Транскатетерный полимерный протез митрального клапана генеративного дизайна на основе машинного обучения

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

Публикации

1. Резвова М.А., Никишев П.А., Макаревич М.И., Глушкова Т.В., Клышников К.Ю., Акентьева Т.Н., Ефимова О.С., Никитин А.П., Малышева В.Ю., Матвеева В.Г., Сенокосова Е.А., Ханова М.Ю., Данилов В.В., Русаков Д.М., Исмагилов З.Р., Костюк С.В., Овчаренко Е.А. Biomaterials Based on Carbon Nanotube Nanocomposites of Poly(styrene-b-isobutylene-b-styrene): The Effect of Nanotube Content on the Mechanical Properties, Biocompatibility and Hemocompatibility Nanomaterials, Том 12, №5, стр. 733 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12050733

2. Овчаренко Е.А., Клышников К.Ю., Онищенко П.С. Исследование биомеханики створчатого аппарата протеза клапана сердца методом численного моделирования Современные технологии в медицине, №2, том 14, стр. 6-15 (год публикации - 2022)
10.17691/stm2022.14.2.01

3. Онищенко П.С., Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Барбараш Л.С. Алгоритм автоматической генерации и оценки моделей створчатых аппаратов протезов клапанов сердца Современные технологии в медицине, №4, том 14, стр. 6-16 (год публикации - 2022)
10.17691/stm2022.14.4.01

4. Овчаренко Е.А., Онищенко П.С., Клышников К.Ю. Оптимизация биологического створчатого аппарата протеза клапана сердца Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний, №2, том 11, стр. 39-48 (год публикации - 2022)
10.17802/2306-1278-2022-11-2-39-48

5. Резвова М.А., Клышников К.Ю., Грицкевич А.А., Овчаренко Е.А. Polymeric Heart Valves Will Displace Mechanical and Tissue Heart Valves: A New Era for the Medical Devices International Journal of Molecular Sciences, №4 Том: 24, страницы: 3963 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24043963

6. Данилов В.В., Клышников К.Ю., Онищенко П.С., Пруцкий А., Ганкин Ю., Мельгани Ф., Овчаренко Е.А. Perfect prosthetic heart valve: generative design with machine learning, modeling, and optimization Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, №11, стр. 1238130 (год публикации - 2023)
10.3389/fbioe.2023.1238130

Публикации