​​​Коллектив ученых разработал математическую модель, которая поможет диагностировать и лечить ишемическую болезнь сердца, вызванную стенозом (сужением просвета) коронарной артерии (поставляет насыщенную кислородом кровь в сердечную мышцу). Модельные расчеты позволяют получить детализированные гемодинамические характеристики в артерии: скорость кровотока, давление, вязкость крови, значение фракционного резерва кровотока. 

Точные данные, полученные с помощью модели, помогут врачам принимать решение о необходимости проведения операции и выбирать оптимальные методы лечения. Сейчас медики ориентируются преимущественно на инструментальные методы диагностики и личный опыт. 

Результаты исследования представлены в журнале The European Physical Journal Special Topics

«Известно, что причиной кардиологических заболеваний является рост стенозных бляшек, которые перекрывают кровоток в сосудах. Если бляшка перекрывает кровоток критическим образом, то есть площадь просвета становится меньше допустимого, то могут начаться необратимые последствия, и человека надо спасать операционным способом. Но исследования также показали, что если провести операцию по стентированию раньше, чем бляшка вырастет до критического размера, это приведет к определенным рискам для организма. Наша идея заключается в том, чтобы контролировать степень перекрытия кровеносного сосуда и точно определять необходимое для операции время», – рассказывает профессор кафедры теоретической и математической физики УрФУ Андрей Зубарев

На первом этапе проекта ученые работают над созданием максимально достоверной модели. При ее составлении они использовали реальные результаты исследования инвазивной коронарной ангиографии пациентов с ишемической болезнью сердца. Таким образом, им удалось смоделировать поток крови в условиях, максимально приближенных к реальной медицинской диагностике. 

«На основе данных инвазивной коронарной ангиографии мы разработали трехмерную геометрическую модель участка артерии со стенозом. Используя данные о пульсации давления на входе в исследуемый участок артерии, мы провели гемодинамическое моделирование и получили результаты течения крови для полного кардиоцикла. Эти результаты показали, что за стенозом формируется низкоскоростной вихревой поток, а также возникает область высоковязкой крови, где вязкость увеличивается до двух раз», – поясняет младший научный сотрудник лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Илья Стародумов. 

Кроме того, по его словам, из-за влияния стенок артерий поток становится значительно асимметричным. Это позволяет предположить, что альтернативы трехмерному моделированию для исследования сложных участков реальных сосудов нет. 

«Моделирование артерии после предполагаемой реваскуляризации показывает отсутствие вихря и существенно более равномерные потоки в рассматриваемой области, а скорость потока при этом замедляется до 30%. Таким образом, гемодинамика в области стеноза может значительно отличаться от обычной динамики крови в здоровых участках артерии», – поясняет Илья Стародумов. 

Следующий шаг – запустить в кровоток магнитные наночастицы диаметром 15-20 нанометров, которые позволят «визуализировать» процессы в сосудах. Идея вводить магнитные частицы принадлежит профессору Уральского государственного медицинского университета Феликсу Бляхману. 

«Это будет магнетит. Он хорош тем, что с биологической точки зрения интактен: не вызывает воспаления и других реакций у организма. Выводится естественным способом. Что немаловажно с практической точки зрения – он относительно недорогой. И технологии изготовления наноразмерных частиц из магнетита давно хорошо отработаны, – говорит Андрей Зубарев. – По изменению отклика магнитных частиц можно судить об изменении скорости течения жидкости в конкретном месте. А это может указывать на степень сужения сосуда. Известно, что в месте сужения просвета скорость течения увеличивается пропорционально площади. То есть чем меньше площадь, тем выше скорость». 

Исследовательский проект – масштабный. Работа состоит из теоретической и экспериментальной составляющей. Экспериментальную часть выполняют ученые Уральского государственного медицинского университета и Томского национального исследовательского медицинского центра. Они собирают и обрабатывают клинические данные. Вторая команда – из Уральского федерального университета – занимается теоретическим и вычислительным моделированием, численным моделированием и постобработкой полученных результатов. Здесь ученым УрФУ помогают коллеги – профессор из Манчестерского университета Сергей Федотов и ученый Института программных систем им. А.К. Айламазяна РАН Анатолий Цирлин

«Наша цель – развивать модель: увеличивать размер расчетной области артерии, смотреть, как ведут себя сосуды. Задача сложная, так как у сосудов может быть бифуркация, бляшки могут располагаться различным образом – по несколько штук одновременно и перекрывать то место, где делятся. Необходимо также учитывать эластичную природу сосудов и то, что организм пытается прокачать кровь, растягивая стенки сосудов или пуская кровоток по другому каналу, – констатирует ведущий научный сотрудник лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров. – Живой организм – настолько сложная система, что можно моделировать ее очень долго, и мы сейчас в начале пути. В идеале хотелось бы говорить о персонифицированной медицине, когда диагностика коронарной артерии человека будет занимать порядка десяти секунд, но пока о практическом применении технологии говорить рано». 

Источник: rscf.ru

Источники

Ученые создали математическую модель для диагностики и лечения стеноза артерий
Российское общество ангиологов и сосудистых хирургов (angiolsurgery.org), 07/12/2020

Похожие новости

  • 14/12/2020

    «Айсберг» для климата: профессор ТПУ о метановых выбросах в Арктике

    ​​Ученые зафиксировали удвоение метановых выбросов в Арктике за год. При ускорении деградации мерзлоты огромное количество древнего метана может быть "перекачано" в атмосферу. Как предсказать климатические последствия этого, в интервью РИА Томск рассказал руководитель единственной международной экспедиции в Арктику 2020 года, профессор Томского политеха (ТПУ) Игорь Семилетов.
    531
  • 29/12/2020

    Наталья Гусева: «2020 год потребовал самоотверженности и готовности к переменам»

    ​Директор Инженерной школы природных ресурсов ТПУ Наталья Гусева поделилась результатами, которых достиг коллектив школы в 2020 году, и рассказала о целях и задачах на будущий год.​   Уходящий год стал точкой отсчета новой реальности для всего мира, и, чтобы в нее «встроиться», нам пришлось многое пересмотреть и изменить в своей деятельности.
    1038
  • 28/10/2020

    Российские ученые нашли экологически чистую замену углю

    Улучшить свойства доступных видов биотоплива смогли ученые Томского политехнического университета (ТПУ). По словам авторов, им удалось получить из торфа и отрубей экологически чистое топливо, не уступающее по эффективности бурому углю.
    1101
  • 11/12/2020

    Почему земля вкусная: ученые ТПУ ищут "рецепт" от загадочных болезней

    ​​​Ученые Томского политеха (ТПУ) отправились в экспедицию на Алтай, где будут методами биогеохимии изучать причины геофагии (поедания почвы) животных. Такие исследования прошли в Приморье и предстоят в Забайкалье, в комплексе они расскажут, как окружающая среда и геология местности влияют на живые организмы.
    585
  • 10/03/2021

    Изучение планктона цифровой голографической камерой поможет экологии

    Ученые лаборатории радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды РФФ ТГУ нашли способ определять загрязнения водоемов по планктону. Основной инструмент – цифровая голографическая камера.
    389
  • 03/02/2021

    Программа мероприятий, посвященных Дню российской науки

    ​Ежегодно 8 февраля российское научное сообщество отмечает свой профессиональный праздник — День российской науки. ​ По традиции к этой дате в институтах и вузах, находящихся под научно-методическим руководством Сибирского отделения РАН, приурочены научно-популярные мероприятия: дни открытых дверей, экскурсии, лекции и так далее.
    1494
  • 21/12/2020

    Учёные РФ и Франции выяснят, как пожары могут изменить экосистемы мира

    ​​Двое молодых учёных ТГУ – сотрудники лаборатории «БиоГеоКлим» Артём Лим и Дарья Кузьмина на протяжении двух месяцев работали в одном из ведущих научных центров Франции – Обсерватории Миди-Пиринейз.
    464
  • 05/08/2020

    Томские студенты получили возможность учиться во Франции

    ​​Томский госуниверситет в партнерстве с Руанским университетом выиграли международный грант "Erasmus + International Credit Mobility", благодаря которому магистранты механико-математического факультета (ММФ) ТГУ будут проходить обучение во Франции, а преподаватели выступать с лекциями и вести научную работу в Руане, сообщает пресс-служба вуза.
    438
  • 15/12/2020

    Международная команда физиков изучила радиационные свойства озона

    ​​Полученные результаты помогут осуществлять контроль качества озонового слоя, который участвует в формировании атмосферы и климата Земли, влияет на качество воздуха, охраняет планету от жесткого ультрафиолетового излучения.
    615
  • 15/09/2020

    Физики впервые создали модель для предсказания свойств любых молекул

    Группа ученых-физиков под руководством доцента ФФ ТГУ Рашида Валиева создала новую модель для расчета фотофизических характеристик молекул, которая применима для молекул любой природы, в том числе редкоземельных лантаноидов.
    760