Matte mot hjertesyke

Ved hjelp av et stort antall kompliserte differensialligninger og mye datakraft har et forskerteam ved Universitetet i Oslo utviklet metoder og programvare for simulering av elektrisk aktivitet i hjertet. Når – eller hvis – modellen lar seg skalere ned til et nivå hvor prosesseringen ikke tar for mye tid, kan dette gi nye muligheter for diagnostisering og behandling av hjertelidelser.

Hjertet består av flere milliarder celler, som trekker seg sammen, utvider seg igjen og påvirker nabocellene for hvert eneste hjerteslag. Det er den elektriske aktiviteten i cellene under hjerteslagene som danner grunnlaget for simuleringen.

Plassering viktig

Nesten 50 prosent av visse typer hjerteinfarkt lar seg ikke påvise ved hjelp av tradisjonell elektrokardiografi, EKG.

– Vi tror ikke det er noe galt med EKG-apparatene, men at plasseringen av elektrodene på brystet kan ha stor betydning. De elektriske signalene i hjertet sprer seg videre ut til huden. Ved hjelp av vårt simuleringsverktøy kan vi finne frem til nye og bedre steder for å feste elektrodene og på den måten få bedre resultater, sier Glenn Lines ved Simula-senteret.

Simula-senteret er et nytt, offentlig finansiert IKT-forskningssenter som etter planene skal etablere seg på Fornebu i løpet av høsten 2001. Simula-senteret er eid av våre fire universiteter, Norsk Regnesentral og Sintef. Finansieringen kanaliseres gjennom Norges forskningsråd.

Senteret har foreløpig kontorer i Forskningsparken i Oslo. Simula-senteret skal nå bygge videre på det arbeidet som er gjort ved UiO, for å vinne ny kunnskap om hvordan ulike tilstander i hjertet kan simuleres og visualiseres.

Åpner for studier

– Det blir nå mulig å drive systematiske studier på makroskopiske konsekvenser av endrede forhold i hjertets cellefysiologi. For eksempel kan forskerne studere sammenhengen mellom ulike EKG-forstyrrelser og endringer som har med hjerteinfarkt, angina pectoris eller medikamentbruk å gjøre, forteller Lines.

Utgangspunktet for denne forskningen er at alle celler i kroppen har en elektrisk ladning som kan måles. Celler som blir stimulert på bestemte måter, forandrer ladning og blir depolarisert, før de går tilbake til normaltilstanden igjen etter stimuleringen.

Nervecellene bruker disse ladningsendringene til kommunikasjon, mens muskelceller bruker dem til å trekke seg sammen og sende impulsen videre til nabocellene. I hjertet gir dette opphav til en elektrisk kjedereaksjon i hjertemuskelen, etter at impulsen blir utløst i noen få punkter rundt omkring på hjertet.

Kraftige maskiner

Hjertesimulering er en typisk oppgave for kraftige datamaskiner, fordi hjerteaktiviteten kan beskrives med et antall differensiallikninger med svært mange ukjente størrelser.

– Ved Simula-senteret kommer vi til å anvende en modell med 32 tilstander i hvert punkt, og vi må gjøre disse beregningene for mange millioner punkter i hjertemuskelen og omkringliggende vev. Videre må alle disse tilstandene beregnes ved tusenvis av ulike tidspunkter mens den elektriske impulsen beveger seg gjennom hjertet. Slike problemer kan bare løses ved hjelp av numeriske metoder, velstrukturert programvare og kraftige datamaskiner, forteller Lines.