sydän

Jokaisen sydämen syke on erilainen, ja myös meidän jokaisen pienet poikkeamat normaalista ovat hyvin henkilökohtaisia. 

Koneoppimisen menetelmillä voidaan kuitenkin paljastaa terveen sydämen sykkeen pohjalta erilaisia potentiaaliset poikkeamia ja siten tunnistaa rytmihäiriöt heti.

Tampereen teknillisen yliopiston signaalinkäsittelyn tutkijat ovat kehittäneet yhdessä Qatarin yliopiston ja Izmir University of Economicsin tutkijoiden kanssa menetelmän, jolla voidaan havaita jo hyvin varhaiset sydänoireet.

Rytmihäiriöitä on yritetty ennustaa ennenkin, mutta globaalit menetelmät eivät ole osoittautuneet luotettaviksi. Nyt kehitetyn, patentoidun menetelmän tunnistusvarmuus on tällä hetkellä 99,4 prosenttia.

"Terveillä ihmisillä tunnetaan vain heidän normaali sykkeensä. Mistä voidaan tietää, millainen syke on rytmihäiriössä? Tutkimuksessamme selvisi, että terveen sydämen sykkeen pohjalta on koneoppimisen menetelmillä mahdollista generoida kaikki erilaiset potentiaaliset poikkeamat", sanoo professori Serkan Kiranyaz Qatarin yliopistosta.

Hän on tehnyt tutkimusta yhdessä TTY:llä professori Moncef Gabboujin kanssa. Heidän lisäkseen ryhmään kuului myös Izmirin Talousyliopiston Turker Ince.

"Kehittämämme järjestelmä räätälöidään jokaiselle käyttäjälle henkilökohtaisesti", Kiranyaz jatkaa. "Siihen syötetään tiedot terveen ihmisen sydämen sykkeestä sekä sen pohjalta generoidut synteettiset virhelyönnit. Näin järjestelmä opetetaan seuraamaan potilaan sykettä ja havaitsemaan rytmihäiriöt heti sellaisten ilmaantuessa."

Kyse ei ole mistään pikkuasiasta, sillä sydämen rytmihäiriöt ovat yksi yleisimmistä kuolinsyistä maailmassa. Niitä aiheuttavat perinnöllisten syiden lisäksi esimerkiksi korkea verenpaine, diabetes, tupakointi, alkoholi ja stressi. Alkuun rytmihäiriöt ovat usein satunnaisia, mutta voivat muuttua hengenvaaralliseksi myöhemmin.

Avaruuslentäjät ovat useimmiten sympaattista sakkia, mutta uuden tutkimuksen mukaan heillä on kirjaimellisestikin erilainen sydän kuin meillä muilla: se on tavallista pyöreämpi. Avaruuden painottomuudessa – tai tarkkaan ottaen mikrogravitaatiossa – sydän pääsee vähemmällä, jolloin sen lihasmassa vähenee. Tuloksena on muodoltaan pallomaisempi sydän eikä se ole ollenkaan hyvä asia.

Tutkimusohjelmassa oli mukana 12 astronauttia, jotka tarkkailivat sydäntään avaruusasemalle viedyllä ultraäänilaitteistolla. Vertailumittauksia tehtiin sekä ennen avaruuslentoa että sen jälkeen. Tulosten mukaan sydämen pallomaisuus kasvoi painottomuudessa 9,4 prosentilla, mikä vastaa projektia varten kehitettyjen matemaattisten mallien antamia ennusteita.

Tutkijat arvelevat, että malleja voidaan lupaavan alun myötä kehittää pidemmälle, jolloin niitä voitaisiin käyttää myös maanpäällisissä olosuhteissa ennustamaan, miten sydän reagoi erilaisiin sairauksiin ja stressitilanteisiin.

Tutkimuksen avulla pyritään myös löytämään sopivia kuntoilumuotoja ja harjoituksia, joilla sydämen suorituskyky pystytään avaruuslennon aikana säilyttämään. Niilläkin toivotaan olevan sovellutuksia maanpinnalla, kun huolehditaan liikuntarajoitteisten potilaiden sydämen kunnosta ja terveydentilasta.

Astronauttien sydämen muoto palautuu paluun jälkeen ennalleen melko nopeasti. Jonkin aikaa sydän kuitenkin toimii vajaateholla, mikä saattaa olla syynä siihen, että Maahan palanneiden astronauttien verenpaine saattaa äkillisesti laskea etenkin noustaessa nopeasti seisomaan.

Kiertoradalla astronauteilla on todettu esiintyvän myös rytmihäiriöitä ja lisäksi avaruuden säteily saattaa nopeuttaa valtimonkovettumatautia, joka voi aiheuttaa sydän- tai aivoinfarktin. Painottomuuden vaikutuksissa on vielä paljon selvitettävää ennen kuin ihminen voi lähteä pitkälle matkalle kohti Marsia.

Tutkimuksen tuloksista tiedotettiin EurekAlert!-sivustolla 29. maaliskuuta.

Kantasolut ovat varsin erikoisia soluja, ja niitä on meissä kaikissa. Niitä on kudoksissamme ja elimissä pienissä määrin, ja niistä tekee erityisen se, että voivat muodostaa useita erilaisia solutyyppejä, eli ikään kuin muokkautua erikoistuneiksi soluiksi, kuten vaikkapa hermo- tai sydänlihassoluiksi. Kantasoluja käyttämällä soluvauriot ja niistä johtuvat sairaudet voidaan parantaa paikan päällä, siellä missä soluja on tuhoutunut.

Uudessa Tekesin isossa strategisessa tutkimusavauksessa paneudutaan juuri hermoihin ja sydänsoluihin: Aalto-yliopiston, Helsingin yliopiston ja Helsingin yliopistollisen keskussairaalan yhteishankkeessa tavoitteena saada vaurioituneet elimet korjaamaan itse itsensä. Avuksi tarvitaan lääkkeitä, jotka kohdennetaan esimerkiksi sydämeen tai aivoihin vauhdittamaan kantasolujen erilaistumista tarvittaviksi uusiksi sydän- tai hermosoluiksi.

Kantasoluhoidot ovat eräs nopeimmin kasvavista ja kehittyvistä lääketieteellisen tutkimuksen aloista, koska niillä on saatu aikaan erittäin kiinnostavia hoitotuloksia. Vielä vuosikymmen sitten esimerkiksi halvaantuneiden raajojen saaminen takaisin toimintaan oli lähes ihme, mutta nyt tässä on onnituttu – tosin vasta laboratoriossa.

Kaikkein lupaavimmat tulokset on saatu ns. embryonaalisilla kantasoluilla, eli alkiosta otetuilla kantasoluilla. Niillä on kyky erilaistua miksi tahansa eliön kudostyypiksi. Näiden käyttäminen on kuitenkin vaikeaa, koska alkioiden käyttäminen on hankalaa ja siihen liittyy suuria eettisiä kysymyksiä. Lisäksi solujen jakaantumisen hallitseminen on osoittautunut haastavaksi, koska tuloksena voi olla hoidon sijaan hallitsematonta solukasvua, kuten syöpä. Tällaisia embryonaalisia kantasoluja käyttäviä hoitoja ei ole tehty vielä ihmisille.

Sen sijaan esimerkiksi luuytimissä ja rasvakudoksessa olevat kantasolut ovat suhteellisen helposti käytettävissä ja niillä on tehty hoitoja Suomessakin vuodesta 2006 alkaen.

Myös nyt rahoitetussa hankkeessa käytetään niitä.

"Suurimpia haasteita on selvittää, mitkä ovat ne keskeiset kemikaalit, jotka vaikuttavat solujen erilaistumiseen", sanoo Aalto-yliopiston professori mikroteknologian professori Sami Franssila. "Työssä tarvitaan mikro- ja nanoteknologiaa, sillä yhdessä farmaseuttisen kemian laitoksen kanssa meidän on kehitettävä niin herkkä analyysimenetelmä, että sillä voidaan tutkia erittäin pieniä, jopa vain tuhannen molekyylin, ainemääriä. Herkkyyden lisäksi menetelmältä vaaditaan myös tarkkuutta vastapainoksi soluista otettujen näytteiden luonnolliselle biologiselle vaihtelulle".

Työtä on tehty jo kymmenen vuoden ajan. Mukana yhteistyössä ovat VTT:n ja Aalto-yliopiston yhteinen mikro- ja nanoteknologian keskus Micronova, Viikissä toimiva Helsingin yliopiston farmaseuttisen kemian osasto ja Helsingin yliopistollinen keskussairaala. Yliopiston tutkijat analysoivat HUS:n tuottamat kantasolut Micronovan ryhmän toimittamien sirujen avulla.

Diplomi-insinööri Jarmo Alametsä on tutkinut väitöstyössään EMFi-anturia, joka soveltuisi iholle kiinnitettävään laastarin tapaiseen laitteeseen. Laite mahdollistaisi henkilön sydämen ja verisuoniston toiminnan tarkkailun sekä tarvittaessa lääkeaineen jakamisen suoraan ihon läpi.

Esimerkiksi rasitusrintakipukohtauksessa sydämen pumppausvoima voi alentua ennalta asetetun ohjearvon alle. Laite voisi käynnistää automaattisesti suurimolekyylisen lääkeaineen kuten nitron jakamisen kontrolloidusti ihon läpi verenkiertoon.

Alametsän mukaan laitteella voitaisiin mitata potilaan verenkiertohäiriöitä, jolloin annettava lääkitys kohdistuisi häiriöiden palauttamiseen normaaleiksi tai lähelle normaaleja arvoja. Lääkeaineen jakaminen ihon läpi puolestaan on mahdollista, sillä laitteen osana oleva EMFi-kalvo toimii sekä anturina että värähtelijänä.

Alametsä tutki väitöskirjassaan uusia tapoja hyödyntää EMFi-anturia äänittämällä mittalaitteella ballistokardiografista (BKG) signaalia kehon ulkopuolelta sekä koko kehosta että paikallisesti kaulalta ja raajoista. Tutkimuksessa käytetyn äänityslaitteen anturina on kaupallisesti saatavilla oleva sähkömekaaninen kalvo EMFi.

Ballistokardiografisella mittauksella mitataan sydämen toiminnan kehoon kohdistamia voimavaikutuksia eli rekyylivoimia. Voimat aiheutuvat sydämen pumpatessa verta aortan läpi kohti ääreisverenkiertoa, ja ne antavat tietoa sydämen ja verisuoniston tilasta.

Rekyylivoimat ovat mitattavissa kehon ulkopuolisilla herkillä antureilla. Alametsän mukaan EMFi-anturin hyödyt, kuten keveys, herkkyys ja muotoiltavuus verrattuna klassisiin BKG-mittalaitteisiin ovat ilmeisiä. EMFi-anturin keveys vähentää häiriöitä, ja sillä tehdyt tallennukset ovat toistettavia.

Laajan taajuusalueen lisäksi anturi reagoi vain dynaamiseen voimaan, mikä tekee siitä sopivan BKG-mittauksiin. EMFi-anturi mahdollistaa Alametsä mukaan BKG-menetelmän käytön osana sydämen ja verisuoniston kliinistä tutkimusta.

EMFi-anturin ohuus ja taipuisuus mahdollistavat sen liittämisen huonekaluihin kuten tuoleihin tai sänkyihin, jolloin istuvan tai makaavan henkilön sydänperäiset värähtelyt saadaan tallennettua huomaamattomasti.

Anturi voidaan liittää myös vaatetukseen tai suoraan iholle, jolloin henkilön pulssi voidaan äänittää kaulan tai raajan pinnalta. Anturia on käytetty lisäksi unenaikaisten häiriöiden kuten uniapnean ilmaisuun.

Alametsän mukaan tällä mittausmenetelmällä ja laitteella saadut BKG:n signaalit ja niistä johdetut parametrit olivat toistettavia perättäisissä ja pidemmän aikavälin mittauksissa. Siten ne ovat kliinisesti hyödyllisiä.

Tulokset viittaavat myös siihen, että menetelmää voisi käyttää arvioitaessa suonien kovettumisen etenemistä kustannustehokkaasti ballistokardiografisin keinoin. Kotikäytössä palautteen saaminen sydämen supistumisvoiman kehityksestä esimerkiksi liikunnan ja terveiden elämäntapojen seurauksena voi rohkaista myönteisiin päätöksiin. Näin sillä olisi myös vaikutusta yleiseen kansanterveyteen.

Diplomi-insinööri Jarmo Alametsän lääketieteen tekniikan alaan kuuluva väitöskirja Electromechanical Film Sensor in Cardiovascular System Evaluation ('Sähkömekaaninen kalvoanturi sydän-verisuoniston tilan arvioinnissa') tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) tieto- ja sähkötekniikan tiedekunnassa perjantaina 31.5.

Pian markkinoille tuleva suomalaissovellus tuo sydänfilmin kännykkään – siis pian EKG:n saa kätevästi näkyviin vaikkapa kotona.

Helposti mukana kulkeva, pienikokoinen älypuhelimen kanssa kommunikoiva Beat2Phone-lisälaite pystyy mm. rekisteröimään rytmihäiriöt, joista se voi havaita stressin ja sydänperäisten sairauksien oireita.

”Nyt kehitetyllä laitteella sydänoireista kärsivät henkilöt voivat aloittaa EKG:nsä rekisteröinnin heti oireiden ilmaannuttua ja lähettää tuloksen lääkärille joko sähköpostitse tai internetin kautta”, sanoo VTT:n teknologiapäällikkö Timo Varpula, jonka idea laite on.

Markkinoille vuoden kuluessa

Nykyisin rytmihäiriöitä rekisteröidään pitkäaikaisrekisteröinnillä ns. Holter-laitteilla, mutta aivan liian usein rekisteröintien aikana oireita ei ole eikä sydänongelmien syytä saada selville. VTT:n sydänkäyrälaitteella tämä onnistuu luotettavammin, koska se pystyy mittaamaan käytännössä jatkuvasti. Näin myös sykevälivaihtelun mittaaminen onnistuu kätevästi.

Beat2Phone soveltuu myös ylikuormittavasta työstä aiheutuvan työuupumuksen ehkäisyyn. Pienellä kehitystyöllä laite voisi sopia samoin esimerkiksi uniapneasta kärsivien henkilöiden unen valvontaan ja varoittamaan nukkujaa lähestyvästä uniapneakohtauksesta. Laitetta voidaan käyttää myös ehkäisemään joitakin tuki- ja liikuntaelinvaivoja, kuten niska-, hartia- ja alaselän kipuoireita, tenniskyynärpäätä ja hiirikättä, jotka ovat yleisiä toimistotyötä tekevillä.

EKG:n mittaamisella ja analysoinnilla on myös useita käyttömahdollisuuksia liikuntasovelluksissa. T-Tuubilla on parhaillaan testattavana hieman samankaltainen, jo nyt markkinoilla oleva suomalainen Omegawave-laitteisto, joka sydämen sykettä tarkkailemalla pystyy (ainakin valmistajan mukaan) pystyy auttamaan harjoittelussa ja kunnon rakentamisessa; testi julkaistaan kesäkuun alussa.

Sydänlaitteilla on suuret markkinat

Noin 5 % maailman väestöstä kärsii sydämen rytmihäiriöistä, ja iän myötä rytmihäiriöiden esiintyvyys kasvaa. Yli 60-vuotiailla jopa noin 12 prosentilla on jonkinasteisia sydämen rytmihäiriöitä.

Samalla kestävyysliikuntaa harrastavien määrä on jatkuvasti nousussa, ja myös ikääntyvät harrastavat liikuntaa aktiivisemmin. On arvioitu, että länsimaiden väestöstä noin 1 % harrastaa kestävyyslajeja aktiivisesti.

Terveyden kannalta lisääntyvä liikkuminen on erinomainen asia, mutta kestävyysurheilussa kunnon kehittyessä lähelle huippukuntoa, on tärkeää seurata sydänsignaaleja, ettei kuntoilija rasita itseään liikaa ja joudu ns. ylikuntotilaan. Tämä voi olla joillekin henkilöille jopa vaarallista, joskin tavallisesti seuraukset ovat "vain" sydämentykytystä ja tilapäisiä rytmihäiriöitä. Näitä voidaan välttää laitteella, joka on kykenee henkilökohtaiseen ja jatkuvaan sydänseurantaan.

VTT:n Beat2Phone mittaa EKG-signaalin riittävän suurella näytteenottotaajuudella, jotta se voi havaita signaalista yksittäiset sydämenlyönnit ja mitata peräkkäisten lyöntien väliset intervallit. Laitteessa on lisäksi kiihtyvyysanturi. Signaalit välitetään Bluetooth-yhteyden avulla älypuhelimeen. Sovellus näyttää EKG-signaalin, sykekäyrän ja sykkeen vaihtelun. Kiihtyvyysanturin signaalista lasketaan myös mm. askeltiheys.

Vastaavia laitteistoja ja sovelluksia on jo olemassa, mutta kyseessä on kiinnostava uutuus paitsi sen kyvykkyyden ja suomalaisuuden, niin myös sen vuoksi, että laitteisto on ensimmäinen Android-puhelimille kehitetty edistyksellinen sydänkäyrää mittaava laitteisto.

Matkapuhelimet ovat kehittyneet taskutietokoneiksi, joiden muistikapasiteetti, kellotaajuus, laskentateho ja käyttöliittymäteknologia vastaavat jo muutaman vuoden takaista pöytätietokonetta. Älypuhelimiin voidaan siirtää helposti digitaalista tietoa tallennettavaksi ja lähettää se edelleen internetin kautta palvelujen tarjoajille.

Tehokkaiden taskutietokoneiden hinnat ovat myös laskemassa voimakkaasti. Viiden vuoden kuluessa älypuhelimet tulevat tablettien ohella syrjäyttämään ainakin osittain kotitietokoneet ja lähes jokaisella on mukanaan erittäin tehokas, pienikokoinen tietokone.

Känny voidaan siis valjastaa mainiosti myös henkilökohtaiseen terveystarkkailuun!

Juttu perustuu VTT:n tiedotteeseen: Sydänfilmi kännykkään

Kuvassa mitataan yhden sydänlihaksen solun sähköisiä ominaisuuksia ja niiden muuttumista lihaksen toimiessa.

Kuva: AstraZeneca