Фибрилляция предсердий и желудочков - это опасные сердечные аритмии, которые ежегодно уносят миллионы жизней. Нынешнее лечение для них - это высокоэнергетический дефибрилляционный шок, который может быть очень болезненным и привести к дальнейшему повреждению сердца. Новая работа, в которой применяются принципы нелинейной динамики, направлена на поиск способов перезагрузки сердца с меньшим количеством побочных эффектов.

С помощью численного моделирования исследователи из Института динамики и самоорганизации Макса Планка, Немецкого центра сердечно-сосудистых исследований, Университета Георга-Августа Геттингена и Университетского медицинского центра Геттингена продемонстрировали новый способ определения времени слабых электрических импульсов, которые могут остановить некоторые опасные для жизни аритмии. Публикуя свою работу в журнале Chaos: Междисциплинарный журнал нелинейной науки, группа показывает, что синхронизированные импульсы успешно прекращают фибрилляцию предсердий и желудочков.

Исследование предоставляет ранние доказательства того, что один теоретический подход к контролю фибрилляции — адаптивная стимуляция замедления — может улучшить работу дефибрилляторов.

"При численном моделировании мы исследуем, как можно более эффективно управлять динамикой хаотических волн электрического возбуждения, которые управляют динамикой сердца во время фибрилляции", - сказал автор исследования Томас Лилиенкамп. "Наша цель состоит в том, чтобы использовать численное моделирование для поиска стратегий контроля, которые позволяют избежать применения высокоэнергетических ударов и которые также могут быть протестированы в экспериментальных установках и, в конечном счете, на пациентах, чтобы уменьшить побочные эффекты".

Адаптивная замедляющая кардиостимуляция использует серию слабых импульсов, которые со временем разносятся все дальше друг от друга, чтобы воздействовать на сердце и вернуть его к нормальному ритму за несколько ударов.

"С помощью нашего подхода мы можем разработать последовательность импульсов, специально разработанную для конкретного пациента и даже для конкретной аритмии", - сказал Лилиенкамп. "Это может иметь решающее значение, поскольку даже две аритмии у одного и того же пациента могут отличаться с точки зрения основной характеризуемой динамики".

Запустив хаотическую спиральную форму волны, характерную для аритмий в четырех различных моделях сердца, авторы протестировали свой подход, используя различные последовательности стимуляции пульса. Многомерная сложность динамики и ее зависимость от параметров управления делают численное моделирование полезным инструментом для обработки такого большого объема вычислений.

"Для того, чтобы исследовать и сравнить производительность различных последовательностей импульсов, требуется большое количество численных симуляций. Показатель успеха, который мы используем в качестве эталона для конкретной последовательности импульсов, представляет собой статистическую величину, усредненную по результатам многих одиночных симуляций", - сказал Лилиенкамп.

Адаптация скорости замедления к спектру частот электрических сигналов в моделируемой сердечной ткани значительно увеличила вероятность успешной остановки аритмий при относительно слабых импульсах. Кроме того, адаптивная стимуляция замедления не требует сложного набора управляющих параметров, что является перспективным для использования в будущих дефибрилляторах.

Группа надеется продолжить свою работу на более сложных моделях и в экспериментальных установках с реальной сердечной тканью.

Статья "Укрощение сердечных аритмий: прекращение хаоса спиральных волн с помощью адаптивной стимуляции замедления" была опубликована в журнале Chaos 13 декабря 2022 года.