Разработка новых подходов к определению оптимальной технологии реваскуляризации поверхностной бедренной артерии на основании изучения ее биомеханики методами ультразвуковой визуализации, вычислительной, экспериментальной гидродинамики и нейросетевого анализа.

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 23-75-10047

НазваниеРазработка новых подходов к определению оптимальной технологии реваскуляризации поверхностной бедренной артерии на основании изучения ее биомеханики методами ультразвуковой визуализации, вычислительной, экспериментальной гидродинамики и нейросетевого анализа.

Руководитель Гостев Александр Александрович, Кандидат медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр имени академика Е.Н. Мешалкина» Министерства здравоохранения Российской Федерации , Новосибирская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 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; 05-202 - Сердечно-сосудистая система

Ключевые слова атеросклероз, ишемия нижних конечностей, биомеханика сосуда, ультразвуковое исследование, машинное обучение, нейронные сети, компьютерное зрение, задача сегментации, прогнозирование рисков, вычислительная гемодинамика, гидродинамический эксперимент, предоперационное моделирование

Код ГРНТИ76.29.30

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Поверхностная бедренная артерия (ПБА) - самая длинная артерия ниже паховой связки, которая наиболее часто подвергается развитию стено-окклюзионных атеросклеротических поражений, приводящих к развитию ишемии нижней конечности, вплоть до ее потери и инвалидизации пациента (García-Domínguez L., et al. Vascular 2021 // Малаев et al., Патология кровообращения и кардиохирургия, 2020). Результаты хирургического лечения ПБА остаются неудовлетворительными. Низкая двухлетняя первичная проходимость при реваскуляризации ПБА в первую очередь вызвана неблагоприятным взаимодействиям имплантированного устройства и артерии при повторяющихся деформациях конечности во время передвижения (Nasr et al., Journal of Endovascular Therapy, 2022). Кроме того, прижизненные биомеханические изменения артерии после ее внутрисосудистой реваскуляризации остаются до конца не изученными, как и влияние этих изменений на развитие рестенозов и реокклюзии артерии в различные послеоперационные сроки. Основные используемые в ранее проведенных исследованиях методы прижизненной визуализации магистральных сосудов бедра - МСКТ и ангиография артерий, позволяют получить изображение лишь в горизонтальном положении (Klein, Andrew J., et al. Catheterization and Cardiovascular Interventions. 2009 /// Christopher P. Cheng, et al. Journal of Vascular and Interventional Radiology. 2006). Ни в одном исследовании не оценивалось влияние напряжения мышц, являющихся стенками мышечно-фасциального футляра, которое возникает при основных физиологических нагрузках на конечность при прямохождении, на изменение геометрии сосудисто-нервного пучка, заключенного в нем. Метод ультразвукового сканирования (УЗИ) лишен перечисленных недостатков МСКТ и ангиографии артерий и позволяет выполнять исследование в условиях основных физиологических нагрузок на конечность. Поэтому разработка инновационного метода изучения биомеханики ПБА на основе ультразвуковой визуализации в условиях реальных физиологических нагрузок на конечность (прямохождение, приседание), является актуальной задачей, которая позволит осуществлять выбор наиболее оптимального протокола хирургического лечения у конкретного пациента с целью улучшения отдаленных результатов лечения и снижения инвалидизации пациентов. В связи с этим нами планируется: - Разработка метода ультразвукового сканирования поверхностной бедренной артерии и вены с окружающими мышечно-фасциальными структурами с построением их пространственных взаимосвязей с помощью программно-аппаратного модуля отслеживания пространственного положения датчика УЗИ; - Разработка технологии программного построения 3D-персонализированной модели мышечно-фасциального футляра и проходящих в нем магистральных сосудов на основании данных разработанного метода ультразвуковой визуализации; - Оценка пространственных взаимоотношений сосудисто-нервного пучка и окружающих мышечно-фасциальных структур при различных физиологических нагрузках у здоровых добровольцев и больных со стеноокклюзионными атеросклеротическими поражениями артерии после ее внутрисосудистой реваскуляризации; - Создание гидродинамического стенда для лабораторного испытания величины изгибных напряжений стента в модели сосуда, а также исследования параметров гемодинамики в модели такого сосуда с перегибом в том числе при наличии окружения. - Построение персонализированных гидродинамических моделей локального кровотока у здоровых добровольцев и больных после эндоваскулярной реканализации окклюзированных артерий внутрисосудистыми стентами, на основании полученных различных прижизненных конфигураций магистральных сосудов при физиологических движениях конечности; - Изучение влияния декомпрессиии Гунтерова канала на изменение конфигурации артерии в процессе ее внутрисосудистого стентирования; - Определение наиболее значимых гемодинамических и деформационных факторов развития рестеноза и реокклюзии после проведенной операции.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Чебан А.В., Осипова О.С., Хамыт К.А., Лысиков Д.А., Игнатенко П.В., Гостев А.А., Саая Ш.Б.-О., Карпенко А.А. Сравнение результатов стентирования поверхностной бедренной артерии стентом с лекарственным покрытием с и без фасциотомии канала приводящих мышц Ангиология и сосудистая хирургия. Журнал имени А.В. Покровского (год публикации - 2024)

2. Куянова Ю.О., Гостев А.А., Паршин Д.В. ГЕМОДИНАМИКА ПОВЕРХНОСТНОЙ БЕДРЕННОЙ АРТЕРИИ: КЛИНИЧЕСКИЙ СЛУЧАЙ Российский журнал биомеханики (год публикации - 2024)

3. Паршин Д.В. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ПОТОКА ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ В УПРУГИХ МОДЕЛЯХ КРОВЕНОСНЫХ СОСУДОВ Прикладная механика и техническая физика (год публикации - 2025)

4. Гостев А.А., Стародубцев В.Б., Осипова О.С., Чебан А.В., Саая Ш.Б., Игнатенко П.В., Гуффик Я., Карпенко А.А. Interwoven Nitinol Stent Versus Laser-Cut-Type Nitinol Stent for Long Femoropopliteal Occlusive Disease: A Propensity Matched Analysis Cardiovascular Intervention Radiology, Springer, Том 48, Выпуск 5, Страница 603-616 (год публикации - 2025)
10.1007/s00270-025-03990-3

5. Тарасов К.О, Епифанов Р.Ю, Гостев А.А, Лысиков Д.А, Карпенко А.А, Мулляджанов Р.И. A programmable ultrasound-based system for reconstructing the three-dimensional structure of the superficial femoral artery Biomedical Engineering, Журнал: BIOMEDICAL ENGINEERING, Номер: 3, Том: 58, Страницы: 158-162, Год: 2024 (год публикации - 2024)
10.1007/s10527-024-10387-y

6. Гостев А.А, Осипова О.С, Лысиков Д.А, Стародубцев В.Б, Валиев Э.Л, Чебан А.В, Саая Ш.Б.О, Карпенко А.А. Эффективность реваскуляризации длинных бедренно- подколенных окклюзий при использовании резаных и плетеных нитиноловых стентов. Ранние и среднесрочные результаты АНГИОЛОГИЯ И СОСУДИСТАЯ ХИРУРГИЯ. ЖУРНАЛ ИМ. АКАДЕМИКА А.В. ПОКРОВСКОГО, Номер: 3, Том: 30, Страницы: 23-33. (год публикации - 2024)
10.33029/1027-6661-2024-30-3-23-33

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
За отчетный период по блоку 1 было выполнено проспективное ультразвуковое исследование пациентов после различных видов реваскуляризации поверхностной бедренной артерии и здоровых добровольцев: после проведенного эндоваскулярного хирургического лечения – реканализации ПБА с ангиопластикой и стентированием плетеным нитиноловым стентом (10 человек); после проведенного эндоваскулярного хирургического лечения – реканализации ПБА с ангиопластикой и стентированием резаным нитиноловым стентом (10 человек); после проведенной интралюминальной реканализации поверхностной бедренной артерии методом полузакрытой петлевой эндартерэктомии (10 человек); группа-сравнения из 10 здоровых добровольцев. Всем участникам проводилось ультразвуковое исследование в М- и В-режимах бедренно-подколенных артерий в положении лежа и стоя. Измерения проводились одновременно двумя опытными специалистами ультразвуковой диагностики, которые принимали решение коллегиально. В М-режиме измеряли систолический (СД) и диастолический (ДД) диаметры артерий в течение 2-4 сердечных циклов с одновременным измерением артериального давления. Диастолический и систолический диаметры были измерены в 5 точках: точка №1 - общая бедренная артерия (ОБА); точка №2 - проксимальная часть глубокой бедренной артерии (устье ГБА); точка №3 - устье ПБА; точка №4 - ПБА в приводящем канале бедра; точка №5 - Р1 сегмент подколенной артерии. У здоровых добровольцев с нативными артериями бедренно-подколенного сегмента в положении стоя во всех исследуемых точках, за исключением области приводящего канала бедра, ИЖ и РРСС имели статистически значимую разницу, что связано с действием силы тяжести. В положении стоя повышается гидростатическое давление крови в нижних конечностях, что приводит к растяжению сосудов и, как следствие, к увеличению жесткости стенок артерий. В положении лежа гравитационное воздействие на кровоток сведено к минимуму, гидростатическое давление распределяется более равномерно — это способствует уменьшению напряжения в артериях и снижению их жесткости. Таким образом, разница в жесткости артериальной стенки обусловлена изменениями в распределении артериального давления в зависимости от положения тела. В Гунтеровом канале независимо от положения тела наблюдались высокие показатели ИЖ и низкие показатели РРСС по сравнению с другими точками измерения. Этот феномен может быть связан с компрессионным воздействием на сосудисто-нервный пучок мышечно-фасциальных структур приводящего канала бедра, а также с высокой механической нагрузкой разнонаправленного воздействия, возникающей при скручивании, вызванном сгибанием конечности. Низкая РРСС и высокий ИЖ стентированного сегмента ПБА могут быть причиной неудовлетворительных результатов лечения, на долгосрочные результаты которого существенно влияют как приводящий канал бедра, так и конструкция самого стента. Жесткий нитиноловый каркас стента блокирует проведение пульсовой волны и повышает риск рестеноза и/или реокклюзии. 2. Сформирована база данных dicom изображений пациентов перенесших оперативное вмешательство на артериях нижних конечностей с ангиопластикой и стентированием плетеным нитиноловым стентом, с ангиопластикой и стентированием резаным нитиноловым стентом до- и после оперативного вмешательства, которым были выполнены МСКТ-ангиография артерий нижних конечностей, а так же прямая ангиография артерий нижних конечностей. Ведется анализ полученных данных. Блок 2 В рамках отладки алгоритма восстановления геометрии сосудов было установлено, что разработанная в прошлом году программно-аппаратная часть на основе инерциальных датчиков склонна к сильному накоплению ошибок из-за тепловых шумов. Особенно сильно погрешность возрастает к окончанию сканирования, так как ошибки накапливаются кумулятивно. Гипотеза о том, что накопление ошибок можно уменьшить за счёт ансамблирования показателей с нескольких инерциальных датчиков, также оказалась несостоятельной. Поэтому в этом году программно-аппаратная часть была переработана, и мы перешли на монокулярный метод восстановления геометрии. В аппаратной части мы заменили на держателе модуль с инерциальными датчиками на крестовину, чтобы иметь возможность восстанавливать траекторию движения УЗИ-датчика в пространстве. В связи с изменением подхода к восстановлению модели сосуда была проведена доработка модуля программного комплекса для автоматизации работы камеры. Данный модуль был разработан на основе Python и стал дополнением к ПО, разработанному ранее для работы с датчиками пространственного положения. Программный комплекс обеспечивает связь с камерой по API, что предоставляет возможность записи данных с реализацией через программный код с временными отметками, предоставляемыми компьютером для сохранения общего источника времени для данных с камеры и записи УЗИ, полученной с помощью платы видеозахвата. Для ускорения обработки собранных данных также был разработан модуль автоматической разметки фотографий с камеры, основывающийся на базе нейросетевой модели Segment Anything. Получившийся модуль успешно проводит разметку изображений, требуя лишь выделение первичных границ разметки, соответствующих расположению сфер, на одном изображении для каждой серии соответствующей 1 процедуре УЗИ. После этого сферы отслеживаются с помощью автоматического трекера. Данные разметки предоставляются в формате CVAT, что позволяет впоследствии проверить их, используя сервис Computer Vision Annotation Tool. Аналогично, чтобы ускорить разметку УЗИ изображений с бедренной артерии, был реализован модуль на основе нейросетевой модели Segment Anything. Чтобы адаптировать модель к специфике УЗИ данных, мы дообучили модель на основе собранных нами размеченных снимков. Блок 3 За отчетный период был разработан алгоритм реконструкции одномерного графа сосудистой сети ПБА с коллатеральными артериями с помощью рентгеновской ангиографии. Разработанный алгоритм был протестирован на 5 пациентах, имеющих снимки КТ и 2D рентгеновской ангиографии. Была завершена сборка и отладка гидродинамической составляющей лабораторного стенда для моделирования течения в ПБА и проведены тестовые эксперименты. Были исследованы различные постановки задачи протекания для пациент-специфической геометрии ПБА как в согнутом состоянии, так и в прямой ноге. В результате численного эксперимента варьировались различные постановки численных расчетов и впервые было обнаружен эффект отрицательного давления в дистальном сегменте ПБА. Таким образом, в результате совместного анализа данных лабораторных экспериментов и численного моделирования, был получен оптимальный подход - задание расходов, к заданию граничных условия на выходах при пациент-специфическом моделировании гемодинамики ПБА.

Публикации