Создана нейросеть для прогноза изменений кровотока при операциях на сосудах

Ученые из Московского физико-технического института, Института вычислительной математики им. Г. И. Марчука РАН и Института компьютерных наук и математического моделирования Сеченовского университета разработали нейросеть, которая поможет хирургам быстро оценивать параметры кровотока при операциях Фонтена. Исследование опубликовано в научном журнале Computation, посвященном вопросам разработки современных вычислительных методов и их приложений.

Операции Фонтена — это серия хирургических вмешательств, которые проводятся детям с единственным желудочком сердца. Так называется врожденный порок, который возникает, когда отсутствует межжелудочковая перегородка или когда один из желудочков не может выполнять свою функцию. Это заболевание считается критическим, и его наличие сопряжено с высоким риском летального исхода.
При этом цель медицинской процедуры — изменение конфигурации кровеносных сосудов таким образом, чтобы направить часть кровотока в обход пораженных участков сердца. Это снимает с него излишнюю нагрузку, предупреждая сердечную недостаточность, и дает возможность предотвратить перемешивание артериальной и венозной крови, что позволяет в полной мере обеспечить снабжение органов и тканей кислородом и питательными веществами.

Однако в результате операции Фонтена образуется четырехсосудистое соединение, которое становится центральным пересечением кровеносных «дорог» в организме. Ключевая проблема при этом — как рассчитать правильную геометрию «перекрестка», чтобы обеспечить наиболее рациональное движение крови через него. От оптимальной конфигурации соединения во многом зависит благополучие органов и тканей, жизнеспособность организма в целом и качество жизни пациента в дальнейшем.

«Сейчас существуют весьма точные способы предсказания кровотока в таких областях со сложной геометрией. Но для этого нужно создавать трехмерные модели сосудов, учитывать упругость материала их стенок, строить трехмерные уравнения движения жидкости в областях с подвижными границами и выполнять сложные вычисления, которые требуют много времени и ресурсов. Вместе с тем часто расчеты нужно произвести быстро накануне или во время операции. Поэтому нашей группой была разработана нейросеть, которая позволяет сосудистому хирургу не погружаться в математические тонкости, а, как на калькуляторе, в оперативном режиме решать подобные задачи», — объяснил суть исследования, ведущий автор, заведующий кафедрой вычислительной физики МФТИ и директор Института компьютерных наук и математического моделирования Сеченовского университета Сергей Симаков.

Научная работа проводилась по заказу НМИЦ сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева Минздрава России и в тесной кооперации с медицинскими специалистами. На базе этого учреждения ежегодно проводятся порядка полутора сотен операций Фонтена. Поэтому медики заинтересованы в поиске наиболее рациональных способов оценки движения крови в четырехсосудистом соединении.

Представленный метод предлагает альтернативу ресурсоемким вычислениям и дает врачам возможность оперативно прогнозировать и рассчитывать правильный кровоток у каждого пациента с учетом его индивидуальной физиологии. Это, в свою очередь, позволяет специалистам принимать обоснованные решения в ходе подготовки к оперативному вмешательству или уже непосредственно во время операции.

Разработанную нейросеть планируется использовать в дальнейшем для совершенствования сетевой модели кровообращения всего организма, которая позволит ответить на вопрос, как локальные изменения кровотока во время операции Фонтена повлияют на транспорт кислорода, питательных веществ и лекарств во всех органах и тканях пациента