Může hluboké učení transformovat prevenci srdečního selhání?

Aristoteles, starověký řecký filozof a učenec, kdysi usoudil, že lidské srdce má tři komory a že je to nejdůležitější orgán v celém těle, řídící pohyb, smyslové vnímání a myšlení.

Dnes víme, že lidské srdce má ve skutečnosti čtyři komory a že mozek do značné míry řídí pohyb, smyslové vnímání a myšlení. Aristoteles však správně pozoroval, že srdce je životně důležitý orgán, pumpující krev do zbytku těla, aby dosáhla dalších životně důležitých orgánů. Když zasáhne život ohrožující stav, jako je srdeční selhání, srdce postupně ztrácí schopnost zásobovat ostatní orgány dostatečným množstvím krve a živin, které jim umožňují fungovat.

Výzkumníci z MIT a Harvard Medical School nedávno publikovali článek v časopise Nature Communications Medicine, představující neinvazivní přístup hlubokého učení, který analyzuje signály elektrokardiogramu (EKG) k přesné predikci rizika vzniku srdečního selhání u pacienta. V klinické studii model ukázal výsledky s přesností srovnatelnou se zlatým standardem, ale invazivnějšími postupy, čímž dává naději těm, kteří jsou ohroženi srdečním selháním. Stav v poslední době zaznamenal prudký nárůst úmrtnosti, zejména mezi mladými dospělými, pravděpodobně kvůli rostoucí prevalenci obezity a diabetu.

„Tento článek je vyvrcholením věcí, o kterých jsem mluvil na jiných místech již několik let,“ říká hlavní autor článku Collin Stultz, ředitel Harvard-MIT Program in Health Sciences and Technology a spolupracovník MIT Abdul Latif Jameel Clinic for Machine Learning in Health (Jameel Clinic). „Cílem této práce je identifikovat ty, kteří začínají onemocnět, ještě než mají příznaky, aby bylo možné zasáhnout dostatečně brzy a zabránit hospitalizaci.“

Ze čtyř komor srdce jsou dvě předsíně a dvě komory – pravá strana srdce má jednu předsíň a jednu komoru a naopak. V zdravém lidském srdci tyto komory pracují v rytmické synchronizaci: krev chudá na kyslík proudí do srdce přes pravou předsíň. Pravá předsíň se smrští a vzniklý tlak tlačí krev do pravé komory, odkud je krev pumpována do plic, aby se okysličila. Okysličená krev z plic poté odtéká do levé předsíně, která se smrští a pumpuje krev do levé komory. Následuje další kontrakce a krev je vypuzena z levé komory přes aortu a proudí do žil větvících se do zbytku těla.

„Když se tlak v levé síni zvýší, odtok krve z plic do levé síně je ztížen, protože jde o systém s vyšším tlakem,“ vysvětluje Stultz. Kromě toho, že je profesorem elektrotechniky a informatiky, je Stultz také praktikujícím kardiologem v nemocnici Mass General Hospital (MGH).

Současným zlatým standardem pro měření tlaku v levé síni je pravostranná srdeční katetrizace (RHC), invazivní postup, který vyžaduje zavedení tenké trubičky (katétru) připojené k tlakovému převodníku do pravé komory a plicních tepen. Lékaři často dávají přednost neinvazivnímu posouzení rizika před uchýlením se k RHC, a to vyšetřením hmotnosti, krevního tlaku a srdeční frekvence pacienta.

Ale podle Stultze jsou tato měření hrubá, o čemž svědčí i skutečnost, že jeden ze čtyř pacientů se srdečním selháním je znovu přijat do nemocnice do 30 dnů. „Hledáme něco, co vám poskytne informace podobné invazivnímu zařízení, jiné než jednoduchá váha,“ říká Stultz.

Aby získali komplexnější informace o srdečním stavu pacienta, lékaři obvykle používají 12-svodi EKG, při kterém se na pacienta připevní 10 lepících náplastí a spojí se se zařízením, které produkuje informace z 12 různých úhlů srdce. Přístroje 12-svodi EKG jsou však přístupné pouze v klinických prostředích a obvykle se nepoužívají k posuzování rizika srdečního selhání.

Místo toho Stultz a další výzkumníci navrhují systém monitorování srdeční hemodynamiky pomocí umělé inteligence (CHAIS), hlubokou neuronovou síť schopnou analyzovat data EKG z jednoho svodu – jinými slovy, pacient potřebuje pouze jednu lepící, komerčně dostupnou náplast na hrudi, kterou může nosit mimo nemocnici, bez připojení k přístroji.

Aby srovnali CHAIS se současným zlatým standardem, RHC, výzkumníci vybrali pacienty, kteří již byli naplánováni na katetrizaci, a požádali je, aby nosili náplast 24 až 48 hodin před zákrokem, ačkoli pacienti byli požádáni, aby náplast před katetrizací odstranili.

„Každý kardiolog rozumí hodnotě měření tlaku v levé síni při charakterizaci srdeční funkce a optimalizaci léčebných strategií u pacientů se srdečním selháním,“ říká Aaron Aguirre SM '03, PhD '08, kardiolog a lékař intenzivní péče v MGH. „Tato práce je důležitá, protože nabízí neinvazivní přístup k odhadu tohoto základního klinického parametru pomocí široce dostupného srdečního monitoru.“

Aguirre, který dokončil doktorát v lékařském inženýrství a lékařské fyzice na MIT, očekává, že s další klinickou validací bude CHAIS užitečný ve dvou klíčových oblastech: zaprvé pomůže vybrat pacienty, kteří budou mít největší prospěch z invazivnějšího srdečního vyšetření pomocí RHC; a zadruhé by technologie mohla umožnit sériové monitorování a sledování tlaku v levé síni u pacientů se srdečním onemocněním.

Výzkumníci mají další probíhající klinickou studii s využitím CHAIS s MGH a Boston Medical Center, kterou doufají, že brzy dokončí, aby zahájili analýzu dat.

„Podle mého názoru je skutečný slib AI ve zdravotnictví poskytovat spravedlivou, špičkovou péči všem, bez ohledu na jejich socioekonomický status, původ a místo bydliště,“ říká Stultz. „Tato práce je jedním krokem k dosažení tohoto cíle.“