Ga verder na de inhoud
Kun je hartproblemen oplossen met wiskunde?
© Stocksy

Kun je hartproblemen oplossen met wiskunde?

De juiste behandeling voor hartritmestoornissen bepalen? Dat doen cardiologen straks misschien met behulp van wiskundige modellen.

4 minuten
03 maart 2021

Wat hebben offshore windmolenparken, satellieten en Formule 1-wagens met elkaar gemeen? Er bestaat ergens op een server een virtuele kopie van. Zo’n virtuele kopie of digital twin wordt continu bijgewerkt met informatie van sensoren. Die meten bijvoorbeeld de prestaties of trillingen van de motoren en andere onderdelen, en controleren ze op tekenen van slijtage.

Dankzij zulke digitale tweelingen hoeven technici en ingenieurs niet te wachten tot een onderdeel stuk gaat om in te grijpen maar kunnen ze preventief onderhoud doen. Digitale tweelingen maken het ook mogelijk om computersimulaties te maken en verbeteringen te testen. Zonder het risico dat de echte satelliet uit de lucht valt (of de Formule 1-wagen de lucht in schiet).

Digitale tweelingen worden steeds vaker gebruikt voor allerhande toepassingen en apparaten. Niet alleen in de lucht- en ruimtevaart, de auto-industrie en voor dure infrastructuurprojecten. Onderzoekers in binnen- en buitenland werken ook hard aan een digitale kopie van een ander hoogtechnologisch apparaat: ons hart.

Dierckx MDL8306 3s
© Michael De Lausnay

Elk hart is uniek

Stel je voor dat je met een hartprobleem kampt. Op een digitale kopie van je hart zou de cardioloog verschillende soorten behandelingen kunnen laten proefdraaien. Om zo te onderzoeken welke de beste voor jou is. Zonder dat je zelf een proefkonijn bent.

Alleen: ons hart werkt niet als de motor van een Formule 1-wagen of de rotor van een windmolen. En je kunt het evenmin volproppen met sensoren. Elk hart is uniek en pompt bloed door het lichaam dankzij een complex samenspel van biochemische, fysische en andere processen. Alleen al de manier waarop het hart elektriciteit genereert om de hartspier te doen samentrekken is een ingewikkeld huzarenstukje. Een digitale kopie maken van het hart is dan ook een pittige klus. Maar geen onmogelijke klus?

Aan campus Kulak Kortijk werkt de onderzoeksgroep van professor Hans Dierckx aan een van de puzzelstukjes om tot een digitale tweeling van het hart te komen. “Hartritmestoornissen blijven een van de belangrijkste doodsoorzaken in de wereld”, vertelt hij. “Mijn grote droom? Dat we in het ziekenhuis van de toekomst voor elke patiënt met een hartritmestoornis een individueel computermodel kunnen maken, gebaseerd op medische beeldvorming, een elektrocardiogram, genetische informatie en/of andere data.”

Mijn grote droom? Dat we in het ziekenhuis van de toekomst voor elke patiënt met een hartritmestoornis een individueel computermodel kunnen maken om zo de behandeling te optimaliseren.

Einstein

Een frequent gebruikte behandeling van hartritmestoornissen is ablatie, het wegbranden van stukjes hartweefsel waar vermoed wordt dat de elektrische prikkel verkeerd wordt opgewekt of doorgegeven. “Dat is natuurlijk erg invasief. Je kan zo’n ingreep ook niet terugdraaien. Bovendien is het niet altijd zeker welk stukje weefsel je precies moet wegbranden”, vervolgt professor Hans Dierckx. “Stel dat je het probleem exact zou kunnen pinpointen op een digitale twin, en dan de ingreep eerst simuleert op dat virtuele hart? Dat zou veel efficiënter zijn. Of stel dat je de effecten van verschillende geneesmiddelen tegen hartritmestoornissen zou kunnen testen op dat virtuele hart van de patiënt? Of met zo’n digital twin zou kunnen simuleren wanneer een patiënt hartproblemen zal krijgen, nog vóór hij of zij symptomen ontwikkelt?”

Uniek aan het team van professor Hans Dierckx is dat het onderzoekt hoe modellen en concepten uit de wiskunde en de theoretische fysica ingezet kunnen worden om een digitale kopie van het hart te bouwen. “We maken bijvoorbeeld gebruik van de snaartheorie, Einsteins relativiteitstheorie, gekromde ruimte, golf-deeltjedualiteit, complexe getallen en Riemannoppervlakken. Die concepten en modellen tonen ons meer bepaald hoe de elektrische golven zich over het hart voortplanten”, legt professor Hans Dierckx uit.

Wat als je de effecten van verschillende geneesmiddelen zou kunnen testen op een virtueel hart van de patiënt … ?

Mexican wave

De kennis die we vandaag over de ‘elektrificatie’ van het hart hebben is vooral gebaseerd op extrapolatie. “Simpel gezegd: de gegevens van een handvol cellen worden geknipt en geplakt naar miljoenen andere cellen, om op die manier tot een voorstelling van ‘een gemiddeld hart’ te komen”, vervolgt professor Hans Dierckx. “Alleen: niemand heeft een gemiddeld hart. De informatie en data die we vandaag over het hart hebben zijn dus onvoldoende om te kunnen simuleren wanneer het hart door ritmestoornissen wordt getroffen of welke elektrische patronen het hart waar en wanneer zal genereren. Ook al bestaan er hartkatheters, ECG’s en medische beeldvormingstechnieken: de uitdaging is dat we niet voldoende kunnen zien wat er precies in het hart gebeurt.”

Professor Hans Dierckx is zelf geen cardioloog, maar heeft een achtergrond als ingenieur. Tijdens zijn studie raakte hij gefascineerd door de wetenschap van het menselijk lichaam. Zijn onderzoeksgroep werkt op een kruispunt van onder meer geneeskunde, fysica, biochemie, wiskunde, computerwetenschappen en ingenieurswetenschappen. De onderzoekers willen tot een model komen dat vastlegt hoe elektrische golven zich over het hart voortbewegen. Zodra alle parameters en wetmatigheden op punt staan, zou zo’n model kunnen helpen om een digital twin te maken van elk menselijk hart. Vat krijgen op die parameters en wetmatigheden is echter niet zo vanzelfsprekend. De golfpropagatie – de voortplanting van elektrische signalen in het hart – gaat niet in elke richting even snel. “Die patronen komen voor in vortexen, ook wel draaikolken of tornado’s genoemd; vergelijk het met een Mexican wave die zich voortdurend herhaalt. We hebben al kunnen aantonen dat de richting waarin hartspiervezels liggen bepaalde van die vortexen aantrekt. Daar kun je dan wiskundige modellen voor ontwikkelen. Wordt vervolgd!”

Tags

Heeft dit onderzoek je nieuwsgierig gemaakt naar meer?

Ontdek ons onderzoek en opleidingen.