Гемореологическое моделирование течений в коронарных артериях для нужд персонифицированной диагностики и лечения ишемической болезни сердца

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 22-71-10071

НазваниеГемореологическое моделирование течений в коронарных артериях для нужд персонифицированной диагностики и лечения ишемической болезни сердца

Руководитель Стародумов Илья Олегович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" , Свердловская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 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 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-313 - Биомеханика

Ключевые слова гемодинамика, коронарная артерия, компьютерное моделирование, ишемическая болезнь сердца

Код ГРНТИ27.35.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку механистической модели, включающей в себя гемодинамику и гемореологию крови в коронарных артериях со стенозами. Актуальность исследований продиктована проблемами диагностики и лечения ишемической болезни сердца – одного из наиболее распространенных заболеваний во всем мире, имеющего тяжелые и в том числе летальные последствия. Несмотря на интенсивное развитие компьютерных методов диагностики и эндоваскулярных методов лечения, механика реологических процессов в крови и ее влияние на гемодинамические течения остается важным направлением научных изысканий, которому посвящены многие работы последнего времени. Сложность таких исследований заключается в том, что значимые реологические процессы в крови проистекают уже на молекулярном уровне взаимодействия (образование липидных мостиков, функционирование клеточных мембран), порождая эффекты формирования агрегатов из клеток крови и, как следствие, неравномерную вязкость крови в целом. С другой стороны, изменение сдвиговых напряжений, турбулизация, конвективный перенос в гемодинамических потоках также вносят свой вклад в гемореологию. Таким образом, попытка создать многомасштабную модель из первых принципов становится очень сложной задачей, а если учесть, что ряд физиологических и биомеханистических теорий в этой области еще только разрабатываются, то и неосуществимой. В настоящем проекте предлагается использование новой компромиссной концепции квазимеханистической реологической модели крови, предполагающей учет основных известных факторов, влияющих на вязкость, таких как гематокрит, концентрацию фибриногенов и взякость плазмы, температуру, деформацию эритроцитов. Объединяя такую гемореологическую модель с моделью гемодинамики на основе уравнений Навье-Стокса и соответствующей модели турбулентности, станет возможным проведение компьютерных симуляций и детальный анализ процессов внутри коронарной артерии особенно в зоне стенотического сужения. Появится возможность проанализировать изменения, наступающие вследствие стентирования пораженного сосуда. Кроме того, такая модель даст возможность получить фундаментальное подтверждение технологий для инновационных перспективных методов диагностики с помощью магнитных наночастиц, что является важным приложением разработок проекта. Такие комплексные модели и компьютерные эксперименты будут новыми, результаты исследований планируется опубликовать в ведущих журналах из 1 квартиля. Проект будет сопровождаться исследованиями, основанными на данных медицинской диагностики пациентов, результаты моделирования будут сопоставляться с медицинскими наблюдениями. Для этого будут привлекаться эксперты из Тюменского кардиологического научного центра и НИИ скорой помощи им. Н. В. Склифосовского. Проект будет иметь значение как для развития как реологических представлении о гемопотоках в коронарных артериях, так и медицинской теории, физиологии, перспективных методов диагностики стенозов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Честухин В.В., Бляхман Ф.А. Коронарный парадокс ВЕСТНИК ТРАНСПЛАНТОЛОГИИ И ИСКУССТВЕННЫХ ОРГАНОВ, 24(4), 145-151 (год публикации - 2022)
10.15825/1995-1191-2022-4-145-151

2. Махаева К.Е.,Бляхман Ф.А., Соколов С.Ю., Стародумов И.О. ВЛИЯНИЕ НЕНЬЮТОНОВСКИХ СВОЙСТВ КРОВИ НА ОБРАЗОВАНИЕ ВИХРЕЙ ЗА СТЕНОЗОМ В КОРОНАРНОЙ АРТЕРИИ АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ МЕДИЦИНСКОЙ НАУКИ И ЗДРАВООХРАНЕНИЯ, Актуальные вопросы современной медицинской науки и здравоохранения: Материалы VIII Международной научно-практической конференции молодых учёных и студентов - Екатеринбург: Изд- во УГМУ, 2023. – с.259-265 (год публикации - 2023)

3. Стародумов И.О., Соколов С.Ю., Бляхман Ф.А., Зубарев А.Ю., Федотов С.П., Александров Д.В. In Silico Study of Magnetic Nanoparticles Transport in Channels of Various Diameters in the Presence of a Constant Magnetic Field European Physical Journal Special Topics (год публикации - 2023)
10.1140/epjs/s11734-023-00859-9

4. Стародумов И.О., Махаева К.Е., Зубарев А.Ю., Бессонов И.С., Соколов С.Ю., Микушин П.В.,Александров Д.В., Честухин В.В., Бляхман Ф.А. Modeling of Local Hematocrit for Blood Flow in Stenotic Coronary Vessels Fluids, Fluids 2023, 8, 230 (год публикации - 2023)
10.3390/fluids8080230

5. Бляхман Ф.А., Сафронов А.П., Стародумов И.О., Кузнецова Д.В, Курляндская Г.В. Remote Positioning of Spherical Alginate Ferrogels in a Fluid Flow by a Magnetic Field: Experimental and Computer Simulation Gels, Gels 2023, 9, 711 (год публикации - 2023)
10.3390/gels9090711

6. Стародумов И.О., Соколов С.Ю., Махаева К.Е., Микушин П.В., Динисламова О.А., Бляхман Ф.А. Obtaining Vortex Formation in Blood Flow by Particle Tracking: Echo-PV Methods and Computer Simulation Inventions, Inventions 2023, 8, 124 (год публикации - 2023)
10.3390/inventions8050124

7. Махаева К.Е. , Бляхман Ф.А., Бессонов И.С., Соколов С.Ю., Стародумов И.О. ВЛИЯНИЕ ВЯЗКОСТИ КРОВИ НА РЕЗУЛЬТАТ ОЦЕНКИ ГЕМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЗНАЧИМОСТИ СТЕНОЗА В КОРОНАРНОЙ АРТЕРИИ МЕТОДОМ ФРК АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ МЕДИЦИНСКОЙ НАУКИ И ЗДРАВООХРАНЕНИЯ. Сборник статей IX Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов, Екатеринбург: Изд- во УГМУ, 2024. – Том 1. c.221-227 (год публикации - 2024)

8. Махаева К. Е., Бляхман Ф. А., Соколов С. Ю., Бессонов И. С., Зубарев А. Ю., Александров Д. В., Микушин П. В., Стародумов И. О. Влияние реологических свойств крови на формирование рециркуляционных зон вблизи стеноза коронарной артерии МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУКАХ, 1 (2023), c. 213-215 (год публикации - 2023)

9. Честухин В.В., Бессонов И.С., Соколов С.Ю., Махаева К.Е., Пронина А.И.,Стародумов И.О., Бляхман Ф.А. Вклад миокардиальных мостиков в системную коронарную гемодинамику Диагностическая и интервенционная радиология, том 19 №1 (год публикации - 2025)

10. Бессонов И.С., Стародумов И.О., Шадрин А.А., Махаева К.Е., Микушин П.В., Муравьев А.В., Честухин В.В., Бляхман Ф.А. Диагностическая ценность определения фракционного резерва кровотока: внимание, реология крови! Сибирский журнал клинической и экспериментальной медицины (год публикации - 2025)

11. Стародумов И.О., Махаева К.Е., Зубарев А.Ю., Бессонов И.С., Соколов С.Ю., Микушин П.В., Александров Д.В., Честухин В.В., Никишина М.А., Бляхман Ф.А. Моделирование гемодинамических течений в области стеноза коронарных артерий Теплофизика и физическая гидродинамика: Тезисы докладов, Теплофизика и физическая гидродинамика: Тезисы докладов, Сочи 8–15 сентября 2024 г., 08–15 сентября 2024 года. – Новосибирск, 2024. – С. 103. (год публикации - 2024)

12. Стародумов И.О., Махаева К.Е., Бессонов И.С., Шадрин А.А., Никишина М.А., Честухин В.В., Бляхман Ф.А. Effect of blood viscosity on the hemodynamic significance of coronary artery stenosis The European Physical Journal Special Topics, Starodumov I. et al. Effect of blood viscosity on the hemodynamic significance of coronary artery stenosis //The European Physical Journal Special Topics. – 2024. – С. 1-11. (год публикации - 2024)
10.1140/epjs/s11734-024-01380-3

13. Махаева К.Е. ВЛИЯНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРОВИ НА ФОРМИРОВАНИЕ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ЗОН ВБЛИЗИ СТЕНОЗА КОРОНАРНОЙ АРТЕРИИ РОССИЙСКИЙ ЖУРНАЛ БИОМЕХАНИКИ, Российский журнал биомеханики. – 2024. – Т. 28, № 4. – С. 95–105. (год публикации - 2024)
10.15593/RZhBiomeh/2024.4.07

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках этапа проекта разработана модель гемодинамики, включающая процессы в артериях с развитым турбулентным течением и областями высокого числа Рейнольдса (Re). В модели используется модель турбулентности k-ω переходного переноса напряжения сдвига (SST) для описания перехода гемодинамического потока в турбулентное состояние. Для выбора модели турбулентности предварительно был проведен сравнительный анализ использования модели SST k-ω и стандартных RANS моделей, который показал преимущества модели SST k-ω. Для реконструкции геометрии сосуда использовались данные метода рентгеноконтрастной ангиографии и оптической когерентной томографии. Данные обрабатывались с помощью оригинального алгоритма и программного обеспечения. За отчетный период исследования фокусировались на обосновании прикладной роли гемореологии в определении кровотока в стенозированных коронарных артериях. Предложен алгоритм для количественной оценки вклада вязкости крови в сосудистое сопротивление. Установлено, что вклад вязкости крови в общее сопротивление кровотоку, не связанное с анатомией стеноза и кривизной сосуда, может достигать 45%. Кроме того, изменение вязкости крови может значительно (в 1,5-2 раза) увеличивать вклад вязких сил в общую резистентность сосуда. Полученные результаты интерпретировались с точки зрения инвазивного метода фракционного резерва кровотока (ФРК) — одного из наиболее распространенных клинических методов определения гемодинамической значимости стеноза. Изменение вязкости крови приводило к коррекции ФРК в пределах 2%. Полученные результаты согласуются с результатами известных клинических наблюдений. Показана корреляция между вязкостью крови пациентов и точностью ФРК. Разработанные гемореологические модели также успешно применялись для обоснования другой методики – диагностики стенозов с помощью отслеживания магнитных частиц. Результаты моделирования, подтверждаемые экспериментально, показывают, что магнитные частицы имеют склонность накапливаться в дистальной области стеноза, образуя характерный паттерн магнитного отклика.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты исследований по проекту, на наш взгляд, убедительно показывают, что реологические свойства крови является важным детерминантом законов ее течения по коронарным артериям со стенозом при ИБС (ишемическая болезнь сердца). В частности, учет вязкости крови пациентов при принятии решения о хирургическом вмешательстве на коронарных артериях (стентирование) может в значительной мерее влиять на клинический результат небезопасной, трудоемкой и дорогостоящей процедуры реваскулризации сосудов. Вместе с тем, в медицине на сегодняшний день в регламентах лабораторной диагностики отсутствуют практические рекомендации для определения вязкости крови. Причем, это касается не только пациентов с заболеванием сосудов сердца, но и других нозологических форм нарушения гемодинамики. Более того, в арсенале современной лабораторной диагностики свойств крови отсутствуют современные методы измерения вязкости крови, что полностью исключает возможность оперативного мониторинга этого важного реологического параметра. Считаем целесообразным разработать и внедрить новые стандарты лабораторного анализа крови для лиц с нарушением кровообращения, сформулировав при этом для производителей отечественного медицинского оборудования требования к приборам диагностики реологических свойств крови.