Matematikk kurerer hjertesvikt

Matematikk kurerer hjertesvikt

De bruker differensiallikninger for å simulere hjerteaktiviteten hos mennesker. Resultatene kan forebygge hjerteflimmer og hjertesvikt.

Avdelingen for vitenskapelige beregninger ved Simulasenteret på Fornebu studerer fenomener som lar seg beskrive med differensiallikninger, men som er for kompliserte til løses med papir og blyant. Hjerteforskningen benytter såkalt diskretisering for å studere elektronisk stimulering, kontraksjon og blodstrømning inn og ut av hjertet.

Hjertet deles opp i små blokker, hvor hver blokk utgjør 0,2 millimeter, totalt 40 millioner blokker målt over hjertets volum. I hver blokk simuleres så elektrisk aktivitet i 50 variabler hvert 0,1 millisekund. Så studeres virkningen av ulike scenarier som det kunstige hjertet utsettes for.

Simuleringene er svært regnetunge, og Simulasenterets Linux-klynge basert på 25 sammenkoblede servere fra HP, hver med to 64-bits prosessorer på 1,3 GHz ,og en samlet hukommelse på 100 GB er på langt nær nok.

- Det er ikke alt vi driver med som er så regnetungt, det hender jeg bare bruker laptopen min, men det er greit å ha en lokal ressurs å utvikle kode på. Ved helhjertesimuleringene trenger man imidlertid mye regnekraft, da kan det ta dager. For de store jobbene bruker vi Notur – et nasjonalt tungregneprogram ved universitetene. Det ville kostet hele årsbudsjettet vårt om vi skulle kjøpt noe liknende, sier prosjektleder og dr. scient. Glenn Lines.

Samspill med dyreforsøk

Målet med forskningen er å forstå hvordan kroppen virker i de minste byggestenene. I samarbeidet med Ullevål sykehus er målet å forebygge hjertesvikt, og det sentrale er å forstå sykdomsforløpet som gjør andre i stand til å utvikle medisiner som griper inn på de riktige tidspunktene i prosessene. Ved sykehuset kan de studere hvordan hjertecellene endrer seg ved hjelp av dyreforsøk på mus og rotter, mens Simulasenteret bidrar med modellering for å teste ulike hypoteser. Resultatet blir et samspill mellom reelle og simulerte forsøk.

- Mye av resultatene våre er veldig tekniske, men en artikkel om forskningssamarbeidet med Ullevål ble publisert i Biophysical Journal. Det er slett ikke verst, og var et gjennombrudd for oss. Det er ikke lett å få til slike tverrfaglige samarbeid i praksis, men nå skal vi skrive flere ting sammen, sier Lines.

På Haukeland forskes det på hjerteflimmer i atriene, forkamrene til hjertet, ved hjelp av radiofrekvensablasjon. Koordinerte elektriske signaler gjør at hjertemuskelen trekker seg sammen, mens ved hjerteflimmer er disse signalene uorganisert, noe som gir dårligere kontraksjon. Ved å gå inn med kateter, en slags vaier via lysken kommer forskerne inn i hjertet og leverer energi fra tuppen av kateteret for å ødelegge celler. Ved å lage en linje av ødelagte celler sørger man for at det ikke går elektrisk ledning på tvers av denne. Det forhindrer flimmer, men hindrer også den normale elektriske strømmen.

Ved hjelp av simulering kan man designe slike linjer og stoppe uønsket kaos, men samtidig minimere forstyrrelsen av normal aktivitet. Foreløpig har Simulasenteret kun laget prototype-simuleringer, men har søkt Forskningsrådets eVita-program om støtte til et fellesfaglig prosjekt med Haukeland. Svaret kommer til sommeren.

- Denne typen problemer er velegnet for simulering. Å endre behandling har også gitt oppløftende resultater, så vi håper vi får funding for å gå videre. Vi er imidlertid bare støttespillere og hjelper til med simuleringer, understreker Lines.

Regner seg baklengs

Utgangspunktet for grunnforskningen ved Simulasenteret var å se på det rent tekniske, hvordan man skal løse likningene. Den medisinske anvendelse har kommet til i senere tid i kontakt med ulike medisinske miljøer.

Mye av arbeidet består av ren programvareutvikling, optimalisering og effektivisering.

- Utfordringen går på hvor raskt vi klarer å gjøre simuleringene. Raskere responstid betyr at det blir enklere å jobbe med programmene som simuleringsverktøy. For grov oppløsning i simuleringene, gjør at det ikke blir realistiske sammenlikninger. Nå begynner vi å komme på et nivå hvor vi kan kjøre kvantitative sammenlikninger med hele hjertet, forklarer Lines.

I tillegg til prosjektene med Ullevål og Haukeland, forskes det også på inverse problemer. En av målsettingene er å bruke elektrokardiogram-signaler målt på utsiden av kroppen, og se på opphavet til signalene. Ved å legge inn sykdommer i hjertet, studerer man så endringer i ekg. Ved hjelp av mange målepunkter og sofistikerte matematiske metoder kan man så regne seg baklengs og finne ut hvor stort et infarkt er og hvor det sitter.

Senter for fremragende forskning

Et tredje forskningsområde er mekanikk. Mye av simuleringene gjøres på statiske hjerter, når muskelen ikke beveger seg, men en viktig del er også deformasjonen av hjertet, og hvordan blodet faktisk strømmer. Dette blir en sentral problemstilling i senteret for fremragende forskning. Simulasenteret har nemlig blitt utropt til et centre of excellence, og en ny avdeling er sikret støtte på åtte millioner kroner i året de neste ti årene. Stikkordet er blodflyt, og forskningen blir tredelt.

De skal skrive og utvikle programvare for å løse differensiallikninger med fokus på flytproblemer. Dernest skal de utvikle ulike likningsløsninger for flyt, ikke nødvendigvis bare bioflyt, men også flytproblematikk rundt luft og vann, eksempelvis gjennom vindtunneller. Det siste forskningsområder omfatter blodflyt i hjertet og hjernen.

- Dette vil videreføre arbeidet ved senteret på en flott måte, mye av programvaren vil bli gjenbrukt, men vi prøver nå å få tak i gode folk. Dette er et relativt lite miljø med spesiell kompetanse også internasjonalt, så det er begresenet med kvalifiserte folk. Heldigvis er det er et godt lønnsnivå i Norge på doktorgrad og postdoktorater, så vi regner med mange gode søkere fra mange flere steder, sier Lines.

Les om:

IT-Helse