Cyfrowe bliźniaki żołądka jako nowe narzędzie w diagnostyce chorób przewodu pokarmowego
Dla wielu osób zaburzenia żołądkowo-jelitowe (GI) są przewlekłymi i istotnie ograniczającymi życie schorzeniami. Pomimo ich powszechności, lekarze często stają przed wyzwaniem, gdy pacjenci zgłaszają uporczywe objawy, a dostępne narzędzia diagnostyczne nie pozwalają na precyzyjne rozpoznanie choroby.
Lei Shi, adiunkt inżynierii mechanicznej na Kennesaw State University w Southern Polytechnic College of Engineering and Engineering Technology (SPCEET), prowadzi badania mające na celu zmianę tego stanu rzeczy. Dzięki grantowi National Science Foundation (NSF) Shi kieruje projektem, który może zmienić sposób diagnozowania i leczenia chorób przewodu pokarmowego poprzez tworzenie wirtualnych replik ludzkiego żołądka.
„To badanie jest dla mnie osobiste” – mówi Shi. – „Sam doświadczałem problemów żołądkowych i wiem, jak bardzo potrafią zakłócić codzienne życie. Wiele osób odczuwa dyskomfort, nudności czy problemy trawienne, ale po endoskopii lub obrazowaniu słyszą, że wszystko wygląda normalnie. Chcemy zrozumieć, co dzieje się na głębszym poziomie”.
Podejście badawcze Shi opiera się na dwóch założeniach. Po pierwsze, mikroskopowe zmiany w mechanicznych właściwościach żołądka mogą występować nawet wtedy, gdy organ wygląda na prawidłowy. Po drugie, zaburzenia naturalnych sygnałów elektrycznych żołądka mogą wpływać na sposób jego kurczenia się i przemieszczania pokarmu. Łącząc zaawansowane obrazowanie medyczne, testy biomechaniczne i modelowanie komputerowe, zespół Shi opracowuje indywidualne „cyfrowe bliźniaki” pacjentów – wirtualne modele żołądka odwzorowujące zarówno strukturę anatomiczną, jak i aktywność elektryczną.
Badania realizowane są we współpracy z lekarzami z Emory University, którzy dostarczają danych, takich jak skany tomografii komputerowej, obrazy endoskopowe oraz pomiary manometryczne rejestrujące zmiany ciśnienia i deformacje w obrębie żołądka i przełyku. W laboratorium Intelligent Biomechanics na kampusie KSU w Marietta Shi i jego zespół integrują te dane w modele 3D, a następnie przeprowadzają testy biomechaniczne (m.in. próby rozciągania i badania dwuosiowe), aby ocenić sztywność i elastyczność tkanek.
„Dwa żołądki mogą wyglądać identycznie, ale jeden może być sztywny, a drugi miękki. Ta różnica wpływa na sposób, w jaki się poruszają” – wyjaśnia Shi. – „Łącząc właściwości mechaniczne z wzorcami aktywności elektrycznej, możemy stworzyć model zachowujący się jak prawdziwy organ”.
Takie cyfrowe bliźniaki mogą mieć ogromne znaczenie kliniczne – nie tylko umożliwią wykrycie subtelnych zmian w żołądku, które umykają obecnym narzędziom diagnostycznym, ale także posłużą jako platforma do planowania leczenia.
„Prace dr. Shi pokazują, jak wielką moc ma współpraca między dziedzinami w poprawie jakości życia” – komentuje dziekan SPCEET, Lawrence Whitman. – „Łącząc inżynierię, informatykę i medycynę, jego badania mogą odmienić zarówno rozumienie procesów chorobowych, jak i opiekę nad pacjentami”.
Ambicje Shi wykraczają poza żołądek – celem jest modelowanie całego przewodu pokarmowego, od przełyku po jelita, oraz badanie jego interakcji z innymi układami, np. osią mózg–jelita. Planuje także zastosowanie uczenia maszynowego, aby przyspieszyć analizę i prognozowanie. Doświadczenia zdobyte w modelowaniu serca, macicy czy szyjki macicy mają przyspieszyć rozwój platformy wirtualnej do badania funkcji trawiennych.
W projekt zaangażowani są również doktoranci. Jeden z nich, Yue Li, podkreśla: „Najbardziej ekscytujące jest to, że praca wykracza poza programowanie i symulacje. Mam możliwość samodzielnego przeprowadzania eksperymentów mechanicznych i dostarczania danych do walidacji naszych modeli, co sprawia, że badania mają realny wymiar”.
Źródło: Kennesaw State University
