Смертность от сердечно-сосудистых заболеваний у детей в мире составляет 5-16 %. 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. Исследователи из Пермского Политеха построили модели течения крови при шунтировании для прогнозирования успешности операции с учетом индивидуальных данных пациентов. При разработке персонализированной модели кровообращения с учетом взаимодействия жидкости и твердого тела ученые экспериментально определили механические свойства материала коммерческих шунтов.
Результаты исследований пермских ученых станут первым этапом в разработке программного обеспечения для анализа вариантов шунтирования. Программа позволит внести вклад в импортозамещение по применению информационных технологий в медицине. Разработка реализована в рамках Федеральной программы академического лидерства «Приоритет-2030». Результаты исследования ученые представили в журнале Materials (1-й квартиль). В работе также приняли участие специалисты Федерального центра сердечно-сосудистой хирургии имени С.Г. Суханова (Пермь).
Ученые выполнили исследование при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России в рамках программы деятельности Пермского НОЦ мирового уровня «Рациональное недропользование», а также грантов РФФИ и Пермского края. Часть работы исследователи реализовали в рамках международного научно-образовательного сотрудничества по программе «Михаил Ломоносов».
— Показатели смертности у детей с врожденным пороком сердца в России растут. Обструктивные поражения выводного тракта правого желудочка составляют 25–30 % врожденных аномалий сердца. 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, — рассказывает доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» Пермского Политеха, доктор физико-математических наук, руководитель стратегического проекта Пермского Политеха «Человекоцентричные технологии и сервисы» в рамках проекта «Приоритет-2030» Алексей Кучумов.
Наиболее точно установить эти факторы можно с помощью математического моделирования и методов биомеханики, считают исследователи. 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. Межэтапная летальность при выполнении шунтирования остается высокой и варьируется от 3 до 22,1 %.
Построив модель течения крови в системе «аорта — шунт — легочная артерия» с учетом взаимодействия жидкости и твердого тела, биомеханики выяснили, что значимое влияние на кровоток оказывает местоположение шунта. Соединение сосудов должно обеспечивать достаточный, но не избыточный легочной 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 установили несимметричность кровотока в легочных артериях в различных местах его имплантации. Они выяснили, что формирование шунта должно учитывать анатомо-физиологические особенности пациентов.
Ученые также исследовали механические свойства сосудистых трансплантатов. 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 ученый.
Для справки
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.