Персонализированное 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

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 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

Руководитель Карпенко Андрей Анатольевич, Доктор медицинских наук

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

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 слова Атеросклероз, 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

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).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Попова И.В., Игнатенко П.В., Рабцун А.А., Саая Ш.Б., Бугуров С.В., Соборов М.А., Попов В.В., Дюсупов А.А., Карпенко А.А. Результаты эндопротезирования аневризмы брюшной аорты Ангиология и сосудистая хирургия, Т. 27, №4, 1-10 (год публикации - 2021)
10.33529/ANGIO2021402

2. Липовка А.И., Карпенко А.А., Чупахин А.П., Паршин Д.В. Исследование прочностных свойств сосудов абдоминального отдела аорты: результаты экспериментов и перспективы Прикладная механика и техническая физика, – 2022. – Т. 63. – №. 2. – С. 84-93 (год публикации - 2022)

3. Федотова Я.В., Епифанов Р.Ю., Карпенко А.А. и Мулляджанов Р.И. Automatically hemodynamic analysis of AAA from CT images based on deep learning and CFD approaches IOP Publishing, Т. 2119, №. 1, С. 012069 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2119/1/012069

4. Тихвинский Д.В., Мержоева Л.Р., Чупахин А.П., Карпенко А.А и Паршин Д.В. Computational analysis of the impact of aortic bifurcation geometry to AAA haemodynamics Walter de Gruyter GmbH, Т. 37, №. 5, С. 311-329 (год публикации - 2022)
10.1515/rnam-2022-0026

5. Епифанов Р.Ю., Никитин Н.А., Рабцун А.А., Курдюков Л.Н., Карпенко А.А., Мулляджанов Р.И. Adjusting U-Net for the aortic abdominal aneurysm CT segmentation case Компьютерная оптика (год публикации - 2024)

6. Васюткин С.А., Чупахин А.П. Traveling waves in hemodynamic equation with the Koiter shell Mathematical Modelling of Natural Phenomena (год публикации - 2024)
10.1051/mmnp/2023032

7. Осипова О.С., Рабцун А.А., Ефимова-Сякина К.А., Чебан А.В., Гостев А.А., Саая Ш.Б., Игнатенко П.В., Карпенко А.А. Ранние и среднесрочные результаты эндопротезирования аневризм брюшной аорты с неблагоприятной анатомией проксимальной зоны фиксации эндографта. Ангиология и сосудистая хирургия. Журнал имени академика А.В. Покровского (год публикации - 2023)

8. Федотова Я.В., Амелина Е.В., Мулляджанов Р.И., Карпенко А.А. Алгоритм оценки лохматости просвета брюшной аорты на основе трехмерного анализа морфологии Прикладная механика и техническая физика (год публикации - 2024)

9. Федотова Я.В., Епифанов Р.Ю., Волкова И.И., Маус М.С., Никитин Н.А., Айвазов С.А., Хребтов М.Ю., Карпенко А.А., Мулляджанов Р.И. Персонализированное численное моделирование гемодинамики аневризмы брюшной аорты: анализ чувствительности к входным граничным условиям Теплофизика и аэромеханика (год публикации - 2024)

10. Борисова К.А., Федотова Я.В., Карпенко А. А., Мулляджанов Р.И. Localized growth distribution on the abdominal aortic aneurysm surface using deep learning approaches E3S Web of Conferences, Article number 02006, Volume 459, 5 p (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202345902006

Публикации