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 21-75-10128
НазваниеТранскатетерный полимерный протез митрального клапана генеративного дизайна на основе машинного обучения
Руководитель Овчаренко Евгений Андреевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний" , Кемеровская обл (Кузбасс)
Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-701 - Медицинская техника
Ключевые слова протезы клапанов сердца, полимерный клапан сердца, транскатетерный протез митрального клапана, транскатетерная терапия, полимерный клапан, нанокомпозиты, углеродные нанотрубки, генеративный дизайн, машинное обучение, глубокая нейронная сеть, обучение с подкреплением, разработка устройства
Код ГРНТИ76.09.41
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Пороки митрального клапана сердца в настоящее время являются второй по частоте клапанной патологией и выходят на первое место у лиц старше 55 лет. Единственным эффективным способом их лечения сегодня считается хирургическое вмешательство, однако до половины пациентов имеют противопоказания к открытой операции из-за высоких рисков, связанных с тяжестью состояния. В то же время летальность у таких пациентов достигает 50% в течение 5 лет наблюдения с момента постановки диагноза.
Современные подходы малоинвазивной хирургии сердечно-сосудистых патологий, в частности стеноза клапана аорты, с использованием транскатетерного способа имплантации (TAVR), продемонстрировали крайне эффективные результаты и высокую безопасность, что позволило им стать новым стандартом лечения. Успехи данного метода протезирования предопределили высокие ожидания специалистов в отношении появления аналогичной технологии для другой клапанной позиции – лечения пороков митрального клапана (TMVR). Большинство иностранных производителей кардиоваскулярных медицинских изделий в мире в настоящий момент заняты разработкой новых TMVR-протезов, однако, доступные для коммерческого применения устройства на сегодняшний день отсутствуют. Разработка TMVR-протеза существенно затруднена его технической сложностью, анатомией доступа и биомеханикой митрального клапана, а также необходимостью обеспечения безопасности (циклостойкости) в течение 5 и более лет функционирования. Создание подходов к проектированию подобных устройств на основании теории биотехнических систем, а также конструирование конченого медицинского изделия с валидацией его безопасности являются актуальной нерешенной задачей.
Два из основных технических ограничений разработки TMVR – диаметр при сжатии в катетер и необходимость обеспечить длительную усталостную прочность – могут быть преодолены за счет использования прочного и долговечного материала створчатого аппарата – эластичного биосовместимого полимера. Более того, в целом, создание полимерного протеза клапана сердца представляет собой самостоятельную задачу, решение которой приведет к появлению протезов следующего поколения, сочетающих преимущества как биологических, так и механических заменителей. Однако поиск и обоснование выбора подобного материала являются нерешенной научной задачей, что обусловлено специфическими требованиями к изделиям длительного контакта с кровью: обеспечения оптимального баланса между биосовместимостью, биостабильностью и механическими свойствами полимера. Современные исследования описывают перспективные группы полимеров, однако в большинстве случаев они не удовлетворяют всем описанным критериям. Проанализировав данные литературы, мы остановили свой выбор на триблок-сополимерах стирола и изобутилена (SIBS) и гидрогелях поливинилового спирта (PVA), и полагаем, что модифицирование их состава и структуры, с использованием оптимальных условий синтеза в сочетании с филлерами в виде углеродных нанотрубок, позволят решить поставленную практическую задачу или приблизиться к ее решению. В то же время процесс выбора материала и методология исследования его функциональных свойств обуславливает научную новизну исследований и соответствует современным трендам науки.
Использование полимеров или полимерных нанокомпозитов в качестве основы створчатого аппарата протеза клапана сердца открывает возможности для изменения парадигмы их проектирования. Существующие на сегодняшний день биопротезы выполнены на основе биологической ткани, представляющей собой планарный материал с нерегулируемой толщиной и структурой. В то же время возможность формирования геометрии створчатого аппарата посредством отливки, напыления и/или 3D печати позволяет оптимизировать конструкцию за счет варьирования толщины и воссоздания поддерживающих анатомических структур (как у митрального клапана). Таким способом может быть оптимизировано напряженно-деформированное состояние (а в конечном счете долговечность), а также снижены объемы материала в функционально ненагруженных зонах, что важно для уменьшения профиля доставочной системы. Текущие разработки в области средств автоматизированного проектирования и компьютерного моделирования, в частности развитие подходов пациент специфического FSI-моделирования (моделирование взаимодействия твердого тела и гидродинамики), позволяют создавать качественные параметризованные модели и прогнозировать их эффективность по ряду контрольных показателей, однако возрастающее количество параметров в итеративном дизайне делает этот процесс крайне трудозатратным и долгим. В связи с этим в настоящем проекте мы предлагаем разработку и исследование алгоритмов генеративного дизайна на основе машинного обучения. Предполагается как создание непосредственно параметризованного генератора моделей, так и блока отбора моделей на основе нейронных сетей глубокого обучения, генетического алгоритма, генеративно-состязательных сетей. Исследование работы подобных сетей, выбор и оптимизация их топологии и параметров, являются актуальной научной задачей, поскольку на сегодняшний день не существует реализованных алгоритмов, способных эффективно проектировать и оптимизировать конструкцию протезов клапанов сердца. Более того, дизайн настоящего исследования предполагает исследование TMVR- протеза, построенного с использованием данного алгоритма, что позволит валидировать концепцию генеративного дизайна. На сегодняшний день в мировой практике не описаны работы, демонстрирующие трансляцию генеративного дизайна в кардиоваскулярные медицинские изделия.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ