Создан кардиостимулятор, работающий под контролем нейросети
С самого момента своего создания кардиостимулятор, устройство, имплантируемое в грудную клетку для поддержания сердечного ритма, выступало в качестве водителя ритма, то есть задавало темп сердечных сокращений органов, которые не могут сделать это самостоятельно. Но здоровое сердце не всегда бьется с одной и той же частотой, а зависит от целой массы факторов. И все их не может учитывать небольшой кардиостимулятор. А вот нейросеть может это сделать. И именно устройство для стимуляции ритма, которое контролирует нейросеть, и создали ученые из Бристольского университета.
Как нейросеть помогает в работе сердца
Человеческое сердце постоянно меняет частоту сокращений. Например, оно может ускоряться при вдохе и замедляться при выдохе. Это явление известно под названием дыхательная синусовая аритмия и она считается нормой для молодых людей со здоровым сердцем. Причем в ней есть и физиологический аспект. Благодаря этому увеличивается кровенаполнение предсердий.
Подобные устройства должны прислушиваться к тому, что нужно человеческому телу, — говорит Джулиан Патон, профессор Бристольского университета в Великобритании, и один из авторов разработки. Нам нужны более умные медицинские устройства. Новый умный кардиостимулятор сможет вернуть естественную вариабельность в сердечные сокращения, помогая органу работать более эффективно.
Прибор считывает электрические сигналы, генерируемые каждым вдохом, и соответственно передает эти данные сердцу. В ходе экспериментов с лабораторными мышами сердечной недостаточностью, устройство увеличивало количество крови, которую их сердца могли перекачивать, на 20% по сравнению с монотонной кардиостимуляцией.
Современные кардиостимуляторы регулируют частоту сердечных сокращений, реагируя на изменения в организме относительно примитивными способами, такими как акселерометры или обнаружение повышения температуры тела. Некоторые новые устройства могут измерять ритм сердца на основе дыхания. Но эти устройства отслеживают среднее дыхание в течение определенного периода времени.
Устройство, созданное британцами, оснащено аналоговым чипом на основе нейронной сети, разработанным на базе Университета Бата. В экспериментах на крысах чип регистрировал электрическую активность мышц диафрагмы мышей, которая сокращается во время вдоха. Чип интерпретирует сигналы, передаваемые в реальном времени, используя уравнения Ходжкина-Хаксли — это, грубо говоря, математическое моделирование того, как инициируются и распространяются потенциалы действия в клетках, отвечающих за сердечный ритм. После анализа данных устройство начинает электрическую стимуляцию левого предсердия сердца, побуждая его биться синхронно с дыханием.
Преимущество использования аналогового такого подхода заключается в том, что новое устройство может быстро реагировать на изменения дыхания, — говорит Джулиан Патон. При этом гаджет легко масштабируется и может быть уменьшен до размеров почтовой марки.
Ученые уверяют, что на следующем этапе тестирования на людях, устройству не нужно будет записывать сигналы от диафрагмальной мышцы. Вместо этого можно будет интегрировать прибор в обычные кардиостимуляторы и измерять дыхание, регистрируя электрические изменения в сопротивлении грудной клетки.