Применение вычислительной гемодинамики в предоперационном моделировании

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-71-10034

НазваниеПрименение вычислительной гемодинамики в предоперационном моделировании

Руководитель Паршин Даниил Васильевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-205 - Математические модели в науках о живом

Ключевые слова математическое моделирование, реология тканей церебральных сосудов, гидроупругость, сосудистый анастомоз, церебральная аневризма, артериовенозная мальформация, магнитно-резонансная томография, малые лабораторные животные, система принятия врачебных решений

Код ГРНТИ30.51.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последнее десятилетие вычислительная гидродинамика активно приходит как в промышленные испытания (моделирование критического поведения и режимов работы двигателей, турбин), так и проникает в медицинскую сферу. В действительности, ввиду этических факторов внедрение новых медицинских устройств, а также протоколов принятия врачебных решений и непосредственно лечения, проходит долгий путь от идеи к доклиническим испытаниям и клиническому применению. Сложность принятия подобных решений состоит в том числе и в том, что на настоящий момент существует очень небольшой набор количественных критериев оценки патологий и, как следствие, очень мало объективных показателей к вынесению врачебного решения. Цель настоящей работы сократить этот путь и внедрить в практику наиболее успешные с точки зрения механики техники принятия врачебных решений в сосудистой нейрохирургии. Нами будут рассматриваться две основные патологии церебральной сосудистой системы: церебральные аневризмы и артериовенозные мальформации. В предлагаемом проекте будет детально изучена микроциркуляторная гемодинамика, присущая церебральным артериовенозным мальформациям (АВМ). Эта гемодинамика сложна и варьируется в зависимости от морфологии и ангиоархитектоники АВМ и, кроме того, меняется в процессе лечения. На данный момент наиболее предпочтительным методом лечения таких патологий является эндоваскулярная эмболизация - избирательная закупорка патологических кровеносных сосудов путем заполнения их специальным эмболизирующим составом. Но несмотря на хорошо отработанную и описанную технику эмболизации, ее количественные показатели: определение объема АВМ, распределение размеров сосудов по калибрам, необходимый объем эмболизата до сих пор изучены крайне слабо. В связи с этим в ходе реальных операций остается опасность интраоперационного разрыва сосудов. Таким образом, моделирование процесса эмболизации АВМ является актуальной задачей. В нашем исследовании поток крови и эмболизирующего состава через АВМ будет моделироваться на основе теории многофазной фильтрации. В модели будут использоваться клинические данные, полученные во время интраоперационного мониторинга гемодинамических параметров реальных пациентов. Будет изучаться задача об эмболизации, оптимальной с точки зрения безопасности и эффективности, что позволит выбрать режим проведения операции, снижающий риск осложнений и кровоизлияний у пациента. Церебральные аневризмы (ЦА) являются распространённой патологией сосудов головного мозга, они встречаются у одного из 50 человек, у некоторых национальностей - более часто. Основная опасность ЦА состоит в их возможном разрыве, при котором летальность достигает 30% и еще 30% подвержены высокому риску возникновения существенного неврологического дефицита. В то же время одним из наиболее острых вопросов в современной нейрохирургии аневризм является сама необходимость операции - риск разрыва аневризмы (около 0.5%) сопоставим с риском возникновения постоперационных осложнений (около 0.6%). Как правило, лечение этой патологии проводится одним из двух принципиально различающихся способов: микрохирургическим или эндоваскулярным. Оба метода направлены на исключение аномалии из кровотока. В наиболее сложных случаях хирурги прибегают к сочетанию обоих способов. При микрохирургическом лечении для доступа к аневризме проводится трепанация черепа. Эндоваскулярная хирургия является малоинвазивным, максимально щадящим способом манипуляции и активно развивается в последнее время. Выбор способа операции определяется, во-первых, хирургической доступностью патологии; во-вторых, характеристиками аневризмы (размеры купола аневризмы, ее шейки, углы сосудов в области аневризмы, наличие хронических заболеваний, возраст пациента и т.д.). В настоящем исследовании будет рассматриваться задача предоперационного моделирования операции с установкой поток-перенаправляющего устройства с использованием геометрии и протокола операции реальных пациентов. Будут рассмотрены реальные случаи с качественно различным исходом: нормальная окклюзия аневризмы, отсутствие окклюзии и случаи повышенной эндотелизации стента. В результате будут получены качественные оценки успешности проведенной операции в зависимости от варианта установки стента и\или его дизайна. Одной из техник микрохирургического лечения ЦА является наложение сосудистых анастомозов. Эта техника является достаточно частым (до 10%) подходом при лечении церебральных аневризм. В настоящее время не существует общепринятых клинически достоверных методик определения необходимости наложения анастомоза, а также количественных оценок, позволяющих в точности определить его потребную пропускную способность. Настоящий проект направлен на исследование фундаментальных свойств сосудистых анастомозов при деструктивных церебральных операциях, оценки его потребной пропускной способности, а также применению полученных результатов в доклинических исследованиях. В ходе исследования будут применены методы математического моделирования, проведены лабораторные эксперименты с малыми лабораторными животными и (или) трупным биологическим материалом. Результатом выполнения проекта по этому направлению будет являться: эффективная и достаточно простая для практического применения математическая модель анастомоза, на основании которой будет разработана программа, позволяющая определить параметры его формирования, используя данные реального пациента. В последующем результаты работы планируется использовать как для предоперационного моделирования и верификации успешности проводимых или планируемых операций, так и для формирования банка данных численных и лабораторных гидродинамических испытаний модели сосудистой сети со сформированным анастомозом, что может дать почву для множества других исследований и проектов. Несмотря на множество работ в области гемодинамики церебральных сосудов с установленным стентом или стентами, микроспиралями - причины возникновения реальных осложнений: реканализации (восстановления циркуляции крови) аневризмы или ее разрыв до сих пор не ясны. Настоящий проект направлен на создание реальных инструментов предоперационного моделирования для нейрохирургии, поскольку в план проекта включена разработка вычислительных комплексов. Кроме того планируется изучение и фундаментальных задач, например таких, как численное моделирование динамики стенки церебральной аневризмы и сравнение полученных результатов с лабораторными экспериментами и с литературными данными. Подобный класс задач находится сейчас на переднем крае мировой вычислительной биоинженерии, поскольку сочетает в себе такие сложные факторы как гидроупругость, нестационарность протекающих процессов, а также высокую вариативность живых систем. В ходе выполнения проекта предстоит в том числе определить в каких задачах использование нестационарных гидроупругих постановок оправдано, а в каких задачах их можно заменить на более простые. Работу планируется вести совместно с региональным медицинскими партнерами ФГБУ "Федеральный центр нейрохирургии" Минздрава России (г. Новосибирск) и Международный томографический центр СО РАН (Новосибирск).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Куянова Ю.О., Дубовой А.В., Паршин Д.В. Using swarm intelligence optimization methods for transport functions of vascular bypasses: first results and perspectives Journal of Physics: Conference Series, J. Phys.: Conf. Ser. 1666 012061 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1666/1/012061

2. Янькова Г.С., Тур Д.А., Паршин Д.В., Черевко А.А., Акулов А.А. Cerebral arterial architectonics and CFD simulation in mice with type 1 diabetes mellitus of different duration Scientific Reports (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-021-83484-7

3. Цибульская Е.О., Липовка А.И., Чупахин А.П., Дубовой А.В., Паршин Д.В. и Маслов Н.А. The Relationship between the Strength Characteristics of Cerebral Aneurysm Walls with Their Status and Laser-Induced Fluorescence Data Biomedicines, Biomedicines 2021, 9, 537 (год публикации - 2021)
10.3390/biomedicines9050537

4. Куянова Ю.О., Дубовой А.В., Бервицкий А.В., Паршин Д.В. Численная оптимизация геометрических характеристик сосудистого анастомоза с использованием методов роевого интеллекта в задачах нейрохирургии Прикладная механика и техническая физика (год публикации - 2022)

5. Тихвинский Д.В., Куянова Ю.О., Кислицин Д.С., Орлов К.Ю., Горбатых А.В., Паршин Д.В. Numerical Assessment of the Risk of Abnormal Endothelialization for Diverter Devices: Clinical Data Driven Numerical Study Journal of personalized medicine, J. Pers. Med. 2022, 12, 652 (год публикации - 2022)
10.3390/jpm12040652

6. Куянова Ю.О., Чупахин А.П., Бесов А.С., Горбатых А.В., Кислицин Д.С., Орлов К.Ю., Паршин Д.В. Rheological Properties of Non-Adhesive Embolizing Compounds—The Key to Fine-Tuning Embolization Process-Modeling in Endovascular Surgery Polymers, Polymers 2023, 15, 1060 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15041060

7. Д.В. Тихвинский, Ю.О. Куянова, А.В. Бервицкий, Н.Р. Обединская, А.А. Тулупов, Д.В. Паршин ДИНАМИЧЕСКОЕ НАБЛЮДЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛЫХ ЦЕРЕБРАЛЬНЫХ АНЕВРИЗМ Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний, Том 12, № 1 (2023), 6-15 сс. (год публикации - 2023)
10.17802/2306-1278-2023-12-1-172-180

8. Валова Г.С., Богомякова О.Ю., Тулупов А.А., Черевко А.А. Influence of interaction of cerebral fluids on ventricular deformation: A mathematical approach Plos One, PLoS ONE 17(2): e0264395 (год публикации - 2022)
10.1371/journal.pone.0264395

Публикации