Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На базе НИИ «Комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний» по итогам выполнения первого года гранта была спроектирован и изготовлен прототип медицинского устройства, предназначенного для транскатетерной имплантации аортального клапана сердца (ТИАК). Было выполнено проектирование компонентов разрабатываемого протеза путем серии численных экспериментов для оценки основных функциональных характеристик. Разработанные чертежи и модели опорных каркасов нового протеза ТИАК легли в основу прототипов, изготовленных методом лазерной резки трубки никелида титана с последующим приданием конечной формы за счет термической обработки и механической и электрохимической полировки. Полученные прототипы подвергали серии механических испытаний на осевое и радиальное сжатие в сравнении с контролем – клиническим биопротеза CoreValve™. Был создан створчатый аппарат и облицовка методом лазерного раскроя с использованием картирования по толщине ксеноперикарда свиньи, стабилизированного диглицидиловым эфиром этиленгликоля. Путем последовательного монтирования всех элементов протеза на опорный каркас с помощью швов по известным методикам, изготавливали рабочие прототипы протезов ТИАК в сборе для гидродинамических испытаний в условиях натурного эксперимента на стенде, а также оценки физико-механических характеристик дизайна. Сравнительная серия экспериментов гидродинамического функционирования прототипов протеза ТИАК и контроля (биопротеза CoreValve™) продемонстрировала сопоставимые результаты образцов по показателям эффективной площади отверстия, транспротезному градиенту. В то же время, объем регургитации, в эксперименте с использованием пациент-специфической геометрии корня аорты был ниже в случае прототипа – результат был получен за счет снижения жесткости приточной зоны протеза и, как следствие, увеличения плотности контакта со стенкой сосуда. На основе анализа клинических данных 20 пациентов, а также результатов компьютерного моделирования ТИАК, выполненного на трех клинических случаях имплантаций биопротеза CoreValve™, было показано, что, не смотря на то, что в отдельных случаях, радиальные силы каркаса могут приводить к формированию локальных зон высокого напряжения в аортальном комплексе в проекциях пучка Гисса, ассоциированных с последующей AV-блокадой, в целом податливость и нативная биомеханика корня аорты сохраняются. По итогам проведенного численного анализа механизм возникновения парапротезной регургитации ТИАК обусловлен геометрическим несоответствием расположения ТИАК и целевой зоны имплантации, а также наличием патологических изменений корня аорты. Было показано, что возникающие напряжения корня аорты для случаев нарушения проводимости и возникновения парапротезной регургитации в основном локализованы в области фиброзного кольца клапана аорты и во многом определены взаимодействием опорного каркаса с кальцинатами. В компьютерном расчете гемодинамических эффектов парапротезной регургитации были получены значения пристеночного сдвигового напряжения до 61 Па в критической области, что может свидетельствовать о повышенном риске образования тромбов за счет запуска свертывающего каскада через фактор фон Виллебранда. При этом значения вязкого сдвигового напряжения как основной компоненты разрушающего напряжения эритроцитов в случае ламинарного тока, составило 20-26 Па, что, в целом, недостаточно для механического гемолиза. Сравнение результатов численного анализа с клиническими данными продемонстрировало качественное соответствие формы имплантированного протеза CoreValve™ и локализации возникающей парапротезной регургитации. Численная оценка гемодинамики продемонстрировала два ключевых механизма формирования парапротезной регургитации – за счет массивных кальциевых конгломератов, которые и обусловили неплотный контакт корня аорты и протеза ТИАК; для имплантации по типу «протез-в-протез» без крупных кальцификатов, регургитация возникла вследствие чрезмерно низкого (14 мм ниже фиброзного кольца) расположения ТИАК протеза, и протекания крови в обход облицовки CoreValve™ приточной зоны. В качестве подготовительного этапа разработки системы визуального ассистирования процедуре ТИАК был сформирован массив изображений коронарографий, проведена их подготовка и унификация с целью последующей разработки и реализации алгоритмов распознавания образов, создана и проведена предварительная настройка нейронной сети. В группу графических данных для обучения нейронной сети вошли: данные коронарографий – 100 пациентов для группы «Контроль» и 100 пациентов группы, для которых характерно наличие гемодинамически значимых стенозов более 50%. Было проведено тестовое обучение нейронной сети для задач бинарной классификации и трекинга стеноза коронарной артерии, в результате которого было определено предпочтительное направление нейросети, для его дальнейшей «переориентации» на задачи трекинга анатомических ориентиров корня аорты системы визуального ассистирования ТИАК. Точность трекинга зоны стеноза на тестовых данных составила 76%.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На базе НИИ «Комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний» по итогам выполнения второго года гранта были проведены два основных блока исследований: разработка и прототипирование роботизировано-совместимой доставочной системы, и разработка алгоритма системы визуального ассистирования транскатетерного протезирования клапана аорты. Были выполнены исследования механических и манипуляционных (эргономических) свойств, в т.ч. с использованием фантома, трансфеморальной доставочной системы транскатетерного протеза клапана аорты, используемой в клинической практике – «AccuTrak» (Medtronic Inc., США). Кроме того, была выполнена серия экспериментов по захвату и анализу движения рук интервенционного кардиолога при работе с данной системой, а также пациент-специфическое компьютерное моделирование основных этапов процедуры с оценкой напряженно-деформированного состояния моделей элементов катетера и кровяного русла. Полученные таким образом входные данные для проектирования легли в основу собственного дизайна доставочной системы, которая была реализована в виде натурного прототипа с использованием технологии 3D-печати (ручка управления) и пайки полимерных трубчатых материалов (катетерная часть). Конструкция системы доставки предусматривает возможность имплантации протеза как непосредственно кардиохирургом, так и с помощью приводов управляемой роботизированной платформы. В ходе исследования были проведены испытания прототипа в условиях имитации заведения катетера фантоме артериальной системы кровообращения, что позволило оценить feasibility концепта, а также определить дальнейшие пути оптимизации дизайна системы доставки. С учетом сформированного задела первого года Проекта по использованию алгоритмов нечеткой логики, разработан и апробирован на тестовых данных, алгоритм системы визуального ассистирования, основанный на автоматической видеообработке изображений интраоперационной флюороскопии с трекингом элементов аортального комплекса с учетом синхронизации физиологических движений пациента. Изначально предполагаемый подход выделения границ региона интересующих областей (Region Growing) продемонстрировал низкую производительность работы, поэтому основой алгоритма стали нейросетевые технологии, реализующие концепцию Multi-Task Learning – одновременного решения задачи классификации и трекинга целевых анатомических ориентиров. В работе была исследована эффективность доступных нейросетей (n=9) при обработке медицинских графических данных интраоперационных флюороскопий процедуры транскатетерного протезирования клапана аорты. В результате интегральной оценки измеренных характеристик (прогностическая ценность положительного результата, чувствительность), индекс точности, F-оценка, производительность) были выделены две оптимальные модели нейросетей – ResNet V2 FT и MobileNet V2 FT. Данные модели выполняли предсказание меток искомых объектов – элементов аортального комплекса, катетера доставочной системы, самораскрывающегося протеза, дистальной части контрастирующего катетера с точностью 97% и 96%, а координат – с ошибкой 4,65% и 5,59% соответственно. Кроме того, модели на основе данных архитектур способны выполнять предсказания в масштабе реального времени: так, модели MobileNet V2 FT потребовали 0,0087 секунд для обработки одного изображения (≈ 115 кадров в секунду), а модели ResNet V2 FT – 0,0293 секунд (≈ 34 кадра в секунду). Дополнительно, в процессе разработки системы визуального ассистирования были выделены перспективные пути повышения эффективности работы алгоритма: Использование взвешенной функции потерь при обучении, Увеличение исходного набора данных посредством использования генеративных моделей, внедрение дополнительных техник регуляризации, использование ансамблей нейронных сетей.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
По итогам реализации третьего этапа проекта был разработан модифицированный метод трехмерного захвата движений кистей оператора и инструмента (система доставки), основанный на видеозахвате в неортогональных проекциях. На основе анализа данных реальных процедур имплантации транскатетерного биопротеза клапана аорты (ТИАК) были сформированы базовые входные данные для разработки роботизированной системы (область перемещений, основные скорости и ускорения в локальной системе координат робота), а также записаны полные треки процедур - зависимости координаты от времени при движении медицинского инструмента. В частности, было показано, что для главной оси роботизированной системы минимальные требованиями по перемещению составляют не менее 500 мм, со скоростью 55 мм/с и ускорением - 102,4 мм2/с. Разработан концепт доставочной системы ТИАК (II-ая генерация) с универсальным дизайном, обеспечивающим совместимость как с роботизированной системой, так и ручным управлением. Дизайн системы доставки и эргономика ручки спроектированы с учетом рекомендаций экспертов-пользователей. Исследование прототипа системы доставки II генерации и ее элементов в сравнении с результатами исследования коммерчески доступной системы и прототипа I генерации продемонстрировали увеличение жесткости системы по показателю толкабельности («pushability») и одновременному снижению гибкости катетера («trackability»). Аналогично, были получены и большие значения сил при имитации более комплексного поведения доставочной системы – в условиях прохождении по силиконовому фантому артериального русла. Разработан дизайн мультиплатформенной роботизированной системы имплантации аортального клапана, а также изготовлен рабочий прототип. Предложенная концепция мультиплатформенности заключается в способности адаптации дизайна роботизированной системы к коммерчески-доступным системам ТИАК за счет использования переходных деталей (изготавливаемых с использованием 3D-печати или литья). Требования к дизайну системы в целом были сформулированы на основе анализа данных видеозахвата процедуры ТИАК, а также на основе общих требований стандартов, предъявляемых к подобным медицинским изделиям и их компонентам. Перед изготовлением прототипа с использованием средств автоматизированного проектирования (SolidWorks) на основании входных данных получено 12 итераций трехмерных сборок роботизированной системы. Система управление роботом осуществляется на основе графического интерфейса, с контролем положения катетера и сил его воздействия по трем контурам обратных связей: положение роторов сервоприводов, положение, определяемым системой видеозахвата и тензодатчиком, расположенном непосредственно на платформе крепления доставочной системы. Работа роботизированной системы исследована в 4 режимах: автоматического введение системы доставки в нормальных условиях; компенсации «спонтанного движения», возникающего при позиционировании системы, в виде резкого линейного смещения фантома, имитирующего внезапное движение пациента, режиме компенсации высвобождения протеза клапана аорты из доставочного устройства и в режиме имитации трэка доставочной системы, полученного на основе анализа данных захвата движений реальной процедуры ТИАК. Успешность процедуры была достигнута в 100% в случае автоматического алгоритма движения по сосудистому руслу фантома. В случае воспроизведения реального трека ТИАК, полученного по результатам обработки данных видеозахвата клинической процедуры, успешность составила 80% и 100% в зависимости от наличия/отсутствия фильтрации входного сигнала, при этом в одном случае была продемонстрирована ситуация отработки алгоритмом предотвращения травмы по показаниям тензодатчика. Полученная точность системы по координате составила 4±3 мм для этапов достижения кончика катетера целевого места имплантации, и 1±0,5 мм – при стабилизации катетера во время извлечении ТИАК-протеза из системы доставки, что сопоставимо с точностью системы видеозахвата лабораторного стенда. Кроме того, система обратной связи на основе трекинга элементов аортального комплекса и кончика катетера продемонстрировала эффективную коррекцию положения системы при спонтанном изменении координат места имплантации – неконтролируемом дыхательном движении пациента. Проведенное исследование позволяет подтвердить концепцию разработки мультиплатформенной роботизированной системы ТИАК, интегрированной с системой визуального ассистирования – основного контура обратной связи, обеспечивающей достижение области имплантации.