Исследование механизмов и определяющих факторов остаточной миокардиальной ишемии после лечения стенозов коронарных артерий с помощью вычислительных биомеханических моделей, основанных на мультимодальных медицинских изображениях

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 21-41-00029

НазваниеИсследование механизмов и определяющих факторов остаточной миокардиальной ишемии после лечения стенозов коронарных артерий с помощью вычислительных биомеханических моделей, основанных на мультимодальных медицинских изображениях

Руководитель Симаков Сергей Сергеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительной математики им. Г.И. Марчука Российской академии наук , г Москва

Конкурс №52 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-205 - Математические модели в науках о живом

Ключевые слова чрезкожное коронарное вмешательство, шемическая болезнь сердца, миокардиальная ишемия, миокардиальная перфузия, математическое моделирование, сегментация медицинских изображений

Код ГРНТИ27.35.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен исследованию причин остаточной ишемии миокарда после чрезкожного коронарного вмешательства (ЧКВ) при ишемической болезни сердца (ИБС) с помощью персонализированных вычислительных биомеханических моделей. Данные модели будут построены с использованием мультимодальных медицинских изображений. Построенные персонализированные модели будут также использованы для прогнозирования исхода ЧКВ и для исследования значимых различий в этиологии ИБС между российскими и китайскими когортами пациентов. Ишемическая болезнь сердца (ИБС) является ведущей причиной смертности во всем мире, на ее долю приходится 12.8% всех смертей. Единственный подход к лечению ИБС - это использование ЧКВ, при этом остаточная ишемия (субоптимальная перфузия) миокарда сохраняется примерно у 30-50% пациентов даже после успешного ЧКВ. Исследования показали, что пациенты с остаточной ишемией миокарда имеют повышенный риск повторного стеноза сосудов и неблагоприятных сердечных событий, приводящих к повторным госпитализациям или смертности. В этом контексте выявление пациентов с потенциальной ишемией миокарда после ЧКВ становится актуальной проблемой в клинической практике. Исследования, посвященные изучению механизмов и определяющих факторов ишемии миокарда после ЧКВ, показали, что остаточный стеноз и дисфункция коронарной микроциркуляции являются прогностическими факторами ишемии миокарда после ЧКВ. В последние годы все большую привлекательность приобретает сочетание ангиографического исследования с перфузией миокарда или измерением миокардиального кровотока при обследовании больного с ИБС. Недавно было высказано предположение, что включение постинтервенционного фракционного резерва кровотока (ФРК) и/или коронарного резерва потока (КРК) в оценку ИБС может предоставить дополнительную информацию для улучшения процесса принятия решений о тактике лечения. Несмотря на растущее понимание механизмов ишемии миокарда после ЧКВ, совершенствование стратегий комплексной оценки ИБС и совершенствование методов измерений связана с трудностью количественной оценки вклада различных факторов риска в выявленную ишемию миокарда после ЧКВ. Рутинные измерения коронарных артерий и перфузии миокарда в клинических условиях основаны на изображениях, обеспечивающих только качественную или полуколичественную оценку функционального состояния коронарного кровообращения. Однако, клиницистам необходимо знать точные причины ишемии миокарда после ЧКВ, чтобы улучшить стратификацию риска и применить терапию, специфичную для конкретного пациента. Дисфункция коронарной микроциркуляции, которая была выявлена более чем у 50% пациентов с подозрением на ИБС, является важным фактором развития посттравматической ишемии миокарда и предиктором неблагоприятных сердечных событий, при этом коронарную микроциркуляцию нельзя оценить с помощью методов медицинской визуализации, доступных в клинических условиях. Все эти проблемы в значительной степени затрудняют правильную диагностику пациентов с остаточной ишемией миокарда после ЧКВ, оставляя большую часть пациентов с высоким риском без лечения. Мы предлагаем новый метод получения количественных оценок влияния различных факторов риска для клинически выявленной ишемии миокарда после ЧКВ. Метод основан на интеграции клинических данных с вычислительной биомеханической моделью коронарного кровообращения. Все необходимые клинические данные будут измеряться неинвазивными методами, включая коронарную КТ ангиографию (ККТА), эхокардиографию, динамическую магнитно-резонансную томографию сердца (ДМРТ), а также перфузионную компьютерную томографию (ПКТ). В вычислительной модели все основные определяющие факторы перфузии миокарда будут представлены параметрически и персонализированы на основе данных, извлеченных из мультимодальных медицинских изображений. Полученная модель будет служить математическим инструментом для прогнозирования изменений коронарной гемодинамики до и после ЧКВ (включая такие функциональные показатели, как ФРК и КРК) и перфузии миокарда, а также для изучения специфической для пациента этиологии ишемии миокарда после ЧКВ путем количественной оценки вклада различных сердечно-сосудистых факторов в перфузию миокарда. Китайские и российские исследователи, участвующие в проекте, ранее провели множество исследований по тематике проекта. В последние четыре года обе команды работали совместно над различными вопросами, связанными с основами, диагностикой или лечением ИБС (например, распределение кровотока в миокарде, анализ чувствительности ФРК и КРК, прогнозирование ФРК на основе медицинских изображений и других неинвазивных клинических данных), совместно опубликовали шесть журнальных статей и успешно завершили российско-китайский проект, создав прочную основу для дальнейшего сотрудничества. В настоящем проекте исследовательские задачи будут разделены и распределены с учетом задела и технических преимуществ каждой группы. Китайская группа разработает вычислительную модель левого желудочка для вычисления давления в миокарде, разработает алгоритмы настройки параметров коронарных микрососудов и выполнит количественную оценку вклада различных факторов в перфузию миокарда. Российская группа разработает алгоритмы и программное обеспечение для обработки медицинских изображений, построит вычислительную модель коронарного кровообращения, учитывающую микроциркуляцию, и разработает методы персонализации модели коронарного кровообращения. Группы совместно разработают алгоритмы комбинирования моделей кровотока в магистральных коронарных артериях и перфузии миокарда. Клиницисты обеих групп будут набирать пациентов и собирать клинические данные. Эти данные позволят изучить применимость предложенного метода к российским и китайским пациентам, а также рассмотреть различия или общие черты в этиологии ишемии миокарда после ЧКВ между двумя когортами пациентов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Симаков С.С., Гамилов Т.М., Лианг Ф., Гониева Д.Г., Гаппоева М.К., Копылов Ф.Ю. Numerical evaluation of the effectiveness of coronary revascularization Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling, 36(5),303-312 (год публикации - 2021)
10.1515/rnam-2021-0025

2. Симаков С.С. Новые граничные условия для одномерных сетевых моделей гемодинамики Журнал вычислительной математики и математической физики, 61(12), 2109-2124 (год публикации - 2021)
10.31857/S0044466921120139

3. Гамилов Т., Лианг Ф., Копылов Ф., Кузнецова Н., Рогов А., Симаков С. Computational Analysis of Hemodynamic Indices Based on Personalized Identification of Aortic Pulse Wave Velocity by a Neural Network Mathematics, 11(6), 1358 (год публикации - 2023)
10.3390/math11061358

4. Данилов А.А., Гмилов Т.М., Лианг Ф., Реброва А.А., Чомахидзе П.Ш., Копылов Ф.Ю., Бравый Я.Р., Симаков С.С. Myocardial perfusion segmentation and partitioning methods in personalized models of coronary blood flow Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling, 38(5), 293-302 (год публикации - 2023)
10.1515/rnam-2023-0022

5. Симаков С.С., Гамилов Т.М., Лианг Ф., Чомахидзе П.Ш., Копылов Ф.Ю. Validation of boundary conditions for coronary circulation model based on a lumped parameter approach Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling, 38(3), 161-172 (год публикации - 2023)
10.1515/rnam-2023-0013

6. Куй В., Ванг Т., Ксю З, Лью Дж., Симаков С., Лианг Ф. A numerical study of the hemodynamic behavior and gas transport in cardiovascular systems with severe cardiac or cardiopulmonary failure supported by venoarterial extracorporeal membrane oxygenation Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 11 (год публикации - 2023)
10.3389/fbioe.2023.1177325

7. Ли С., Симаков С., Лию Ю, Лию Т., Ванг Т., Лианг Ф. The Influence of Aortic Valve Disease on Coronary Hemodynamics: A Computational Model-Based Study Bioengineering, 10(6), 709 (год публикации - 2023)
10.3390/bioengineering10060709

8. Симаков С.С. Анализ использования одномерных сетевых моделей кровотока для оценки гемодинамических коэффициентов в стенозированных коронарных артериях Прикладная механика и техническая физика (год публикации - 2024)

9. Першина Е., Копылов Ф., Гаппоева М., Чомахидзе П., Синицын В. Computed tomography perfusion or fractional flow reserve-computed tomography to assess the significance of stenosis: Literature review The British Journal of Radiology, 2023, 10.1093/bjr/tqad002 (год публикации - 2023)
10.1093/bjr/tqad002

10. Симаков С.С., Гамилов Т.М., Данилов А.А., Лианг Ф., Чомахидзе П.Ш., Гаппоева М.К., Реброва А.А., Копылов Ф.Ю. Personalized computational estimation of relative change in coronary blood flow after percutaneous coronary intervention in short–term and long–term perspectives Russian Journal of Numerical Analasys and Mathematical Modelling, Т. 37, №. 5, С. 1-13 (год публикации - 2022)
10.1515/rnam-2022-0024

Публикации