Пермские ученые создали персонализированные модели для повышения эффективности шунтирования сердца у детей
На фото: образец шунта в захватах испытательной машины Zwick
Исследователи Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) построили 3D-модели течения крови при шунтировании, которые спрогнозируют успешность операции с учетом индивидуальных данных пациентов. Исследование проводилось при финансовой поддержке Минобрнауки России.
Лечение некоторых врожденных пороков сердца возможно только с помощью хирургического вмешательства. Для этого сейчас проводят операции по установке модифицированного шунта Блэлок — Тауссиг. Это помогает перенаправить кровоток из системного кровообращения в легочное.
«Обструктивные поражения выводного тракта правого желудочка составляют 25-30% врожденных аномалий сердца у детей. Сегодня хирургическое вмешательство является основным методом лечения нарушений развития сердечно-сосудистых структур. Прорывным решением в их хирургическом лечении стало создание модифицированного шунта Блэлок — Тауссиг. Но остается множество факторов, которые могут влиять на успешность операций», — говорит доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» Пермского Политеха, доктор физико-математических наук Алексей Кучумов.
По словам ученых, установить эти факторы можно с помощью математического моделирования и методов биомеханики. Они позволяют спрогнозировать и оценить риск осложнений после операции: неравномерного тока крови в правую и левую ветви легочной артерии, стенозов легочной артерии или шунта по мере роста ребенка. Для этого исследователи создали 3D-модели течения крови при шунтировании, которые с учетом индивидуальных данных пациентов прогнозируют успешность операции.
Модель рассчитывает характеристики течения в кровеносных сосудах с учетом индивидуальных особенностей пациента. Персонализированная геометрия сосудов строится по снимкам мультиспиральной компьютерной томографии. Для моделирования нужно также определить скорость крови, втекающей в аорту, которая оценивается по ультразвуковым измерениям у каждого ребенка. Далее проводятся вычисления характеристик течения. В итоге получается персональная модель кровотока, которая позволяет оценить и спрогнозировать успешность операции шунтирования.
Построив модель течения крови в системе «аорта — шунт — легочная артерия» с учетом взаимодействия жидкости и твердого тела, биомеханики выяснили, что на кровоток влияет местоположение шунта. Соединение сосудов должно обеспечивать достаточный, но не избыточный легочный кровоток. При этом не должно быть снижения сердечного выброса, повреждений сосудов и объемной перегрузки желудочка, необходимо обеспечивать равномерный рост легочных артерий.
Исследователи проанализировали три варианта установки шунта и выявили несимметричность кровотока в легочных артериях при различных местах его имплантации. Они выяснили, что формирование шунта должно учитывать анатомо-физиологические особенности пациентов. Свойства материала шунта также играют важную роль в прогнозировании результатов операции.
«В дальнейшем на основе биомеханической модели можно создать программное обеспечение, которое позволит оценить положение шунта для конкретного пациента, предсказать возможный риск тромбоза после операции. Хирурги смогут оценить обстоятельства операции до ее проведения и спрогнозировать результаты особенностей кровотока в будущем. Такой подход в создании цифрового двойника кровотока ребенка с врожденным пороком сердца поможет значительно снизить детскую смертность и улучшить качество реабилитации», — поясняет Алексей Кучумов.
Научная статья о разработке представлена в журнале Materials. Отметим, что исследование проводилось в рамках программы деятельности Пермского научно-образовательного центра мирового уровня «Рациональное недропользование».
Работа выполнена в рамках федеральной программы Минобрнауки России «Приоритет 2030». Напомним, что создание и развитие сети научно-образовательных центров мирового уровня проходят в рамках реализации национального проекта «Наука и университеты».