个性化的虚拟心脏可以预测心脏猝死的风险
当电波在心脏中失控，出现心律失常时，就会发生猝死。为了挽救处于危险中的病人的生命，医生目前植入了一个小型除颤器来感知心律失常的发作，并使心脏恢复正常节奏。但一个棘手的问题仍然存在:医生应该如何决定哪些患者真正需要侵入性的、昂贵的、自身并非没有健康风险的电子植入?
为了解决这个问题，约翰霍普金斯大学的一个跨学科团队开发了一种非侵入性的3d虚拟设备心评估工具，帮助医生确定特定患者是否面临危及生命的心律失常的最高风险，并从除颤器植入中获益最大。在5月10日发表在在线杂志上的概念验证研究中自然通讯该团队报告称，与大多数医生目前使用的不精确的血泵测量方法相比，这种新的数字方法能产生更准确的预测。
“我们的虚拟心脏测试在预测未来的心律失常事件方面明显优于现有的几个临床指标，”该大学生物医学工程的首届Murray B. Sachs教授Natalia Trayanova说。“这种非侵入性和个性化的虚拟心脏风险评估可以帮助预防心脏猝死，并允许没有风险的患者避免不必要的除颤器植入。”
Trayanova是开发个性化心脏成像计算机模型的先驱，他监督了这项研究，并且是该期刊文章的高级作者。她在约翰·霍普金斯大学怀廷工程学院和医学院担任教职，是该大学计算医学研究所的核心教职人员。在这项研究中，她与心脏病学家和合著者凯瑟琳·c·吴(Katherine C. Wu)合作，凯瑟琳·吴是约翰·霍普金斯医学院的副教授，她的研究重点是磁共振成像提高心血管风险预测的方法。
在这项具有里程碑意义的研究中，特拉亚诺娃的团队通过使用独特的核磁共振成像(MRI)记录，对心脏病发作后幸存下来的患者进行了预测，这些患者的心脏组织受损，容易导致致命的心律失常。这项研究是一项盲法研究，这意味着团队成员直到事后才知道他们的预测与患者在现实生活中发生的情况有多接近。这项研究涉及41名心脏病发作后幸存下来的患者的数据射血分数一种从心脏泵出血液量的测量方法，不到35%。
为了预防未来的心律失常，医生通常建议在这个范围内的所有患者都使用植入式除颤器，研究中所有41名患者都因为射血分数评分而接受了植入式除颤器。但研究得出结论，这个评分在预测哪些患者面临心源性猝死的高风险时是有缺陷的。
约翰·霍普金斯大学的研究小组发明了一种替代评分的方法，即使用植入前对受者心脏的核磁共振扫描来构建针对患者的器官数字副本。利用特拉亚诺娃实验室开发的计算机建模技术，通过结合心脏细胞中的电过程和细胞之间的通信，每个患者心脏的几何复制品被赋予了生命。在一些案例中，虚拟心脏出现了心律失常，而在另一些案例中则没有。结果是一种非侵入性的方法来衡量心律失常引起的心脏性猝死的风险，被称为VARP，虚拟心律失常风险预测器的缩写。这种方法使研究人员能够考虑到患者心脏的几何形状、电波穿过心脏的方式以及早期手术留下的疤痕组织的影响心脏病．
最终，将VARP结果与植入除颤器接受者的记录进行比较，以确定该技术在多大程度上预测了哪些患者会经历由植入设备检测到并阻止的危及生命的心律失常。VARP心律失常风险测试呈阳性的患者发生心律失常的可能性是测试呈阴性的患者的四倍。此外，VARP对患者心律失常发生的预测效果比射血分数和其他现有临床风险预测指标(非侵入性和侵入性)好4 - 5倍。
“我们证明了VARP比任何其他的心律失常预测方法都更好，”Trayanova说。“通过准确预测哪些患者有心源性猝死的风险，VARP方法将为医生提供一种工具，以确定哪些患者真正需要昂贵的植入式设备，哪些患者该设备无法提供任何救生益处。”
Wu认为，这些令人鼓舞的早期结果表明，更细致的VARP技术可能是一种有用的替代方法，而不是一刀切的射血分数评分。
“这是一项突破性的概念验证研究，原因有几个，”Wu说，“作为心脏病专家，我们获得了大量关于患者的数据，特别是高科技成像数据，但最终我们很少使用这些信息进行个性化护理。通过这项研究中使用的技术，我们能够根据患者的具体解剖结构创建一个个性化的、高度详细的虚拟3-D心脏。然后，我们可以虚拟测试心脏，看看它在某些情况下有多烦躁。我们可以做到这一切，而不需要病人接受侵入性手术。这代表了一种更安全、更全面和个性化的方法心脏性猝死风险评估”。
Wu指出，植入式除颤器本身也有一些风险，在不真正需要时避免植入这种设备可以消除这些风险。她说，植入式除颤器需要侵入性地进入心脏，经常检查设备，间歇更换电池。她补充说，并发症可能包括感染、设备故障，在极少数情况下，还有心脏或血管损伤。
Trayanova指出，除了消除不必要的设备植入外，这种新的风险预测方法也可以应用于先前有心脏损伤，但其射血分数评分不符合当前临床建议的治疗目标的患者。因此，Trayanova说，VARP有可能挽救更多高危患者的生命。
随着概念验证研究的完成，研究人员下一步希望进行涉及更大群体心脏的进一步测试病人．VARP技术受到约翰霍普金斯大学技术风险办公室的专利保护。
