Разработка и обоснование прогностической методики оценки риска окклюзии сосудистого протеза для персонифицированной медицины

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 20-65-47018

НазваниеРазработка и обоснование прогностической методики оценки риска окклюзии сосудистого протеза для персонифицированной медицины

Руководитель Хубулава Геннадий Григорьевич, Доктор медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И.П. Павлова" Министерства здравоохранения Российской Федерации , г Санкт-Петербург

Конкурс №47 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации (междисциплинарные проекты)»

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

Ключевые слова Прогностическая методика, протез сосуда, неоинтима, бедренно-подколенное шунтирование, гемодинамика, численное моделирование, вихреразрешающие методы, валидация моделей, полевой оптический метод, гидродинамическая устойчивость, отрыв потока.

Код ГРНТИ76.29.30

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание научных основ, вычислительного инструментария и уникального экспериментального обеспечения для разработки прогностической методики оценки риска окклюзии сосудистых протезов, востребованной развитием персонифицированной медицины. Междисциплинарный проект состоит из двух тесно связанных между собой частей, выполняемых в сотрудничестве двумя научными группами – персонифицированной медицины, и турбулентности и гидродинамической устойчивости. Первая группа включает сотрудников Первого Санкт-Петербургского медицинского университета им. акад. И.П.Павлова и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, вторая - Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр Российской академии наук», Казанского (Приволжского) федерального университета и Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н.Туполева – КАИ. Первая часть проекта – разработка и формулировка алгоритма интеграции вычислительного инструментария и клинических данных для практической реализации прогностической методики, обеспечивающей пациент-ориентированную оценку риска окклюзии сосудистого протеза после бедренно-подколенного шунтирования. Разрабатываемая методика опирается на результаты анализа данных клинического наблюдения нескольких десятков пациентов в течение длительного времени, включающего регулярные измерения локальной толщины неоинтимы в области шва, с применением тест-объекта для тестирования ультразвуковых измерительных методик; разработку вычислительных моделей и проведение высокоточных пациент-ориентированных расчетов трехмерной нестационарной гемодинамики анастомозов бедренных артерий на основе данных, полученных из клиники для нескольких десятков пациентов; выбор и обоснование интегральных и локальных параметров пристенной гемодинамики, существенно влияющих на скорость субинтимальной гиперплазией; построение корреляционных зависимостей, связывающих гемодинамические параметры с изменением толщины неоинтимы. Вторая часть - экспериментальное изучение вихревой и турбулентной структуры течения в области дистального конца анастомоза протеза при бедренно-подколенном шунтировании на моделях, отражающих реальную среднестатистическую геометрию изучаемых сосудов и реальную динамику кровотока в них в течение сердечного циклапериода сердцебиения. Методами прямого численного моделирования экспериментальные данные будут дополнены до трехмерной картины, которая позволит глубже понять механизмы перераспределения напряжений кровотока и возникновения гидродинамической неустойчивости и локальной турбулентности при нестационарном ламинарном и переходном режимах кровотока в сосудах, осложненного отрывом и присоединением потока в области соединения сосудов. Полученная экспериментальная информация предназначена для валидации разрабатываемых специалистами первой группы вихреразрешающих методов расчета трехмерных полей скорости и напряжений кровотока для применения к пациент-ориентированным ¬¬расчетам персонифицированной медицины. Совместная работа обоих групп предусматривает разработку и всестороннюю валидацию вихреразрешающих методов расчета трехмерного нестационарного поля скорости и пристенных напряжений кровотока, а также выявление взаимосвязи разномасштабных трехмерных нестационарных вихревых структур и локализованных в пространстве и времени областей турбулентности с изменениями геометрии стенки, обусловленных ее эластичностью и нарастанием неоитимы. Поставленная общая задача проекта по формированию научных основ для разработки прогностической методики оценки риска окклюзии сосудистых протезов является существенно новой в обеих ее частях. Актуальность проекта определяется нарастанием количества пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями, в том числе увеличением объема больных с атеросклеротическими поражениями артерий нижних конечностей, приводящими к тяжелой ишемии и угрожающими потерей конечности. Вопрос причин формирования и роста неоинтимы в дистальном анастомозе синтетического шунта не решен и становится ключевым для решения задачи увеличения продолжительности его функционирования. Изучение особенностей гемодинамики в зоне анастомоза и приобретение знаний о взаимосвязи роста неоинтимы и характеристик потока крови в этой зоне, является востребованным и перспективным звеном в улучшении отдаленных результатов шунтирования. Научная значимость проекта обусловлена отсутствием клинически обоснованных корреляционных зависимостей скорости субинтимальной гиперплазии и параметров кровотока в анастомозах протезов бедренной артерии, необходимых для построения достоверных прогностических методик, и потребностью в высокоточных вычислительных моделях существенно нестационарного и неустойчивого кровотока, которые специально валидированы применительно к условиям течения в анастамозе и, вместе с тем, являются экономически приемлемыми для персонифицированной медицины (не требуют ресурсоемких суперкомпьютерных вычислений). Проект предусматривает согласованные клинические, экспериментальные и расчетные исследования. Клинические исследования проводятся на современном оборудовании методами ультразвукового триплексного сканирования и МСКТ-ангиографии с использованием авторского протокола послеоперационного наблюдения пациентов и измерения параметров геометрии, гемодинамики и стенки сосуда. Тестирование клинических ультразвуковых измерений проводится на авторских ультразвуковых тканеэквивалентных тест-объектах. Экспериментальные исследования проводятся с использованием уникального авторского высокоточного метода измерения динамики векторных полей скорости и завихренности потока методом SIV (Smoke Image Velocimetry). Расчетные исследования проводятся с использованием современных открытых (OpenFOAM), коммерческих (ANSYS CFD) и авторских (SINF) гидродинамических кодов. Применяются как квазиламинарные, так и современные вихреразрешающие подходы: прямое численное моделирование - DNS (Direct Numerical Simulation) и различные реализации метода моделирования крупных вихрей - LES (Large Eddy Simulation), а также метод сопряженных расчетов динамики жидкости и механики деформируемого твердого тела – FSI (Fluid Structure Interaction).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Иванова Я.Ф., Юхнев А.Д., Гатаулин Я.А., Смирнов Е.М., Врабий А.А., Вавилов В.Н. Numerical and experimental study of the 3D flow in a graft-artery junction model Journal of Physics: Conference Series 1675, 012003, 1675, 012003 (2020) (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1675/1/012003

2. Иванова Я.Ф., Юхнев А.Д., Гатаулин Я.А., Смирнов Е.М., Врабий А.А., Вавилов В.Н. Численное и экспериментальное моделирование течения в месте соединения кровеносного сосуда с протезом Тезисы докладов V Всероссийская научная конференция с элементами школы молодых учёных ТЕПЛОФИЗИКА и ФИЗИЧЕСКАЯ ГИДРОДИНАМИКА, Ялта, 13-20 сентября 2020, с.26 (год публикации - 2020)

3. Гатаулин Я.А., Смирнов Е.М. A flow in the blood vessel with a one-side stenosis: numerical study of the structure and local turbulization St. Petersburg Polytechnical State University Journal. Physics and Mathematics, №1, V,14 (1), pp.69–80 (год публикации - 2021)
10.18721/JPM.14105

4. Иванова Я.Ф., Тихомолова Л.Г., Юхнев А.Д., Гатаулин Я.А., Врабий А.А., Калмыкова Р.В., Морозов А.Н., Супрунович А.А., Хубулава Г.Г., Вавилов В.Н. Patient-specific simulation of the blood flow in a proximal femoral artery-graft junction Journal of Physics: Conference Series, 1959 (2021) 012025 pp.1-6 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1959/1/012025

5. Шерстнева М.А., Врабий А.А., Смирнов Е.М., Юхнев А.Д. Numerical simulation of the branching blood flow in a model of the femoral artery-graft junction Journal of Physics: Conference Series, 2088 (2021) 012043 pp.1-6 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2088/1/012043

6. Супрунович А.А., Бедров А.Я., Врабий А.А., Моисеев А.А., Байкова А.В., Калмыкова Р.В., Должикова А.С. К вопросу о критическом артериальном стенозе Ученые записки СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова, №2, T.28, С.9–16 (год публикации - 2021)
10.24884/1607-4181-2021-28-2-9-16

7. Тихомолова Л.Г., Иванова Я.Ф., Юхнев А.Д., Гатаулин Я.А., Смирнов Е.М., Калмыкова Р.В., Морозов А.Н., Супрунович А.А., Врабий А.А., Хубулава Г.Г. Пациент-ориентированный расчет кровотока в месте соединения кровеносного сосуда с протезом Материалы международной научной конференции по механике «IX Поляховские чтения», 9–12 марта 2021 г., Санкт–Петербург, Россия, С.422-424 (год публикации - 2021)

8. Шерстнева М.А., Врабий А.А., Смирнов Е.М., Юхнев А.Д. Численное моделирование разветвляющегося кровотока в месте соединения бедренной артерии и сосудистого протеза Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках (18-21 октября 2021): материалы VIII международной конференции. – М.: Издательство МЭИ, 2021, С.155-157 (год публикации - 2021)

9. Иванова Я. Ф., Тихомолова Л.Г., Юхнев А.Д., Врабий А.А., Калмыкова Р.В., Морозов А.Н., Супрунович А.А. Пациент-ориентированные расчеты кровотока в проксимальном анастомозе при бедренно-подколенном шунтировании ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции 18–22 октября 2021 г. — СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2021., С.483-484 (год публикации - 2021)

10. Тихоиолова Л.Г., Юхнев А.Д. Investigation of the branching fluid flow in a blood vessel model with ultrasound high-frame rate vector flow imaging technique Book of abstracts of L International conference Advanced problems in mechanics 21-23 June 2022, SPb, P.77 (год публикации - 2022)

11. Иванова Я.Ф., Юхнев А.Д., Тихомолова Л.Г., Смирнов Е.М., Врабий А.А., Супрунович А.А., Морозов А.Н., Хубулава Г.Г., Вавилов В.Н. Experience of Patient-specific CFD Simulation of Blood Flow in Proximal Anastomosis for Femoral-Popliteal Bypass MDPI Fluids, Volume 7, Issue 10, 314 (год публикации - 2022)
10.3390/fluids7100314

12. Гатаулин Я. А., Смирнов Е. М., Молочников В. М., Михеев А. Н. Структура турбулентного течения с локальной турбулентностью в области разветвления канала круглого сечения Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, 4 выпуск¸ 61 том (год публикации - 2022)

13. Иванова Я.Ф., Юхнев А.Д., Тихомолова Л.Г., Смирнов Е.М., Врабий А.А., Супрунович А.А., Морозов А.Н., Хубулава Г.Г., Dynamics of branching blood flows at artery-bypass junctions with and without tissue overgrowth: patient-specific CFD simulation Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки (год публикации - 2023)

14. Маринова А.А., Иванова Я.Ф., Гатаулин Я.А. Численное исследование рециркуляционной зоны в модели анастомоза бедренной артерии Неделя науки ФизМех: сборник статей Всероссийской научной конференции, 4–9 апреля 2022 г., c.319-321 (год публикации - 2022)

15. Иванова Я.Ф., Юхнев А.Д., Тихомолова Л.Г., Смирнов Е.М., Врабий А.А. Пациент-ориентированные расчеты кровотока при бедренно-подколенном шунтировании Неделя науки ФизМех: сборник статей Всероссийской научной конференции, 4–9 апреля 2022 г., с. 319-321 (год публикации - 2022)

16. Тихомолова Л.Г. Исследование структуры пульсирующего течения в модели ответвления протеза от бедренной артерии методом ультразвуковой векторной визуализации Неделя науки ФизМех: сборник статей Всероссийской научной конференции, 4–9 апреля 2022 г., с.331-334 (год публикации - 2022)

17. Иванова Я.Ф., Юхнев А.Д., Смирнов Е.М., Тихомолова Л.Г., , Врабий А.А., Супрунович А.А., Морозов А.Н., Хубулава Г.Г., Вавилов В.Н. Patient-specific simulation aimed at evaluation of the neointima growth effect on anastomosis hemodynamics Abstract book of 27th Congress of the European Society of Biomechanics, June 26-29, 2022, Porto, Portugal., P.545. (год публикации - 2022)

18. Иванова Я.Ф., Юхнев А.Д., Тихомолова Л.Г., Смирнов Е.М., Врабий А.А., Супрунович А.А., Морозов А.Н., Хубулава Г.Г., Вавилов В.Н. Оценка влияния роста неоинтимы на гемодинамику в области анастомоза: пациент-ориентированные расчёты Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тезисы докладов XVI Всероссийской школы, пос. Дивноморское, 26 мая - 31 мая 2022 г, С.38. (год публикации - 2022)

19. Хубулава Г.Г., Врабий А.А., Морозов А.Н., Супрунович А.А., Вавилов В.Н., Иванова Я.Ф., Смирнов Е.М., Тихомолова Л.Г., Юхнев А.Д. Оценка изменений гемодинамики в зоне анастомоза на основе математического моделированияпри развитии гиперплазии неоинтимы Ангиология и сосудистая хирургия. 2022, Т.28. №1. Приложение: Материалы XXXVII международной конференции Горизонты современной ангиологии, сосудистой хирургии и флебологии, 17-19 июня 2022 г. Кисловодск., С.273-274. (год публикации - 2022)

20. Тихомолова Л. Г., Юхнев А.Д. Опыт применения нового ультразвукового метода Vector Flow для исследования разветвляющегося течения жидкости в модели кровеносного сосуда ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции 17–21 октября 2022 г., С.436-437 (год публикации - 2022)

21. Иванова Я. Ф., Юхнев А.Д., Тихомолова Л.Г., Смирнов Е.М., Врабий А.А., Супрунович А.А., Морозов А.Н., Хубулава Г.Г., Вавилов В.Н Гемодинамика при гиперплазии неоинтимы в синтетических протезах сосудов: пациент-ориентированные расчеты ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции 17–21 октября 2022 г., С.477-478. (год публикации - 2022)

22. А.Д.Юхнев, А.А.Маринова, Е.М.Смирнов, Я.А.Гатаулин, Л.Г.Тихомолова, А.А.Врабий, А.А.Супрунович Исследование структуры кровотока в персонифицированных моделях ответвления шунта от бедренной артерии Российский журнал биомеханики (год публикации - 2023)

23. Смирнов Е.М., Гатаулин Я.А., Паерелий А.А., Пашкова Н.Д. Физическое и численное моделирование пульсирующего кровотока в месте дистального соединения шунта и бедренной артерии по типу конец-в-бок сборнике тезисов XIII Всероссийского съезда по теоретической и прикладной механике (год публикации - 2023)

24. Юхнев А.Д., Тихомолова Л.Г., Маринова А.А., Гатаулин Я.А., Смирнов Е.М., Врабий А.А., Супрунович А.А. Исследование кровотока в месте ответвления шунта от бедренной артерии методами ультразвуковой векторной визуализации и численного моделирования Сборник тезисов XIII Всероссийского съезда по теоретической и прикладной механике (год публикации - 2023)

25. Л.В. Мальсагова, Л.Г. Тихомолова ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТЕЧЕНИЯ В МОДЕЛИ ОТВЕТВЛЕНИЯ СОСУДИСТОГО ПРОТЕЗА ОТ АРТЕРИИ МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВЕКТОРНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ Неделя науки ФизМех: сборник материалов Всероссийской научной конференции, 3–7 апреля 2023 г., стр. 337-340 (год публикации - 2023)

26. А.А. Маринова, Л.Г. Тихомолова, А.Д. Юхнев, А.А. Врабий ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КРОВОТОКА В ПЕРСОНИФИЦИРОВАННЫХ МОДЕЛЯХ АНАСТОМОЗА БЕДРЕННОЙ АРТЕРИИ Неделя науки ФизМех : сборник материалов Всероссийской научной конференции, 3–7 апреля 2023 г, стр. 360-363 (год публикации - 2023)

27. Л.Г. Тихомолова, А.Д. Юхнев, А.А.Врабий, А.А.Супрунович Ультразвуковое исследование структуры кровотока методами высокоскоростной векторной визуализации и цветового доплеровского картирования Тезисы докладов Пятой международной конференции «Физика — наукам о жизни» со школой молодых ученых. — СПб.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2023., стр.74 (год публикации - 2023)

28. Тихомолова Л. Г., Маринова А. А., Юхнев А. Д., Врабий А. А. АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЙ КРОВОТОКА В ЗОНЕ ПРОКСИМАЛЬНОГО АНАСТОМОЗА БЕДРЕННО- ПОДКОЛЕННОГО ШУНТА НА ОСНОВЕ ПАЦИЕНТ-ОРИЕНТИРОВАННЫХ РАСЧЕТОВ Трансляционная медицина, Приложение №2, стр.87 (год публикации - 2023)

29. Гатаулин Я.А., Смирнов Е.М., Тимофеева Д.М., Молочников В.М., Михеев А.Н. Modeling of 3D Laminar Flow in the Branching Area of a Circular-Section Channel AIP CONFERENCE PROCEEDINGS (год публикации - 2024)

Публикации