Создан кардиостимулятор, управляемый нейронной сетью

Звоните +7 495 204 2313 или
Обратитесь онлайн
Медицинский консультант расскажет о всех аспектах лечения за рубежом
5 декабря 2019

Специалисты создали новый кардиостимулятор под управлением нейронной сети. В отличие от существующих устройств, обеспечивающих монотонный ритм, он ориентируется на сигналы тела и корректирует частоту и ритмичность сокращений сердца в соответствии с ними. Технология успешно прошла доклинические испытания.

Первые кардиостимуляторы, или искусственные водители ритма, появились более полувека назад. Это вживляемые компактные устройства, которые, стимулируя сердце электрическими импульсами, обеспечивают нормальную последовательность и частоту его сокращений – как правило, у пациентов с брадикардией (замедленным сердцебиением) и сердечной недостаточностью.

Появление кардиостимуляторов помогло спасти десятки тысяч жизней, но даже самые современные и продвинутые из них имеют существенный недостаток – они не учитывают важный биологический факт: здоровое сердце не работает монотонно подобно метроному. Так, частота его сокращений увеличивается на вдохе, а на выдохе – уменьшается. Это естественный вариант изменения сердечного ритма, который связан с типом дыхания и регулирующим влиянием блуждающего нерва на сердечную мышцу, – его называют респираторной синусовой аритмией.

Ученые поняли, что, сосредоточив внимание на этой физиологической особенности, они смогут оптимизировать работу современных кардиостимуляторов. «Водители ритма не могут функционировать автономно, они должны реагировать на сигналы тела и регулировать свою работу в зависимости от его потребностей в конкретный промежуток времени, – поясняет профессор-исследователь Юлиан Пейтон. – Очевидно, что назрела необходимость в новых, более «умных» устройствах».

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Journal of Physiology, Пейтон и его коллеги описали разработанный ими усовершенствованный кардиостимулятор, который возвращает сердцу пациента с сердечной недостаточностью функцию естественного регулирования частоты сокращений, помогая оптимизировать его работу.

Устройство, управляемое нейронной сетью, считывает ряд электрических сигналов, генерируемых при каждом вдохе, и адаптирует частоту сердечных сокращений в соответствии с ними. У крыс с сердечной недостаточностью его использование увеличивало объем перекачиваемой сердцем крови на 20% в сравнении с обычным водителем ритма, обеспечивающим монотонное сокращение.

Современные искусственные водители ритма контролируют частоту сердцебиения, ориентируясь на происходящие в теле изменения, но делают это довольно примитивно – либо за счет встроенного акселерометра, который измеряет ускорение и распознает текущую активность человека, либо фиксируя повышение температуры тела.

Некоторые более новые модели электрокардиостимуляторов могут управлять работой сердца, основываясь на особенностях дыхания. Однако, по словам профессор Пейтона, эти приборы отслеживают так называемое реберное (или грудное) дыхание в течение определенного периода. «Мы используем иной подход. Наше устройство регулирует работу сердца, оценивая каждый вздох», – говорит он.

Ключевым элементом созданного инженерами водителя ритма является аналоговый чип на основе нейросети. В ходе лабораторных опытов с грызунами он фиксировал электрическую активность диафрагмальной мышцы животных, которая сокращается в процессе дыхания. Микросхема в режиме реального времени оценивает получаемые сигналы, используя математическую формулу ХоджкинаХаксли, которая моделирует возникновение и распространение нейронных сигналов, ответственных за частоту сердцебиения. После их анализа прибор подает электрические импульсы в левое предсердие, стимулируя сердечную мышцу сокращаться в унисон с дыханием.

По словам профессора Пейтона, основное отличие аналогового устройства от цифрового в том, что оно способно быстро реагировать на сигналы тела, свидетельствующие об изменении его состояния. При этом масштаб девайса легко меняется – его можно уменьшить вплоть до размера почтовой марки.

Исследователи отмечают, что когда разработанный ими кардиостимулятор приблизится к стадии клинических испытаний на людях, им не придется считывать сигналы с диафрагмы, как это было в случае с крысами. Вместо этого они смогут вставить аналоговую микросхему в обычные кардиостимуляторы и отслеживать дыхание за счет оценки изменений электрического сопротивления грудной клетки.

Предложенный британскими учеными подход – один из немногих, которые исследователи используют для модернизации современных кардиостимуляторов. Одни работают над усовершенствованием системы питания таких устройств: они ищут способ использовать само сердце в качестве источника питания, или же изготавливать их из графена, чтобы те могли работать, используя энергию солнечного света. Другие занимаются разработкой оптических водителей ритма, в которых стимуляция кардиомицитов будет осуществляться с помощью метода генной инженерии, называемого оптогенетикой.
Вопросы и ответы

Ни одного вопроса не задано

Задать вопрос

Продолжая использовать данный сайт, Вы принимаете наши правила использования cookie-файлов.

Принимаю