Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В отчетном периоде в полном соответствии с планом выполнены следующие работы: 1) Проводился сбор клинических данных пациентов с ИБС. В рамках выполнения работ составлен протокол клинического этапа исследования. Из 30 пациентов значительные нарушение перфузии было выявлено у 5 человек. Проведено согласование с целью госпитализации пациента в кардиохирургический стационар для выполнения коронароангиографии, инвазивного измерения фракционного резерва коронарного кровотока с последующим стентированием пораженного участка. 2) Разрабатывались алгоритмы и программное обеспечение для сегментации медицинских изображений и создания геометрических моделей, обеспечивающих автоматический расчет степени стеноза коронарных артерий и вывод геометрических параметров коронарных артерий, а также велась разработка программных кодов для построения динамических моделей левого желудочка на основе индивидуальных данных пациентов. 2.1) Реализовывалась функциональность, позволяющая загружать КТ-снимки пациента и выполнять на удалённом сервере расчёт гемодинамических индексов. Велись работы по реализации следующей функциональности: а) загрузка КТ-снимков на облачный сервер для проведения расчётов, просмотр загруженных снимков в трёх проекциях, б) выделение маски аорты и коронарных сосудов, в) построение геометрической модели коронарных сосудов и выбор порога сегментации для удаления шумов, г) сегментация коронарных артерий с помощью фильтра сосудистости Франжи, выделение правой и левой коронарных артерий, д) маркировка стенозов, е) виртуальная эндоскопия, ж) программа извлекает геометрические параметры коронарных артерий (длина, диаметр), разбивает их на сегменты, генерирует расчётную сетку и передаёт её в модель коронарной гемодинамики. 2.2) Для построения динамических моделей левого желудочка выполнялись работы по разработке технологической цепочки, включающей подготовку медицинских снимков, предварительную сегментацию, финальную сегментацию, коррекцию сегментации, и построение динамических сеток для левого желудочка. На первом этапе алгоритма проводится подготовка медицинских снимков. На втором и третьем этапах проводится предварительная и финальная сегментация области левого желудочка с помощью levelset-метода. В результате третьего этапа получается более гладкая поверхность левого желудочка. На четвёртом этапе проводится коррекция сегментации с помощью операций математической морфологии и выделения компонент связности. На пятом этапе строится последовательность расчётных сеток, отслеживающая динамику движения левого желудочка. 3) Строилась вычислительная модель коронарного кровообращения и выполнялась разработка интерфейсов для привязки модели к программному обеспечению обработки изображений, клиническим данным, алгоритмам оптимизации параметров с целью реализации персонализированной калибровки параметров модели. Выполнены работы по автоматическому расчёту терминальных сопротивлений на основе диаметров левой и правой коронарных артерий с помощью рекурсивного алгоритма. Тестирование алгоритма проводилось на основе десяти наборов данных пациентов. Каждый набор представлял собой КТ-снимки коронарных сосудов, информацию о расположении и степени стенозов, измеренные значения ФРК для стенозов, а также общие данные пациентов - артериальное давление, ЧСС, возраст, индекс массы тела, тип коронарного преобладания. Показано, что новый рекурсивный алгоритм настройки терминальных сопротивлений существенно снижает ошибку, связанную с некачественными КТ-данными, в которых визуализированы только магистральные коронарные артерии. Среднеквадратичное отклонение ФРК, вычисленное новым алгоритмом на полном и урезанном наборах данных составило 1%. Аналогичное отклонение для алгоритма, используемого ранее, составило 6%. Это позволяет уменьшить требования к качеству КТ-данных и ошибкам сегментации и расширить применимость разработанной модели коронарного кровотока. Показано, что новая вычислительная модель позволяет с высокой точностью определять преобладание левой или правой коронарной артерии, которое теперь может определяться автоматически без участия эксперта. В отчетном периоде получены все запланированные результаты: 1) Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для сегментации медицинских изображений, создания геометрических моделей, автоматического расчета степени стеноза коронарных артерий, вывода их геометрических параметров. Программное обеспечение реализовано в виде альфа-версии WEB-приложения, позволяющего загружать КТ-снимки пациента и выполнять удалённый расчёт гемодинамических индексов. Расчет степени стеноза реализован за счёт сегментации маркированного участка сосуда с последующим выделением стенозированной области. 2) Разработан программный код для построения индивидуальных динамических моделей левого желудочка на основе данных пациентов. Разработана технологическая цепочка, включающая подготовку медицинских снимков, предварительную сегментацию, финальную сегментацию, коррекцию сегментации, и построение динамических сеток для левого желудочка. Вся цепочка объединена в единый программный код, использующий библиотеки программ с открытым кодом. Для интерполяции изображений и сегментации изображений с помощью levelset-метода используется библиотека Convert3D. Для разметки области артефактов и визуальной проверки сегментации используется пакет ITK-Snap. Для построения базовой сетки используется библиотека CGAL. Для перестроения сетки используется библиотека SUS. 3) Разработана вычислительная модель коронарного кровотока, которая включает рекурсивный алгоритм вычисления терминальных сопротивлений. Модель позволяет снизить требования к качеству КТ-данных коронарных сосудов и не требует детализации мелких сосудов. Модель позволяет с высокой точностью предсказывать доминирование левой или правой коронарной артерии в коронарном кровотоке пациента. 4) Разработаны интерфейсы для привязки модели коронарного кровотока к программному обеспечению обработки изображений, клиническим данным, алгоритмам оптимизации параметров. Важным параметром, существенно влияющим на коронарный кровоток является скорости пульсовой волны в аорте (СПВа), измерение которой в регулярной практике невозможно. Интерфейсы работы с данными пациента связаны с реализованным на данном этапе алгоритмом для индивидуальной оценки СПВа. Алгоритм использует нейронную сеть, обученную на синтетической базе данных пульсовых волн. Синтетическая база данных сформирована из 4374 виртуальных пациентов, каждый из которых представляет собой модель гемодинамики, откалиброванную для людей определённой возрастной группы. Нейронная сеть использует в качестве входных параметров возраст пациента, частоту сердечных сокращений, ударный объём, а также систолическое, диастолическое и среднее давления в левой плечевой артерии.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведён сбор клинических данных пациентов с ИБС в России. Собраны и обработаны данные «после операции» у 20 пациентов (из 30 собранных в прошлом году). Обработка включает в себя обезличивание, анализ наличия нарушений перфузии, внесение клинических данных пациента (давление, ЧСС, ударный объём и т.д.) в общую картотеку данных. В отчетном периоде продолжались работы по построению вычислительной модели коронарного кровообращения и разработка интерфейсов для привязки модели к программному обеспечению обработки изображений, клиническим данным, алгоритмам оптимизации параметров с целью реализации персонализированной калибровки параметров модели. В этой связи велась работа по совершенствованию модуля идентификации персональных параметров пациентов с помощью методов машинного обучения. С одной стороны, в полном объеме был собран материал клинических исследований. С другой стороны, качество нейросети для определения упругих свойств сосудов было улучшено, что подтверждается ее пробным использованием на ретроспективных данных реальных пациентов Университетской Клинической Больницы №1 Сеченовского Университета и сравнением с другими алгоритмами: линейной регрессией, деревом решений, методом случайного леса, методом опорных векторов. Построенные алгоритмы позволяют определять нужные параметры пациента (скорость пульсовой волны в аорте) с точностью в 15%, что является хорошим показателем по сравнению с аналогичными подходами (точность от 15% до 22% в других работах). Для реализации персонализированной калибровки модели, а также для облегчения использования был модифицирован разрабатываемый WEB интерфейс. Разрабатываемый WEB интерфейс «Виртуальный ФРК» предназначен для поддержки принятия врачебных решений при диагностике стенозов коронарных артерий на основе анализа компьютерной томографии коронарных артерий с контрастом и метаданных пациента (возраст, кровяное давление, ЧСС, ударный объём). Разработанный WEB интерфейс «Виртуальный ФРК» представляет собой «облачный» Web-сервис по модели обслуживания SaaS (Software as a Service — программное обеспечение как услуга) и не предусматривает наличие физических носителей и установку клиентского приложения на компьютер медицинских организаций. Он может быть установлен в качестве серверной части на серверные ЭВМ медицинских организаций, если необходимо избежать передачи данных пациентов по сети. Предложены методы и программное обеспечение для оцифровки изображений ПКТ для получения количественной информации о перфузии миокарда и регистрации этой информации в участках миокарда дистальных к стенозам коронарных артерий. Предложена технология оценки перфузии миокарда в участках дистальных к стенозам коронарных артерий. Технология позволяет персонализировать зоны перфузии, а не рассчитывать индекс перфузии в стандартных 16-ти или 17-ти зонах с помощью компьютерного томографа. Технология включает в себя: построение сегментации левого желудочка и коронарных артерий по КТ данным пациента, определение зон коронарного кровообращения, вычисление индекса перфузии TPR в каждой точке желудочка, оценка перфузии в различных зонах. Зоны коронарного кровообращения сопоставляются с дистальными коронарными артериями, что позволяет использовать предложенные методы для модификации граничных условий в вычислительной модели кровотока. С использованием новой технологии проведены вычисления гемодинамических индексов по собранным данным пациентов до и после операции по стентированию. На основании анализа результатов сделан вывод о том, что высокие значения индексов FFR и iFR после операции не всегда гарантируют восстановления перфузионного потока крови в долгосрочной перспективе.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На базе Сеченовского Университета собраны и обработаны данные в отдаленном периоде (через 4-6 месяцев) после выполненных операций чрезкожного коронарного вмешательства (ЧКВ) у всех наблюдаемых пациентов. С помощью алгоритмов, разработанных в проекте, построены геометрические сетевые структуры, соответствующие индивидуальной анатомии коронарных сосудов, которые затем использовались для математического моделирования коронарного кровотока и расчета гемодинамических индексов. Использовались разработанные в проекте алгоритмы анализа данных перфузионного КТ (ПКТ). Новый алгоритм индивидуализации зон перфузии позволил корректно связать фактически сгенерированные анатомические структуры коронарных сосудов с учетом точности / качества входных данных с функционально-пространственными параметрами микроциркуляторного русла. Таким образом, выполнена цифровая обработка и анализ всех данных с помощью программных средств, разработанных в рамках проекта. Валидация проводилась путем сравнения значений измеренных и вычисленных значений коэффициентов, характеризующих значимость стенозов: фракционированный резерв кровотока (FFR) и мгновенное безволновое соотношение (iFR). Средняя относительная погрешность вычисления FFR составила 1.3% (ранее 5%). Средняя относительная погрешность вычисления iFR составила 8%. В целом разработанная модель успешно описывает коронарный кровоток в дооперационный, послеоперационный периоды и в отдаленной перспективе, в том числе при остаточной миокардиальной ишемии. Разработаны методы оцифровки изображений перфузионной компьютерной томографии (ПКТ) для получения количественной информации о перфузии миокарда и регистрации этой информации в участках миокарда, дистальных к стенозам коронарных артерий. В разработанной реализации алгоритма используется набор данных ПКТ. Персонализированная модель строится путем выполнения следующих шести этапов: 1) предварительная обработка изображения; 2) сегментация аорты; 3) сегментация стенки левого желудочка; 4) сегментация коронарных артерий и построение трехмерной сети сосудов; 5) выделение стенки левого желудочка; 6) персонализация параметров модели. Метод оцифровки изображений ПКТ был реализован на языке C++ с использованием библиотеки ITK. Стресс-ЭХОКГ является относительно недорогим и простым методом, который обладает высокой специфичностью. Эхокардиография с физической нагрузкой является предпочтительным методом у пациентов, способных к физической нагрузке. Стресс-эхокардиография с добутамином является альтернативой физической нагрузке. Недостатки метода связаны с увеличением поступательного движения и артефактами дыхания, а также с тем что интерпретация результатов стресс-ЭХОКГ требует специальной подготовки операторов. Ультразвуковые контрастные вещества используются для увеличения яркости перфузированной ткани миокарда. С технической точки зрения способность ультразвука визуализировать кровоток зависит от его чувствительности к движущимся целям, вплоть до эффекта Доплера. Таким образом, движение миокарда является основным препятствующим фактором, поскольку оно может затмить перфузию тканей. Для преодоления этой трудности были разработаны эффективные фильтры помех. Затем применяется адаптивный пространственно-временной фильтр для разделения движения тканей и кровотока. В результате становится возможным оценка показателя аналогичного по смыслу трансмуральному перфузионному градиенту, определяемому с помощью ПКТ. Результаты вычислительных экспериментов с использованием данного показателя дали точность вычисления гемодинамических индексов сравнимую с точностью, которая получалась с использованием ТПГ для тех же пациентов в дооперационный, послеоперационный периоды и в долгосрочной (через несколько месяцев) перспективе. Таким образом можно заключить, что данные стресс-ЭХОКГ также допустимо использовать для учета изменений перфузии миокарда. Для всех собранных случаев пациентов были построены индивидуализированные зоны перфузии для серий снимков в покое и при стрессе до ЧКВ, после ЧКВ и через 4-6 месяцев после ЧКВ. Для каждого пациента строились отдельные структуры для покоя и стресса до и после ЧКВ. Для каждого случая производилась оценка гемодинамических индексов FFR, iFR (мгновенное безволновое отношение) и CFR (резерв коронарного потока). Проведён анализ изменения индексов до, после операции и через 4-6 месяцев. Все индексы были вычислены с учетом фактических данных ПКТ о перфузии миокарда. Также использовались вычисленные значения всех коэффициентов, рассчитанные в предположении полностью здоровой зоны микроциркуляции миокарда. Такие исследования невозможно реализовать в клинике и могут быть выполнены только с помощью вычислительных экспериментов. Анализ вариабельности индексов показал, что корреляция между FFR и iFR высокая (более 0.9) во всех случаях. Корреляция между CFR и FFR и между CFR и iFR оказалась низкой (около 0.5) в предоперационный период и высокой (более 0.8) в остальных случаях. Такая взаимосвязь объясняется наличием зон с нарушениями микроциркуляции, находящихся дистальнее стенозированных сосудов. Повышение терминального сопротивления приводит к завышенным значениям давлений на основе которых вычисляются FFR и iFR до и после стенозов как в отсутствии. Потоки, на основе которых вычисляются CFR могут быть как сниженными, так и нормальным в зависимости от степени поражения микроциркуляторного русла. Это в некоторой степени подтверждается и значениями FFR и iFR в отсутствии поражений микроциркуляции (только на основе вычислительных экспериментов): эти значения снижаются и говорят в пользу необходимости стентирования, в то время как при пораженном микроциркуляторном русле они могут быть близки к нормальным. Таким образом, отсутствие данных о перфузии миокарда приводит к неправильной интерпретации клинических данных и недооценке степени гемодинамической тяжести стенозов с последующим неправильным принятием решения об отсутствии необходимости проведения ЧКВ, что и обуславливает основной риск долгосрочных постоперационных осложнений. В большинстве рассмотренных случаев наблюдалось многососудистое поражение коронарного русла. В таких ситуациях требуется учитывать «взаимодействие» стенозов и влияние микроциркуляторной дисфункции. Вычислительные эксперименты позволили выявить ситуации, когда стентирование одних стенозов приводит как к улучшению, так и к ухудшению кровотока в соседних стенозированных ветвях. Однозначное ранжирование факторов риска постоперационных осложнений на основе гемодинамических индексов и распределения трансмурального перфузионного градиента вряд ли возможно. Однако такой анализ может быть проведен для каждого случая индивидуально с использованием серии вычислительных экспериментов по анализу FFR, CFR и iFR в вероятных и не реализуемых для данного пациента ситуациях. В результате ограничений, связанных с COVID-19, действовавших в Китае до конца августа 2023 года, сбор данных пациентов китайской стороной не производился. Были проведены исследования, которые позволили повысить качество моделей. Зарубежным коллективом была разработана осредненная модель системного кровотока и коронарного русла, позволяющая повысить точность моделирования терминальных граничных условий в области микроциркуляции для используемой в проекте одномерной модели. Была разработана установка для лабораторных исследований пульсирующих течений жидкости в упругой трубке с пережатием, моделирующей стеноз. Установка имитирует артерии с помощью силиконовых трубок и позволяет регулировать периодический поток жидкости на входе и гидродинамические сопротивления на выходах из сети сосудов. Создана модель дуги аорты и основных коронарных артерий. С помощью модели была проанализирована чувствительность измерения FFR с помощью внутрисосудистого датчика. Погрешность измерения FFR с помощью внутрисосудистого датчика по сравнению с неинвазивным измерением при увеличении степени пережатия трубки возрастает. Такого рода исследования ранее не проводились.