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 21-15-00091

НазваниеПерсонализированное прогнозирование риска разрыва и тромбоэмболических осложнений у больных с аневризмой аорты при помощи высокопроизводительного численного моделирования гемодинамики и современных методов машинного обучения на реальных клинических данных

РуководительКарпенко Андрей Анатольевич, Доктор медицинских наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет", Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2021 г. - 2023 г.

Конкурс№55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-310 - Персонифицированная медицина

Ключевые словаАтеросклероз, аорта, аневризма, тромбоэмболия, биомеханика стенки сосуда, эндотелий, инсульт, инфаркт, высокопроизводительное численное моделирование гемодинамики, машинное обучение, нейронные сети, задача сегментации, прогнозирование рисков, вычислительная гидродинамика, предоперационное моделирование

Код ГРНТИ76.29.30

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
В последние годы наблюдается рост числа пациентов с атеросклеротическим поражением аорты и ее ветвей. Наиболее распространенными и клинически значимыми осложнениями течения атеросклероза являются холестериновые и тромботические эмболы, которые формируются при глубокой дистрофической дегенерации сосудистой стенки и повреждении ее эндотелиального слоя (Новикова и др. Архив патологии, 2013). Прогрессирующие дегенеративные изменения приводят не только к снижению тромборезистентности эндотелия, но и к изменению упруго-эластических свойств сосудистой стенки с постепенным расширением диаметра аорты и последующей трансформацией в аневризматическое поражение. Аневризма аорты является серьезным заболеванием, течение которого сопровождается множеством неблагоприятных последствий для здоровья пациента и зачастую заканчивается разрывом, приводящим у многих больных к летальным исходам. Выявляемость аневризмы аорты в разных исследуемых когортах колеблется от 3,2 до 6% населения (Erbel et al. European Heart Journal, 2014). Так, в исследовании, проведенном нами ранее (Чернявский, Карпенко и др. Сиб. мед. журнал, 2011) в Семейском регионе Казахстана, аневризмы брюшной аорты были выявлены у 5,1% обследованных лиц в возрасте старше 60 лет. При этом 98,1% аневризм были малого размера. Актуальность раннего выявления малых аневризм аорты с последующим активным наблюдением пациентов обусловлена с одной стороны целесообразностью планирования инструментального мониторинга ее роста, а с другой - существенно возрастающим риском развития неблагоприятных сердечно-сосудистых событий. Так частота развития острого инфаркта миокарда в десятилетний период наблюдения больных с малыми аневризмами составляет 38%, при риске разрыва аневризмы всего 2% (Freiberg et al., Circulation, 2008). Прогнозирование риска разрыва аневризмы у каждого конкретного больного и профилактическая коррекция факторов риска развития острого коронарного синдрома является очень важной задачей, от решения которой зависит как предотвращение сердечной смерти, так и оптимальная подготовка больных к возможной операции в связи с основным заболеванием. Необходимость выбора оптимальной тактики лечения обусловлена тем, что частота развития смертельных исходов при плановой коррекции аневризмы аорты не превышает 5%, а в случаях ее разрыва достигает 60-70% (Erbel et al. European Heart Journal, 2014). Помимо летальных исходов частота различного рода осложнений в послеоперационном периоде в отдельных популяциях больных имеет место в 70% наблюдений (Червяков и др. Вестник НМХЦ им. Пирогова, 2011). Высокая частота неблагоприятных клинических исходов как со стороны аневризмы, так и сердечно-сосудистой системы в целом делает очень важным вопрос определения целесообразности и своевременности планирования и проведения лечебных мероприятий для каждого конкретного пациента. Несмотря на существенный прогресс в инструментальной диагностике наличия и характера аневризматического поражения аорты, а также трехмерной реконструкции ее геометрии, окончательная причина роста и разрыва, а также формирования внутрипросветного тромбоза и холестериновых изменений стенки остаются не до конца ясными (Fillinger et al. J Vasc Surg, 2002; Barrett et al. J Vasc Surg, 2018; Haller et al. J Vasc Surg, 2018). Целью проекта является разработка комплексного подхода для предиктивного анализа и оценки динамики развития аневризматического поражения аорты, а также риска развития сопутствующих послеоперационных осложнений. Собранная за последние 10 лет база данных наблюдаемых и оперированных пациентов в Центре сосудистой и гибридной хирургии НМИЦ им. Е.Н. Мешалкина содержит более 600 случаев для исследования расширения брюшной аорты. Будут применяться как параметрическое высокопроизводительное численное моделирование гемодинамики, так и современные методы машинного обучения, в том числе, использующие эффективные подходы, основанные на глубоких (многослойных) нейронных сетях. Особый акцент будет сделан на определении геометрических характеристик внутренней поверхности аорты, которая во многом является индикатором рисков неблагоприятных осложнений хирургического вмешательства (Yokawa et al. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery, 2020). Наличие информации о локальных упруго-эластических характеристиках стенки аорты, полученных в ходе лабораторного эксперимента на передовой разрывной машине, а также использование пациент-специфических характеристик гемодинамики, получаемых в ходе допплерографии аорты у больных, позволят повысить достоверность как трехмерного, так и одномерного численного моделирования. Применение такого рода моделирования позволит построить цифровые двойники аорты в нормальном состоянии, а также в стадии с растущей аневризмой и формирующимся в ее просвете тромбом. Использование методов машинного обучения даст возможность разработать программы для определения степени эмбологенности внутреннего просвета аорты и оценить величину риска ее разрыва, при этом весь вся процедура будет занимать всего несколько часов, что позволит использовать их для проспективного клинического слепого анализа перед соответствующим хирургическим вмешательством. Направление исследований по данному проекту является приоритетным направлением из утвержденных Президентом РФ. Полученные результаты позволят разработать комплексную методику и персонифицированный алгоритм прогнозирования рисков разрыва и возникновения тромбоэмболических осложнений при аневризме брюшной аорты и других локализаций и реализовать его программно для конечного пользователя (хирурга).

Ожидаемые результаты
В результате комплексного исследования, включающего систематические клинические работы, параметрическое высокопроизводительное численное моделирование гемодинамики, построение упрощенных теоретических моделей и анализ результатов при помощи методов глубокого машинного обучения на базе нейронных сетей, для развития области персонализированной медицины будет разработана компьютерная программа оценки влияния упруго-эластических, геометрических и гидродинамических характеристик брюшной аорты, связанных с ростом ее поперечного диаметра у конкретного пациента. В основу исследования будут положены ретроспективные и проспективные данные результатов компьютерной томографии брюшной аорты и ультразвукового дуплексного сканирования, которые являются основными скрининговыми инструментальными методами обследования пациентов (Erbel et al. European Heart Journal, 2014, см. также российские рекомендации по лечению больных с аневризмами брюшной аорты, 2016). Будет исследована связь геометрических факторов (протяженность тромба, кривизна, плотность, упругость стенки, максимальная и минимальная величина касательных напряжений, энергия вязкой диссипации и др.) с особенностями роста аневризматического мешка и проявлениями предикторов возникновения так называемой “лохматой” аорты, которые указывают на высокий риск спонтанной и индуцированной хирургическими манипуляциями тромбоэмболии. Клинические проявления будут дополнены данными моделирования (одномерного и трехмерного на виртуальных цифровых двойниках), что позволит реализовать вычисления скорости роста аневризматического мешка, а также рассчитать величину риска эмбологенности аневризмы аорты при помощи алгоритмов машинного обучения. На текущий момент, несмотря на большое количество результатов в литературе, связанных с обработкой снимков компьютерной томографии и численным моделированием, эти задачи не имеют конкретного практического решения, поскольку, зачастую, описанные выше работы не выполняются в тесном контакте между медицинским партнером и группой моделирования. Треть нашего междисциплинарного коллектива составляют ведущие российские специалисты, занимающиеся скринингом, наблюдением и хирургическим лечением аневризмы аорты, которая тесно взаимодействует со специалистами в области математического моделирования и машинного обучения, признанными на мировом уровне в области биомедицинской инженерии,что гарантирует выполнение поставленных целей. Полученные результаты данного проекта будут иметь высокий мировой уровень, а некоторые аспекты являться пионерскими. Разработанная компьютерная программа позволит определять зоны наибольшей эмбологенности аорты, включая геометрические характеристики внутреннего просвета аорты, что будет непосредственно использовано в клинической практике уже в ходе выполнения данного проекта. Построенная и протестированная на данных инструментальных обследований объемом порядка 600 пациентов с различной степенью аневризматического расширения аорты программа позволит определить оптимальную лечебную тактику ведения каждого конкретного пациента, получить прогноз скорости роста аневризмы аорты и частоту развития эмболических осложнений, определить критические зоны аорты, имеющие наибольшую эмболоопасность при внутрисосудистых и внесосудистых вмешательствах у каждого конкретного больного. На основании математического моделирования планируется построить трехмерную реконструкцию аорты и рассчитать гемодинамические характеристики с выделением участков наибольшей эмболоопасности и разрыва. В конечном итоге это будет способствовать усовершенствованию технологии канюляции аорты, режимов вспомогательного и искусственного кровообращения, выбору оптимальной зоны пережатия аорты, места и последовательности формирования анастомозов при открытой хирургии аорты. При помощи разработанной программы будет определяться целесообразность предоперационной подготовки больных для стабилизации атероматозных и тромботических масс перед внутрисосудистыми операциями, а именно, стентирования сонных артерий, трансаортальной имплантации клапанов сердца, эндопротезирования аорты, а также применения внутрисосудистых устройств для профилактики интраоперационной эмболии жизненно-важных органов (головной и спинной мозг, почки, печень, кишечник). Будут выявлены пациенты с риском прогрессирования пристеночного тромбообразования и дилатации аорты для выработки более агрессивных показаний к ранней хирургической коррекции, включая имплантацию стент-графтов. Результатом проекта будет внедрение описанных инновационных алгоритмов в клиническую практику, что позволит снизить риски интра и ранней послеоперационной летальности у больных. Профилактика тромбоэмболических осложнений в критические органы, такие как мозг, почки и висцеральные органы, позволит не только снизить риски развития осложнений в ближайшие послеоперационные сроки, но и предотвратить появление других инвалидизирующих осложнений у больных в отдаленные сроки наблюдения. Фактическое удешевление стоимости лечения пациентов при помощи ранней помощи, назначение которой будет дано прогностической моделью, будет также иметь и существенный экономический эффект. Кроме того, предложенная методология работы с пациентами может быть перенесена на другие медицинские центры, что позволит мультиплицировать положительный эффект от выполнения данного проекта.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---