Wiskunde als tolk van het hart

Binnen het laboratorium voor Experimentele Cardiologie van de afdeling Hartziekten worden fysica en wiskunde gebruikt om hartritmestoornissen beter te begrijpen en te behandelen. We spraken associate professor Hans Dierckx over deze multidisciplinaire aanpak.

De “wave”

Het hart werkt dankzij een continue stroom van elektrische prikkels. Die zorgen ervoor dat het hart samentrekt en weer ontspant, zodat het bloed goed wordt rondgepompt. De prikkels beginnen in de sinusknoop, een soort natuurlijke pacemaker boven in het hart. Van daaruit verspreidt de prikkel zich als een golf door het hart.

Dierckx (zie foto) vergelijkt dat proces met een wave in een stadion: “Bij een wave staat eerst één groep mensen op, daarna de volgende, en zo gaat het als een golf door het stadion. Iedereen reageert op wat er vlak voor hen gebeurt. Zo werkt het ook in het hart. In een gezond hart geeft de sinusknoop met regelmatige tussenpozen een elektrische prikkel. Die prikkel beweegt zich als een golf door het hart: eerst door de boezems en daarna door de kamers. Zo trekken ze in de juiste volgorde samen en stroomt het bloed in de juiste richting.”

Hartritmestoornissen

Als het hart beschadigd is of niet goed functioneert, kan een elektrische prikkel te vroeg, te laat of op de verkeerde plek komen. Dan raakt de golf verstoord. In plaats van netjes door het hart te bewegen, ontstaan er spiraalvormige golven die blijven ronddraaien. Die verstoren het normale ritme. Het hart gaat dan te snel, te langzaam of onregelmatig kloppen. Dat noemen we een hartritmestoornis.

 “Denk aan een golfbreker”, zegt Dierckx. “Als een golf daartegen botst, verandert de golf van richting of stopt. En er ontstaan draaikolken. In het hart gebeurt iets vergelijkbaars. Er zijn plekken in het hartweefsel waar de elektrische golf niet verder kan. Die plekken worden geleidingsblokkades genoemd. Als een golf daartegen botst, kan hij uitdoven, van richting veranderen of gaan draaien en een ritmestoornis veroorzaken.”

Bepaalde hartritmestoornissen kunnen hersteld worden met een behandeling die ablatie heet. Daarbij zoekt de cardioloog eerste de plek in het hart op waar de golf verstoord wordt. Dat gebeurt tijdens een zogenaamd elektrofysiologisch onderzoek (EFO). Als de plek gevonden is, wordt die behandeld met warmte of kou met behulp van elektrode die via een katheder is ingebracht in het hart. Door de behandeling raakt dat stukje weefsel uitgeschakeld en kan het geen verkeerde elektrische prikkels meer geven waardoor het normale ritme wordt hersteld.

Wiskunde als luisterend oor

Het is lastig om precies te zien wat er in het hart gebeurt tijdens een ritmestoornis. “We meten elektrische signalen aan de buitenkant van de hartwand om te bepalen waar de ablatie moet plaatsvinden,” zegt Dierckx. Maar wat er precies in het hart gebeurt, kunnen we niet met zekerheid zeggen. Het is alsof je een gesprek probeert af te luisteren door je oor tegen de muur te leggen. Je hoort wel iets, maar het is gedempt en vaag.”

Om dat beter te begrijpen, ontwikkelt Dierckx wiskundige computermodellen die de elektrische activiteit in het hart zichtbaar maken. In 2024 ontving hij hiervoor een LUMC Fellowship. Hij gebruikt gegevens uit hartweefsel en metingen bij patiënten om te voorspellen hoe hartritmestoornissen ontstaan en evolueren.

“Met onze wiskundige modellen zetten we die gedempte stemmen om naar een verstaanbaar gesprek, “legt hij uit “Zo hebben we ontdekt dat er verschillende vormen geleidingsblokken kunnen zijn in de hartwand en ook welke vormen juist niet voorkomen.”

De rotonde

Wiskundige modellen geven niet alleen inzicht in waar het misgaat, maar ook hoe de elektrische golven zich precies door het hart bewegen. Dat blijkt veel ingewikkelder dan gedacht. Zelfs zo ingewikkeld dat men er volgens Dierckx “voorheen ‘kop noch staart aan kon vinden’”. In de recente publicatie in het wetenschappelijk tijdschrift Physical Review Letters brengen Dierckx en zijn collega’s daar verandering in door letterlijk de ‘kop’ en de ‘staart’ van de elektrische golf wiskundig te beschrijven.

“Voorheen dachten wetenschappers dat ritmestoornissen ontstaan rond één bepaald punt, maar wij tonen aan dat geleidingsblokkades ook complexe oppervlakken zijn waar de elektrische golf op botst. Sommige van die oppervlakken zijn zo groot dat de elektrische golf er simpelweg niet doorheen kan en er omheen moet.”

Dierckx legt uit: ”Die ondoordringbare oppervlakken kan je vergelijken met een file op een rotonde. De opeenvolgende elektrische golven zijn groepjes auto’s die met kleine tussenpozen de rotonde op willen rijden. Normaal gezien is de weg vrij, maar bij een geleidingsblokkade ontstaat een file. De laatste auto’s van de vorige golf (=de staart) kunnen niet op tijd de rotonde af. Er kunnen dan twee dingen gebeuren: of de ‘kop’ van de volgende groep auto’s botst tegen de ‘staart’ van de vorige groep of de ‘kop’ wijkt uit en gaat via de berm om de rotonde heen.”

Net zoals je aan de rijrichting van auto’s op een rotonde kunt zien hoe het verkeer doorstroomt of vastloopt, kunnen de onderzoekers met hun wiskundige modellen beter zien waar het misgaat in het hart. Ze vonden zelfs nieuwe, samengestelde rotondes die een verklaring kunnen zijn voor bepaalde complexe golfbewegingen.

Op naar een digitale tweeling

Om die complexe golfbewegingen nog beter te begrijpen, bouwen de onderzoekers een digitale tweeling van het hart. Dat is een virtuele kopie van een echt hart, gebaseerd op medische gegevens van een patiënt. Dierckx: “Je kunt het zien als een testhart op de computer. We stoppen er zoveel mogelijk gegevens in, zoals de vorm van het hart, de richting van de spiervezels en hoe het elektrisch reageert. Zo kunnen we simuleren wat er gebeurt bij een hartritmestoornis, zonder dat we iets hoeven te doen in het echte lichaam.”

Dankzij de digitale tweeling kunnen onderzoekers veilig experimenteren. Ze kunnen bijvoorbeeld testen wat er gebeurt als een elektrische golf botst op een geleidingsblokkade, of hoe een behandeling het ritme beïnvloedt. Dierckx: “Het helpt ons om te voorspellen waar een ritmestoornis ontstaat en hoe je die het beste kunt stoppen. We kunnen het digitale model ook gebruiken om te testen hoe nieuwe medicijnen werken op geleidingsblokkades.”

Toekomst

“In de toekomst hoop ik dat we onze wiskundige modellen en de digitale tweeling van het hart kunnen inzetten tijdens een ablatie,” zegt Dierckx. “Zo kunnen we de cardioloog tijdens de ingreep real-time informatie geven over wat er in het hart gebeurt.”

Om dat mogelijk te maken, werkt Dierckx nauw samen met de Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen. Hij wil die samenwerking verder versterken, zodat meer inzichten en technieken uit de wis- en natuurkunde hun weg vinden naar medische toepassingen. “Op die manier dragen we bij aan de betere zorg van morgen.”

Omdat het model afgestemd is op de patiënt, wordt maatwerk mogelijk. De cardioloog kan dan gerichter behandelen, waardoor de ablatie nauwkeuriger en mogelijk ook minder ingrijpend wordt. Zo hopen de onderzoekers hartritmestoornissen in de toekomst nog persoonlijker en effectiever te kunnen aanpakken.