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 18-75-10061
НазваниеИсследование и реализация концепции роботизированного малоинвазивного протезирования клапана аорты.
РуководительОвчаренко Евгений Андреевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний", Кемеровская обл (Кузбасс)
Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2018 - 06.2021 |
Конкурс№30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «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, 05-701 - Медицинская техника
Ключевые словаклапан аорты, биологические протезы, транскатетерная имплантация клапанов сердца, роботизированная система, система визуального ассистирования
Код ГРНТИ76.13.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на разработку и исследование концепции роботизированного малоинвазивного протезирования клапана аорты. Актуальность задачи обусловлена, с одной стороны, техническими недостатками существующих методов транскатетерного лечения аортального стеноза, с другой – клиническими осложнениями используемых систем. Технические проблемы связаны с лучевой нагрузкой интервенционных кардиологов, вынужденных находиться непосредственно в рентгеновском поле, а также с точностью позиционирования доставочной системы при ограниченной визуализации места имплантации, обусловленной особенностями транскатетерного доступа.
Совокупность опубликованных исследований позволяет предположить, что клинические осложнения (регургитация, атрио-вентрикулярные блокады, инсульты и т.д.) детерминированы конструктивными особенностями доставочного устройства, и непосредственно, протеза. Поиск и создание новых более эффективных систем транскатетерной имплантации клапана аорты вкупе с применением роботизированных систем и систем визуального ассистирования, как единого комплекса, имеет потенциал к переходу метода лечения аортального стеноза на принципиально иной уровень. В тоже время, данная технология в таком представлении имеет принципиальную мировую новизну (на сегодняшний день она не решена, первые исследования роботизированных систем для интервенционной хирургии, выполненные в 2014-2017 г.). Подобная задача требует создание принципиально иных подходов к разработке, основанных на углубленном анализе биомеханики системы, включающей протез, систему доставки, корень аорты, а также изучение механики и кинематики устройства во время процедуры имплантации с целью разработки кибернетических алгоритмов роботизированного управления.
Реализация проекта предусматривает преодоление ряда ранее неразрешенных междисциплинарных научных задач, что в конечном итоге обуславливает научную новизну проекта: изучение биомеханики транскатетерных клапанов сердца; разработка подходов к проектированию медицинских устройств для интервенционной кардиологии с целью снижения частоты клинических осложнений; создание кибернетических основ роботизированного управления эндоваскулярными медицинскими устройствами; разработка алгоритмов системы визуального ассистирования процедуры имплантации транскатетерного протеза клапана аорты на базе нейронных сетей.
Ожидаемые результаты
Будет оценено влияние имплантации транскатетерного протеза клапана аорты (на примере существующих моделей) на динамику аортального комплекса, обусловленную сердечным сокращением, что позволит оценить вклад радиальной жесткости каркаса в изменение податливости корня аорты. С учетом численного анализа напряженно-деформированного состояния системы «протез–аорта» будет исследована зависимость распределения критических областей от механических свойств протеза.
Полученные с использованием методов реконструкции модели патологической анатомии корня аорты, а также модели протезов клапанов сердца с дисфункцией будут использованы для персонализированного моделирования протеза ТИАК нового дизайна – по результатам исследования будет разработана оптимальная геометрия протеза.
Будет разработана новая конструкция (основанная на работах, описанных выше) протеза ТИАК с заданными механическими свойствами, соответствующими биомеханическим условиям его функционирования (контактное взаимодействие с окружающими тканями, гидродинамика). Численные методы анализа, оценка взаимосвязи конструкции и функциональных характеристик протеза позволят прогнозировать основные риски имплантации, обусловленные конструкцией и предусмотреть их минимизацию на ранних этапах разработки.
По результатам моделирования in silico, а также оценки гидродинамики in vitro будет выявлена взаимосвязь патологической анатомии корня аорты и степени регургитации протеза, что позволит сформировать теоретическое представление о механизмах возникновения регургитации.
Итогом научных работ станет подготовка серии статей ВАК и Scopus рецензируемых журналов. Будет спроектирована, разработана и изготовлена конструкция прототипа протеза ТИАК и его компонентов – створчатого аппарата, обшивки. Полученная серия прототипов будет использована на последующих этапах Проекта для верификации и валидации проведенных работ, а также в качестве отправной точки для проектирования системы имплантации – роботизированного катетера.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
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%.
Публикации
1. Кочергин Н.А., Шилов А.А., Овчаренко Е.А., Клышников А.Ю., Ганюков В.И. Эволюция транскатетерной имплантации аортального клапана Ангиология и сосудистая хирургия, Москва, Том 25 №2/2019, с. 80-85 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.33529/ANGIO2019207
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.
Публикации
1. Овчаренко Е.А., Онищенко П.С., Клышников К.Ю., Ганюков В.И., Шилов А.А., Верещагин И.Е., Коков А.Н., Тарасов Р.С., Борисов В.Г., Захаров Ю.Н., Барбараш Л.С. Численное моделирование гемодинамики при повторном протезировании клапана сердца Патология кровообращения и кардиохирургия, 2019 - Т. 23, № 3, С. 30-38 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.21688/1681-3472-2019-3-30-38
2. Овчаренко Е.А., Резвова М.А., Никишев П.А., Костюк С.В., Глушкова Т.В., Антонова Л.В., Требушат Д.В., Акентьева Т.Н., Шишкова Д.К., Клышников К.Ю., Кудрявцева Ю.А., Барбараш Л.С. Polyisobutylene-Based Thermoplastic Elastomers for Manufacturing Polymeric Heart Valve Leaflets: In Vitro and In Vivo Results Applied Sciences, Appl. Sci. - 2019. - V. 9. - P. 4773. DOI:10.3390/app9224773 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3390/app9224773
3. Н.А. Гейдаров, К.Ю. Клышников, Е.А. Овчаренко Use of Neural Networks in Visual Assistance Systems for Transcatheter Implantation of Aortic Valve Prostheses Biomedical Engineering, Vol. 53, No. 6, March, 2020, pp. 440-446. (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1007/s10527-020-09961-x
4. Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., СкирневскийИ.П. Данилов В.В. Модели локализации стеноза на основе данных ангиографии -, №2020613197 (год публикации - )
5. - Совместная разработка ученых Кемерова и Томска позволит проводить малоинвазивные операции по замене клапана сердца без использования импортных изделий Сайт Министерства Здравоохранения Российской Федерации, Материал опубликован 12 мая 2020 в 13:40. (год публикации - )
6. - Совместная разработка ученых Кемерова и Томска позволит проводить малоинвазивные операции по замене клапана сердца без использования импортных изделий Сайт Министерства Здравоохранения Кузбасса, Дата публикации 12.05.2020 (год публикации - )
7. - Кузбасские учёные разрабатывают инновационную программу для операций на сердце Сайт Национальные Проекты Кузбасса (Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС 77 — 78090), Дата публикации 12.05.2020 (год публикации - )
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.
Публикации
1. В. В. Данилов, О. М. Гергет, К. Ю. Клышников, А. Ф. Франжи, Е. А. Овчаренко Анализ глубоких нейронных сетей для детекции стенозов коронарных артерий Программирование, 2021, №3, 3-11 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.31857/S0132347421030031
2. Данилов В.В., Клышников К.Ю., Гергет О.М., Кутихин А.Г., Ганюков В.И., Франжи А.Ф., Овчаренко Е.А. Real-time coronary artery stenosis detection based on modern neural networks Scientific Reports, 11, 7582 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1038/s41598-021-87174-2
3. Данилов В.В., Клышников К.Ю., Гергет О.М., Скирневский И.П., Кутихин А.Г., Шилов А.А., Ганюков В.И., Овчаренко Е.А. Aortography keypoint tracking for transcatheter aortic valve implantation based on multi-task learning Frontiers in Cardiovascular Medicine, 8:697737 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3389/fcvm.2021.697737
4. Е.А. Овчаренко, К.Ю. Клышников, А.А. Шилов, Н.А. Щеглова, Т.В. Глушкова, Д.В. Нуштаев, Л.С. Барбараш Численно-экспериментальное обоснование конструкции транскатетерного протеза клапана аорты Вестник трансплантологии и искусственных органов, - (год публикации - 2021)
5. Овчаренко Е.А., Клышников К.Ю., Ганюков В.И., Шилов А.А., Верещагин И.Е., Сизова И.Н., Тарасов Р.С., Барбараш Л.С. Prognostic model of typical complications caused by transcatheter aortic valve replacement Sovremennye tehnologii v medicine, 2020, volume 12, issue 2, pages 27-33. (год публикации - 2020) https://doi.org/10.17691/stm2020.12.2.03
6. Овчаренко Е.А., Клышников К.Ю., Шилов А.А., Кочергин Н.А., Резвова М.А., Беликов Н.В., Ганюков В.И. Механизм травмы сосуда при транскатетерном протезировании клапана аорты Современные технологии в медицине, - (год публикации - 2021)
7. Ганюков В.И., Кочергин Н.А., Верещагин И.Е., Овчаренко Е.А., Клышников К.Ю. Способ численного моделирования транскатетерной имплантации клапана сердца пациента -, RU 2725917 C1 (год публикации - )
8. - Нейросеть научили искать сужения в артериях ТАСС, - (год публикации - )
9. - В Кузбассе меняют клапаны сердца при помощи искусственного интеллекта ГТРК "Кузбасс", Сюжет ГТРК "Кузбасс" от 28.05.2020 (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы в области разработки медицинских изделий для лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы, что является важным социальным аспектом, поскольку они удерживают лидерство в структуре смертности населения как в РФ, так и в мире. Часть проекта посвящена разработке системы транскатетерной имплантации аортального клапана (ТИАК) с акцентом на методологию тестирования и разработку доставочной системы. Полученные, в ходе реализации данной задачи, наработки (методология разработки устройства на основе САПР и компьютерных сборок, методология тестирования, и подходы к разработке дизайна системы) могут быть успешно использованы в создании новых малоинвазивных медицинских устройств, поскольку исходно проект предусматривал возможность использования разрабатываемой системы ТИАК отдельно от роботизированной системы.
Часть разработанного концепта – система визуального ассистирования на основе глубокого машинного обучения может быть использована как независимое программное обеспечение (медицинское изделие) для навигации существующих систем ТИАК на основе существующих ангиографических установок. Кроме того, использованные архитектуры нейронных сетей в сочетании с описанной методологией их обучения и тестирования могут быть успешно применены и в других аналогичных задачах – так на промежуточном этапе был разработан алгоритм детекции стенозов коронарных артерий по данным инвазивной ангиографии.
Непосредственно результаты разработки роботизированной системы (РС): мехатроника системы, алгоритмы ее управления, методология формирования параметров системы на основе захвата движений реальной процедуры ТИАК, а также методы тестирования, могут быть успешно использованы в качестве технологического задела разработки роботизированных установок для практического применения в интервенционной кардиологии. В частности, в проекте выбран и исследован мультиплатформенный дизайн роботизированной системы, что за счет возможности использования, одобренных регулятором, медицинских изделий ТИАК в сочетании с роботом, приближает последний к практической реализации.