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强大的方程式:数学与生物学在伦敦科学博物馆相遇

本周,科学博物馆将在伦敦举办一个互动展览伦敦数学学会伦敦剧团,非零壹。庆祝数学协会成立150周年。”你的角是什么?发现数学!是一个为期五天的节日,旨在“挑战人们对数学的普遍认识,让人们认识到数学是困难和深奥的,并向参观者展示当代数学是如何改变人们的生活和影响每个人的。”

说到“改变人们的生活”,很难想象有什么比心血管药理学家最近的工作更合适的了玛纳斯南帝博士和数学家菲利普博士阿斯顿她将在音乐节上联合举办一场名为Cardiomorph的展览。他们领导了一个由生物学家和数学家组成的团队,他们合作以一种全新的方式将非线性数学应用到血压数据中,得到了一些令人惊讶的、可能拯救生命的结果。

我们与Manasi和Philip讨论了他们的工作,以及如何为全球重症监护病房(ICU)的主要死亡原因之一提供有效和客观的诊断手段。

数学家Philip Aston博士和心血管药理学家Manasi Nandi博士将在科学博物馆共同举办一个展览。

血压的新视角

总部位于生命科学和医学学院在伦敦国王学院,Manasi的研究集中在败血症中的心血管功能障碍上。败血症是医院里的一个大问题,当感染细菌进入血液时,它们不是局部的免疫反应,而是激活全面的中枢反应,引发全身的炎症级联反应。这可迅速升级为感染性休克,血压骤降,损害主要器官的氧气输送,导致多器官衰竭。这是一个严重的临床问题,也是全世界ICU患者的主要死亡原因。

一个常用的诊断指标是由于血管渗漏和扩张引起的血压下降,然而,这往往被发现得太晚,临床医生无法做出改变。部分原因在于,当人体处于“休克”状态时,人体已经进化到将血压从肠道和皮肤等身体系统转移到心脏和大脑等重要器官。这可能意味着,即使体内的系统已经开始关闭,病人实际上生病了,测量的血压也可能看起来正常。

一个旨在促进跨学科合作的医学数学研究小组给数学家提供了这个问题的机会。“我们通常使用无线电遥测或PowerLab系统——通常是1000Hz(每秒1000个数据点)——但我们倾向于扔掉大部分,因为使用传统的分析方法处理太多了,”Manasi解释道。“取收缩压、舒张压和心率的平均值很有用,但这样做我们就忽略了波形形状中包含的其他数据。该研究小组(由NC3Rs组织)提供了一个机会,将原始数据提供给数学家,看看他们可以用这些数据做什么。”

作为萨里大学(University of Surrey)的数学讲师和研究员,菲利普·阿斯顿(Philip Aston)已经对数学生物学感兴趣,他参加了2013年的研讨会。他甚至让他的角色听起来很容易。“我对Manasi收集的血压数据很感兴趣,并提出了一种分析数据的新方法。到这个周末,分析这些数据的基本框架已经建立起来。”但玛纳斯对此进行了展望。“他利用这些数据做了一些以前没有做过的事情。对于数学家和工程师来说,也许这种方法是显而易见的,但它还没有被用于这种生理信号的特殊方式。”

深入学习数学

传统上,人们关注的是收缩压和舒张压作为心血管健康的衡量指标。菲利普并没有只看波形上的最高点和最低点,而是使用了所有的血压波形数据,沿着波形取三个等距的点,并在三维空间中将它们相互比划。当这些点沿着波移动时,绘制出一个“吸引器”,它为每一个心跳周期建立一个层,在一个立方体中生成所有原始数据点的三维网格。然后将立方体旋转,并从一个角进行观察,得到一个二维三角形。该团队意识到,这是一种持续实时量化波形形状的方法,也是一种评估患者健康状况的潜在新方法。

下图显示了这样一个吸引子-臂的大小和厚度,热点的位置和倾斜的角度等都与输入波的形状有关。能微妙地改变输入波形状的东西是心脏收缩的性质和血管网络的状态。该团队已经表明,他们可以在疾病的早期阶段(使用啮齿类动物模型)看到吸引物的变化,在它们被常规的收缩压/舒张压分析检测之前。

吸引器可以为心脏收缩提供洞见。

对ICU临床医生来说,这意味着吸引器可能会在标准的ICU监护仪检测出传统的疾病迹象之前提供信息,从而获得宝贵的时间进行血液样本检测,并更早开始治疗。对某些病人来说,这可能是生死之别。

个性化医疗的未来?

在败血症的诊断中应用引子的见解仅仅是个开始。看起来健康的人之间的差异也很有趣,似乎无穷无尽,让个人看到他们如何随着年龄增长、锻炼和对周围环境的反应而变化。团队认为,这种方法也可以发挥重要的作用在发展中个性化医学——一种新的方式来了解一个人的‘个人’心血管和心跳周期和跟踪个人的轨迹在疾病,而不是治疗方案基于中间数百万的钟形曲线。

他们对这样一个强有力的结果感到惊讶吗?Manasi:“是的,如果你两年前告诉我我会用非线性混沌数学来解释我的研究,我绝对不会相信你!”对我来说,我所欣赏的数学的美妙之处在于,这一方法极大地减少了偏见,并能提取出你之前无法检测到的东西,因为你使用了所有的数据。通过结合我们的学科,我们发现了一些真正强大的东西,我们从未想到过。”菲利普表示赞同:“如果这个项目能改变人们的生活,那就太棒了。如果分析数据可以拯救生命,那么整个团队投入到这个项目中的所有时间和努力都是值得的。”

如果你想有机会看到你的个人吸引力,不要错过cardiomphph展览,“你的角度是什么?”发现数学!,活动将于11月25日(周三)开始,一直持续到周日。看到一些事件适用于儿童和成人。或者你可以阅读更多关于展览背后的研究在这里。

团队成员:菲利普·阿斯顿和马克·克里斯蒂(萨里大学)和玛纳西·南迪(伦敦国王学院)。

联系人:cardiomorph@gmail.com

2015年11月24日

阿历克斯国

科学作家

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