Swoje prace prezentował na licznych konferencjach międzynarodowych m.in. we Francji, Korei Południowej i Chinach. Oprócz AI i kardiologii w obrębie jego zainteresowań naukowych znajduje się metodologia badań oraz statystyka.