چگونه مدل‌سازی کامپیوتری به پزشکان امکان پیشبینی حملات قلبی را قبل از وقوع آنها خواهد داد؟

سالانه در آمریکا 1.2 میلیون نفر دچار حمله قلبی می‌شوند، شمار زیادی از این حملات منجر به فوت بیماران می‌شوند. بیشتر این حملات قلبی، ناشی از بیماری عروق خونرسان قلب (عروق کرونری) هستند. حملات قلبی شایع‌ترین دلیل مرگ مردان و زنان در آمریکا هستند.

اما 70 درصد این حملات، بدون هشدار قبلی رخ می‌دهند و علایم تا زمانی که شخص بر زمین بیفتد، نفس‌اش تنگ شود و از درد و احساس فشار در سینه نالان شود، چندان خود را بروز نمی‌دهند. پزشکانی هم که به میدان مبارزه با این انسدادهای عروقی می‌روند، موفقیت چندانی کسب نمی‌کنند.

بنابراین در آینده هم اگر مسیر تشخیصی و درمانی فعلی را طی کنیم، تحول چندانی را در کاهش مرگ و میر ناشی از حملات قلبی شاهد نخواهیم بود، مگر اینکه بتوانیم قبل از اینکه علایم بیماری رخ بدهد و حمله‌ای صورت بگیرد، جایگاه محتمل تنگی و انسدادها را پیشبینی کنیم!

آیا می‌شود چنین کاری را انجام داد؟
اینجاست که کامپیوتر به کمک ما می‌آید، همان گونه که فضانوردان از الگوریتم‌های کامپیوتری برای مدل‌سازی پیچیدگی‌های گیتی استفاده می‌کنند و به همان صورت که الگوریتم‌های سایت نتفلیکس می‌توانند بفهمند که شما کدام به کدام فیلم‌ها علاقه دارید، می‌توان از کامپیوتر برای ممکن کردن کاری که در حال حاضر غیرممکن به نظر می‌رسد استفاده کرد.

برای ممکن کردن این مهم، افراد زیادی دست به دست هم داده‌اند: دانشمندان علوم کامپیوتر و پزشکان دانشگاه هاروارد، پزشکان و متخصصان تصویربرداری بیمارستان زنان بوستون و آزمایشگاه تصویربرداری برایگام Brigham ، گروهی از دانشمندان علوم کامپیوتر و فیزیکدانان ایتالیایی و سازندگان تراشه‌های کامپیوتری NVIDIA.

آنها با استفاده از کامپیوتری با پردازنده‌های گرافیکی به مطالعه دینامیک مایعات که در اینجا خون جاری در عروق کرونر است، پرداخته‌اند، فناوری آنها موسوم به بررسی همودینامیک چندمقیاسی یا multiscale hemodynamics است. با کمک این فناوری نه‌تنها می‌توان با دقت متوجه شد که خون چگونه در عروف کرونر یک بیمار به گردش درمی‌آید، بلکه می‌توان جایگاه‌هایی را که محتمل است در آینده دچار انسداد شوند، پیشبینی کرد. به عبارت دیگر با کمک این فناوری می‌توان حملات قلبی را قبل از رخ دادن آنها پیشبینی کرد. اطلاعاتی که باید به خورد برنامه‌های این فناوری داده باشند با یکی سی‌تی‌اسکن ساده به دست می‌آیند.

بگذارید قدری بیشتر توضیح بدهم. اول باید بدانید که چگونه یک حمله قلبی رخ می‌دهد، حمله قلبی زمانی رخ می‌دهد که لخته (پلاکی) در روی سطح داخلی عروق کرونری ایجاد شود و مسیر جریان خون را سد کند. این پلاک‌ها در مناطقی ایجاد می‌شوند که که فشار یا استرس جریان خون در مسیر عروق کمتر است. برای فهم بیشتر رودخانه گل‌آلودی را مجسم کنید که رسوبات بیشتر در جاهایی که سرعت جریان آب کمتر می‌شود، نشست می‌کنند.

با فناوری‌ای که تا حال حاضر داشتیم، تعیین جاهایی از عروق کرونر که میزان استرس جریان خون کمتر است، ممکن نبود. باید در نظر داشت که آناتومی و شکل عروق کرونر هر شخص با شخص دیگر متفاوت است، بنابراین نمی‌توان یک حکم کلی داد و مثلا گفت در همه اشخاص احتمال انسداد در ابتدای شریان نزولی قدامی چپ قلب بیشتر است. پس باید در هر فرد، به طور خاص، نوع جریان خون در عروق کرونر تحلیل شود.

وقتی از بیماری آنژیوگرافی به عمل می‌آید، تنگی‌هایی که در همان هنگام در عروق کرونری‌اش وجود دارد، مشخص می‌شود. اما باید در نظر داشت که پزشکان این کار را فقط برای بیمارانی انجام می‌دهند که احتمال تنگی و مشکل عروق کرونری در آنها بالاست. از انجا که آنژیوگرافی اقدامی تهاجمی و گران است، انجامش، در شخصی که احتمال کمی برای مشکل عروق کرونری در او وجود دارد، غیرضروی است و مقرون به صرفه نیست.

اگر می‌شد به کمک سی‌تی‌اسکن اطلاعات لازم را از درخت عروق کرونری گرفت و سپس با تحلیل و مدل‌سازی جریان خون، مکان‌هایی را که مستعد تنگی و انسداد هستند، می‌توانستیم به هدف اصلی رسید. اما مدل‌سازی جریان در مسیر پیچیده عروق کرونری کار واقعا دشواری است.

خون یک مایع ساده مثل آب نیست، خون متشکل از اجزای زیادی با خصوصیات و اندازه‌های متفاوت است: گویچه‌های سفید، گویچه‌های سرخ، پلاسما و پلاکت. به علاوه باید متغیرهای دیگری مثل میزان اشباع خون از اکسپژن را در نظر داشت. بر حسب اینکه خون چقدر اکسپژنه باشد، رفتار دینامیکی‌اش هم متفاوت است.

پیداست که چنین سطح تحلیلی، توان پردازشی بالایی هم می‌خواهد، بنابراین دانشمندان مجبور شدند که از توان پردازش سریع‌ترین ابرریانه آمریکا یعنی رایانه Blue Gene شرکت IBM استفاده کنند. با کمک این ابرریانه، اعضای گروه موفق شدند که مدل‌های دینامیک جریان خون را تهیه کنند.

اما بدیهی است که نمی‌شود در مقام عمل و در طبابت روتین، در مورد هر بیمار، به دامن ابررایانه‌ها پناه برد، به همین خاطر دانشمندان تصمیم گرفتند که از فناوری جدید NVIDIA استفاده کنند. در این فناوری، پردازش از طریق کارت‌های گرافیک ممکن می‌شود، با این شیوه میزان هزینه‌ها بسیار تنزل پیدا می‌کند، بدون اینکه از دقت کار کاسته شود.

در اینجا لازم است من مختصری توضیح بدهم، کسانی که آشنایی عمومی با کامپیوتر دارند واژه CPU یا واحد پردازشگر مرکزی به گوششان خورده است، به صورت کلی می‌دانیم که عملیات تحلیل اطلاعات در این قسمت از سخت‌افزار کامپیوترهای ما صورت می‌گیرد. کارت‌های گرافیک هم اطلاعات گرافیکی را پردازش می‌کنند.

اما مدتی است که ایده انجام پردازش‌های عمومی (غیر از پردازش‌های گرافیکی) روی کارت‌های گرافیک پر و بال گرفته است. حالا چه اجباری است، کار پردازش را از CPU به کارت گرافیک بیاوریم؟ پاسخ ساده است! ارتقای معماری پردازنده‌های گرافیکی فرآیند بسیار ساده‌تری نسبت به پردازنده‌های مرکزی سیستم لازم دارد.

GPUها یا واحد‌های پردازش گرافیکی برای انجام بعضی از اهداف مثلا محاسبات ریاضی خاص، مناسب‌تر هستند. در این مورد خاص، یعنی تحلیل جریان خون در عروق کرونر هم، استفاده از پردازنده‌های گرافیکی بسیار مناسب بود. شرکت NVIDIA در همین راستا به کمک دانشمندان آمد.

در اینجا بود که سر و کله دانشمندان ایتالیایی هم پیدا شد، آنها که تجربه برنامه‌نویسی پردازنده‌های گرافیکی را داشتند، پلتفرمی مبتنی بر GPU ایجاد کردند که توانایی مدل‌سازی جریان‌های خون را داشت، آن هم با کسری از هزینه‌ای که همین کار را می‌شد با کمک ابرریانه‌ها انجام داد، به علاوه این پلتفرم سادگی به مراتب بیشتری داشت.

به این ترتیب کار پیجیده‌ای که تا یکی دو سال پیش، فقط در جریان تحقیقات پرهزینه و به کمک ابررایانه‌ها در جریان چند هفته یا چند ماه ممکن می‌شد، حالا می‌تواند در یک بیمارستان و در طول فقط یک عصر صورت بگیرد.به صورت خلاصه، افزایش کیفیت سی‌تی‌اسکن‌، بهینه کردن نرم‌افزارها، استفاده از توان پردازش گرافیکی، یک کار غیرممکن را ممکن کرده است.

برآورد می‌شود که پزشکان بتوانند در طی پنج تا ده سال دیگر، با انجام یک سی‌تی و در طی چند ساعت، به صورت روتین، بیمارانی را که مایل باشند از لحاظ عروق کرونری و محل‌های محتمل تنگی در آینده مورد بررسی قرار بدهند.

ممکن است در دهه آینده شمایی که هیچ علامت قلبی ندارید، به پزشکتان مراجعه کنید و پزشکتان به شما بگوید: «با توجه به سبک زندگی شما و تحلیل دینامیک جریان خون در عروق کرونری‌تان، شما تا پنج سال آینده در شریان سیرکوفلکس پلاکی تشکیل خواهید داد و از آن به بعد به صورت فزاینده‌ای احتمال سکته قلبی در شما می‌رود!»

مقاله‌ای را که خواندید، در نشریه «پاپیولار ساینس» دیدم، مقاله آنقدر جالب بود که نتوانستم جلوی خودم بگیرم و به صورت کامل در یک پزشک برایتان بازنتابش دادم. گمان می‌کنم مقاله هم برای پزشکان جالب باشد و هم برای بیماران و علاقه‌مندان علوم کامپیوتر و فیزیک.

– لازمه ایجاد یک فناوری نوین و انقلابی، همکاری دانشمندانی از رشته‌های مختلف علوم است. بستری که این همکاری را ممکن می‌کند، بسیار مهم است، همان طور که شوق دانشمندان مجری آن برای ممکن کردن غیرممکن اهمیت دارد.
در این پروژه خاص، فیزیکدانان، پزشکان قلب، رادیولوژیست‌ها، برنامه‌نویسان، دانشمندان سخت‌افزار به همراه مؤسسات مربوطه‌شان دست به دست هم دادند.

– پزشکی در چند دهه آینده مثل بقیه علوم مسلما ایستا نخواهد بود و ما شگفتی‌های زیادی را شاهد خواهیم بود. به فیلم‌های علمی- تخیلی دیروز نگاه کنید، ببینید چطور بعضی از فناوری‌های مطرح‌شده در آنها که زمانی اسباب شگفتی ما را فراهم می‌آوردند، این روزها  بدل به روتین زندگی ما شده‌اند. بنابراین دور نیست زمانی که پزشکی به سبک ویزیتورهای سریال تلویزیونی V، ممکن شود!

توضیح عکس بالا: در سریال علمی- تخیلی V نشان داده می‌شود که به کمک دانش پیشرفته موجودات فرازمینی اتساع غیرطبیعی یا آنوریسم عروق مغز گزارشگری به نام «چاد دکر» قبل از اینکه برای او دردسرساز شود یا علایمی داشته باشد، تشخیص و درمان می‌شود.

– توجه داشته باشید که این فناوری بسیار جدید و در مرحله تحقیقاتی است، این فناوری را که با تحلیل دینامیک جریان خون در عروق، محل‌های تنگی را در آینده پیشبینی می‌کند، با روند فعلی تشخیص و درمان تنگی‌ها عروق کرونر اشتباه نگیرید. سی‌تی اسکن ذکر شده در متن پست، هم یک سی‌تی عروقی با کیفیت افزایش‌یافته است و نه یک سی‌تی ساده.
از آنجا که چندی پیش سوء تفاهم‌های رسانه‌ای در مورد قضیه آنژیوگرافی و سی‌تی آنژیوگرافی پیش آمده بود، باید تأکید کنم هنوز هم بهترین شیوه بررسی عروق کرونر آنژیوگرافی است و سی‌تی آنژیوگرافی با صلاحدید متخصصان، در موارد خاص مثلا مواردی که پزشک می‌خواهد از اقدام تهاجمی پرهیز کند یا به خاطر پایین بودن احتمال تنگی نمی‌خواهد رنج زیادی برای بیمار ایجاد کند یا موارد خاص دیگر استفاده می‌شود. گرچه با سی‌تی آنژیوگرافی هم می‌توان اطلاعات خوبی در مورد عروق کرونری گرفت، اما این شیوه محدودیت‌های خاص خود را دارد. (این بند را از باب تذکر و پرهیز از برداشت اشتباه خوانندگان آوردم وگرنه توضیح در این مورد تخصصی است و در این اندک، نمی‌توان به صورت مشروح در مورد آن توضیح داد.)

– خواندن مقاله‌های پردازش موازی در قلب گرافیکی مجله شبکه را به علاقه‌مندان توصیه می‌کنم.