Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Операция по Фонтену позволяет направить обедненную кислородом венозную кровь напрямую в легочные артерии в обход сердца за счет работы одного функционального желудочка. У детей, перенесших такую операцию в большинстве случаев наблюдается развитие острой сердечной недостаточности, так как единственный функциональный желудочек испытывает избыточные нагрузки. На сегодняшний день единственным эффективным средством лечения острой сердечной недостаточности (ОСН) является трансплантация сердца. Трансплантация органов среди детского населения запрещена на территории РФ, это приводит к необходимости поиска других путей помощи таким пациентам. Известно, что для лечения ОСН широкое распространение получили системы механической поддержки кровообращения (СМПК), так как использование медикаментозных средств не может существенно повысить гемодинамику. На основе особенностей кровообращения в сердечной-сосудистой системы (ССС) после операции по Фонтену были сформулированы условия для работы БТС ПК. Для повышения гемодинамики предлагается использовать систему механическую поддержки (СМП) на основе роторного насоса крови (РНК). В ходе проведения исследований были подготовлены две твердотельные модели различных модификаций РНК. Первая модель представляет собой насос центробежного типа, состоящая преимущественно из неподвижного корпуса и вращающегося импеллера, на котором размещены 4 лопатки, равномерно расположенные по поверхности импеллера. РНК имеет следующие геометрические размеры: диаметр импеллера, диаметр входного сечения – 6,6 мм. диаметр выходного сечения – 10 мм. Импеллер имеет 4 лопатки, изогнутых в одном направлении. Вторая модель РНК представляет собой насос осевого типа. Эта геометрическая модель подготовлена на основе имеющегося опыта в области проектирования РНК и имеет схожие конструктивные решения. В состав модели входят неподвижная внешняя трубка, в которой размещаются стационарный спрямляющий аппарат на входе и диффузор – на выходе, и импеллер, который располагается по центру модели. Импеллер имеет три лопатки, расположенные вдоль оси, который раскручивает жидкость, придавая ей кинетическую энергию. Спрямляющий аппарат имеет расположенные под 120̊ три пилона и необходим для минимизации завихрений потока перед импеллером. На диффузоре размещены три лопатки, закрученные в обратном направлении относительно лопаток импеллера. В диффузоре происходит преобразование кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления. РНК имеет следующие геометрические размеры: диаметр проточной части – 9 мм, длина – 55,9 мм, высота лопаток – 2,3 мм. Результаты проектирования представлены в работе, опубликованной в рамках проекта РНФ [D. V. Telyshev, M. V. Denisov, S. V. Selishchev, Numerical Modeling of Blood Flows in Rotary Pumps for Use in Pediatric Heart Surgery in Patients Undergoing the Fontan Procedure Biomedical Engineering (2019 г.) ]. С целью определения гидродинамических характеристик насоса было проведено численное моделирование течения жидкости в обоих насосах при различных граничных условиях. Моделирование проводилось в современном вычислительном комплексе Fluent, входящий в состав программного обеспечения Ansys 19.0. На первом шаге моделировалось течение без подключения насоса к TCPC, были получены семейства расходно-напорных характеристик (РНХ) для различных скоростей потока. РНК осевого типа имеет более пологие РНХ, по сравнению с насосом центробежного типа, что позволит использовать РНК в более широком диапазоне по расходу, оставаясь в заданном диапазоне по напору. В качестве рабочей среды использовалась жидкость, имитирующая физические свойства крови по плотности и вязкости. В качестве граничных условий были приняты расход на входе и статическое давление на выходе, для учета турбулентности течения применялась модель k-w SST. На втором шаге было проведено исследование работы РНК осевого типа в условиях подключения к различным модификациям TCPC. Влияние РНХ на сердечно-сосудистую систему детально описано в работе [Dmitry Telyshev, Dmitry Petukhov, Sergey Selishchev. Numerical modeling of continuous-flow left ventricular assist device performance. International Journal of Artificial Organs (2019 г.)], подготовленной в рамках проекта РНФ. В рамках проекта была разработана персонифицированная модель сердечно-сосудистой системы с кровообращением Фонтена, модифицируемая под индивидуальные особенности пациента. Согласно электрогидравлической аналогии, сердечно-сосудистую систему (ССС) можно представить в виде электрической схемы, а протекающие в неё процессы описать в виде системы дифференциальных уравнений. ССС разбивается на блоки: предсердия, желудочки, системные, лёгочные сосуды, а отделы сердца соединяются клапанами. Разработанная модель кровообращения Фонтена включает в себя желудочек сердца, предсердие, системные и лёгочные сосуды и кондуит. Моделирование проводилось в программном пакете MATLAB (MathWorks, Массачусетс, США), в ходе которого были получены распределения давлений в отделах ССС для кровообращения Фонтена. Результаты моделирования были представлены в статье [Rubtsova E.N., Telyshev D.V., Chernovolenko A. I. A mathematical model of the univentricular Fontan // Proceedings of the 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering. – 2019. – P. 2337 – 2340], опубликованной в рамках проекта. Различный уровень нагрузки оказываемой на ССС моделируется путём изменения сопротивления системных сосудов, а так же вариации частоты сердечных сокращений (чсс). В рамках проекта изготовлен стенд сердечно-сосудистой системы, моделирующий синдром одного желудочка. Изготовленный стенд позволяет воспроизводить параметры гемодинамики соответствующие пациентам в возрасте от 1 до 17 лет. Среди ключевых особенностей стенда следует выделить использование прозрачной структуры для TCPC соединения и возможность подключения БТС ПК с целью проведения исследований. Использование прозрачной структуры TCPC позволит провести экспериментальные исследования по визуализации потока на следующих этапах исследования. Визуализация потока является необходимым критерием оценки этапов моделирования и оптимизации БТС ПК, поскольку позволяет сравнить поле скоростей полученные на этапе моделирования с экспериментальными данными. В ходе проведения первого этапа работ в рамках проекта были выполнены все запланированные работы, прежде всего было проведено проектирование и изготовление стенда сердечно-сосудистой системы, что позволит провести экспериментальные исследования БТС ПК на следующих этапах работы, было проведено исследование по разработке основных узлов БТС ПК и проведена оценка дальнейшего направления оптимизации БТС ПК, что позволит изготовить БТС ПК на следующем этапе работы. Была разработана математическая модель кровообращения по Фонтану, что позволит провести модельные исследования работы БТС ПК и сравнить их с результатами эксперимента на следующем этапе.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
По статистике, только в России тысячи детей (0,013% новорождённых) появляются на свет с опасными заболеваниями: в сердце не хватает одного желудочка или он оказывается недоразвитым и не может полноценно перекачивать кровь. Без лечения смертность у таких детей очень высокая, а трансплантация донорского сердца в России имеет серьёзные законодательные ограничения. Обычно после выявления заболевания детям делают сложную трёхступенчатую операцию Фонтена, при которой кровь из вен направляют непосредственно в лёгочные артерии, минуя правое предсердие. Однако у такой процедуры есть недостатки: происходит перегрузка желудочка и лёгочных вен, из-за чего развивается сердечная недостаточность. Поэтому для поддержания кровообращения пациентов c единственным функциональным желудочком необходимо использование биотехнической системы поддержки кровообращения (БТС ПК), которая соединяет вены и артерии, и представляет собой миниатюрное механическое устройство, помещаемое в нижнюю полую вену и обеспечивающее дополнительный напор крови. В ходе работы удалось найти форму так называемого кавопульмонального соединения, которая позволяет при небольших гидравлических потерях равномерно распределять кровь по лёгочным артериям, при этом уменьшая разрушение эритроцитов и снижая нагрузку на единственный желудочек. Результаты данного исследования представлены в работе, опубликованной в рамках проекта РНФ [Telyshev D, Denisov M, Markov A, Fresiello L, Verbelen T, Selishchev S. 2020. Energetics of blood flow in Fontan circulation under VAD support. Artificial Organs. 44(1):50–57.]. В ходе выполнения проекта второго этапа был изготовлен макетный образец БТС ПК, помещенный в стенд сердечно-сосудистой системы, моделирующей синдром одного желудочка, с целью проведения экспериментальных исследований и сравнению модельных данных, с данными, полученными во время модельного эксперимента. Полученные результаты показывают хорошую корреляцию между экспериментальными и модельными результатами. Завышенные гидравлические потери при экспериментальных исследованиях обуславливаются дополнительным трением в узлах, не берущимся в расчет при моделировании Предложена технология формирования антикоагулянтного биополимерного нанокомпозитного покрытия для БТС ПК. Покрытие формировалось методом лазерного облучения жидкой дисперсии на основе бычьего сывороточного альбумина (БСА) и одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) с различной концентрацией и морфологией. Результаты разработки и экспериментальных исследований представлены в работе, опубликованной в рамках проекта РНФ [Alexander Yu. Gerasimenko, Galina N. Ten, Dmitry I. Ryabkin, Natalia E. Shcherbakova, Elena A. Morozova, Levan P. Ichkitidze. The study of the interaction mechanism between bovine serum albumin and single-walled carbon nanotubes depending on their diameter and concentration in solid nanocomposites by vibrational spectroscopy. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 227, 117682 (2020)] В рамках второго этапа работ разработана математическая модель БТС ПК и проведено моделирование взаимодействия БТС ПК и сердечно-сосудистой системы при единственном желудочке сердца. Включение БТС ПК вместо правого желудочка сердца позволило снизить венозное давление и повысить давление лёгочной артерии. Кроме того, БТС ПК позволяет увеличить венозный возврат, вследствие чего, согласно закону Франка-Старлинга ударный объём приближается к нормальному значению. В ходе проведения второго этапа работ в рамках проекта были выполнены все запланированные работы, прежде всего было проведено и изготовление БТС ПК, что позволило провести экспериментальные исследования БТС ПК на стенде сердечно-сосудистой системы, в результате которого была показана высокая корреляция между данными полученными на этапе математического моделирования и результатами эксперимента. Была разработана математическая модель БТС ПК, что позволило провести моделирование взаимодействия БТС ПК и сердечно-сосудистой системы одножелудочкого кровообращения.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Исследование нормальных условий функционирования человеческого организма является важным вопросом в инженерном процессе проектирования биомедицинских устройств, предназначенных для имплантации, в случае сбоя или отказа отдельных физиологических систем. В рамках проведенных исследований рассматривалось кровообращение по Фонтану направленное на поддержание функций человеческого организма. Это стандартный паллиативный метод лечения пациентов с функциональным единственным желудочком сердца. Тем не менее, эта процедура имеет существенные недостатки. Например, перегрузка единственного функционального желудочка приводит к необходимости пересадки сердца, что практически не возможно для педиатрических пациентов, поэтому остро стоит вопрос обеспечения вспомогательного кровообращения для пациентов с единственным функциональным желудочком сердца. В рамках проекта данный вопрос решался посредством разработки БТС ПК. В ходе выполнения третьего этапа работы было выполнено моделирование и экспериментальные исследования влияния педиатрического тотального кавопульмонального соединения (TCPC) на кровоток. Были изготовлены три различные конфигурации TCPC соединений, интегрированные в стенд сердечно-сосудистой системы, была проведена разработка системы трассерной визуализации потока с целью анализа распределения поля скоростей в системе, были рассчитаны потери гидравлической мощности для различных случаев TCPC соединений и выбрано соединение с наименьшими потерями, что позволяет в перспективе снизить нагрузку на единственный желудочек сердца [Porfiryev, A., Markov, A., Galyastov, A., Denisov, M., Burdukova, O., Gerasimenko, A.Y., Telyshev, D. Fontan hemodynamics investigation via modeling and experimental characterization of idealized pediatric total cavopulmonary connection (2020) Applied Sciences (Switzerland), IF = 3.0, 10 (19), art. no. 6910, pp. 1-17. DOI: 10.3390/app10196910]. В ходе выполнения проекта третьего этапа была проведена оптимизация БТС ПК и изготовлен экспериментальный образец, помещенный в стенд сердечно-сосудистой системы, моделирующей синдром одного желудочка, с целью проведения экспериментальных исследований и получения поля скоростей в БТС и оценке общего влияния БТС ПК на сердечно-сосудистую систему. Полученные результаты показывают эффективную разгрузку единственного желудочка сердца, увеличение общего кровотока за счет интеграции БТС ПК и минимизации негативных эффектов, такого как гемолиз и тромбообразование, что подтверждается результатами моделирования и проведенными экспериментальными исследованиями. В ходе проведения третьего этапа работ в рамках проекта были выполнены все запланированные работы, прежде всего проведены исследования течения жидкости в БТС ПК на установке трассерной визуализации потока, изготовлен опытный образец, по результатам предыдущих результатов работ. Проведены исследования на гемосовместимость.