El cor com a òrgan computacional

El cor és el batec més perfecte que desenes de milions d'anys d'evolució podrien produir. Es diu que estimem amb el cor, que sentim des del cor... però per sobre de tot això, el cor és “només” un batec. 

L'estructura del cor és molt complexa. Des de dins cap a fora un pot identificar tres capes en la paret ventricular: l’endocardi, el miocardi i l’epicardi, més les fibres musculars que envolten el miocardi. A més, el cor està dividit en quatre cambres que consisteixen en dos atris i dos ventricles; els atris reben la sang, mentre que els ventricles la bombegen. Si dividim el cor en minúscules peces podem obtenir molta informació, però en sabem ben poc quan el mirem com a òrgan global amb les interaccions de totes les parts que el conformen. Què ens pot aportar l’HPC en aquest sentit? Si agafem totes aquestes petites peces, les transformem en models matemàtics i llavors les posem totes dins d’un superordinador podríem ser capaços d'entendre com interaccionen juntes i, encara més enllà, com poden ajudar a predir i entendre diferents aspectes fisiològics, malalties i finalment, aplicar tots aquests models a cada pacient de manera específica.

Si volem simular el cor com un únic òrgan, s’ha d’utilitzar un model, el qual està compost de tres altres models físics: el problema de la mecànica de sòlids, que s’encarrega de modelar el cor com a teixit tou i predir la seva deformació; el problema de l’electrofisiologia, que s’encarrega de modelar les activitats elèctriques que succeeixen dins del cor (en particular, la despolarització elèctrica produeix la contracció del múscul), i el problema de la mecànica dels fluids, que s’encarrega de modelar el flux sanguini. Per tant, per simular el cor a escala d’òrgan, cal resoldre un problema d’acoblament de sistemes de fluids i electromecànics sobre una geometria real d'un ésser humà o d’un animal. Computacionalment això és un problema molt costós: primer és necessari construir la geometria tridimensional amb tots els detalls fisiològics que té l’estructura del cor, provinent d’imatges de ressonàncies magnètiques (IMR). Això ens permetrà construir el que diem la malla computacional, que no és més que el model 3D virtual en què farem els càlculs. Per als enginyers computacionals la malla és un conjunt de punts lligats entre ells on s’efectuaran milers (milions!) de càlculs que ens permetran predir dades i mesures físiques d’interès mèdic, com la pressió sanguínia, la deformació del teixit o la concentració de calci en el cor.

Actualment (estiu del 2018) al supercomputador Marenostrum IV, els científics han estat capaços de simular models del cor amb dos ventricles que provenen de geometries reals (gossos, conills i éssers humans) utilitzant malles de desenes de milions d'elements per tal d’aconseguir prediccions fiables d’alta qualitat. L’alt nivell de resolució ve determinat per l’adquisició de les dades experimentals: de la mateixa manera que en l'àmbit del software computacional s’està evolucionant a passos agegantats, amb l’adquisició de dada mèdica passa el mateix, però molt més accentuat; tant la qualitat de les imatges que s’obtenen, com la quantitat i precisió de dades mèdiques que es proporcionen estan millorant a un ritme més ràpid del que qualsevol superordinador pot assolir, especialment, en un camp on l’especificitat del pacient fa que la quantitat de dades s’incrementi exponencialment. Tot i això, actualment per simular un sol batec del cor d'un segon amb alta precisió, s’ha necessitat el poder computacional de 2.000 nuclis corrent durant 30 minuts al Marenostrum IV. En un ordinador convencional, només degut a la quantitat de dades necessàries, seria implantejable ni tan sols començar el càlcul. 

La cardiologia computacional pot donar lloc a un nou ús dels recursos HPC en el camp de la biomecànica. La majoria de dubtes que apareixen en les simulacions de sistemes biològics prové de la manca de models fisiològics prou precisos que permetin representar el comportament real, segurament degut a la gran quantitat d’incertesa inherent en aquest camp. Per a aquest tipus de sistemes acoblats i multiescala, un model millor i més precís també significa un model computacionalment més car. Per tant, una bona eina de simulació, sense limitacions que ens permeti combinar la flexibilitat de programar diferents models amb l’ús eficaç dels recursos HPC, ens donarà una nova i radical perspectiva en aquest camp de la recerca.

 
Simulació d'un batec de cor. A l'esquerra: imatge IMR 4D  (font: Markl and Kilner, 2011). A la dreta: resultats de la simulació d'un model acoblat de fluids i electromecànic.