Проект направлен на разработку механистической модели, включающей в себя гемодинамику и гемореологию крови в коронарных артериях со стенозами. Актуальность исследований продиктована проблемами диагностики и лечения ишемической болезни сердца – одного из наиболее распространенных заболеваний во всем мире, имеющего тяжелые и в том числе летальные последствия. Несмотря на интенсивное развитие компьютерных методов диагностики и эндоваскулярных методов лечения, механика реологических процессов в крови и ее влияние на гемодинамические течения остается важным направлением научных изысканий, которому посвящены многие работы последнего времени. Сложность таких исследований заключается в том, что значимые реологические процессы в крови проистекают уже на молекулярном уровне взаимодействия (образование липидных мостиков, функционирование клеточных мембран), порождая эффекты формирования агрегатов из клеток крови и, как следствие, неравномерную вязкость крови в целом. С другой стороны, изменение сдвиговых напряжений, турбулизация, конвективный перенос в гемодинамических потоках также вносят свой вклад в гемореологию. Таким образом, попытка создать многомасштабную модель из первых принципов становится очень сложной задачей, а если учесть, что ряд физиологических и биомеханистических теорий в этой области еще только разрабатываются, то и неосуществимой.
В настоящем проекте предлагается использование новой компромиссной концепции квазимеханистической реологической модели крови, предполагающей учет основных известных факторов, влияющих на вязкость, таких как гематокрит, концентрацию фибриногенов и взякость плазмы, температуру, деформацию эритроцитов. Объединяя такую гемореологическую модель с моделью гемодинамики на основе уравнений Навье-Стокса и соответствующей модели турбулентности, станет возможным проведение компьютерных симуляций и детальный анализ процессов внутри коронарной артерии особенно в зоне стенотического сужения. Появится возможность проанализировать изменения, наступающие вследствие стентирования пораженного сосуда. Кроме того, такая модель даст возможность получить фундаментальное подтверждение технологий для инновационных перспективных методов диагностики с помощью магнитных наночастиц, что является важным приложением разработок проекта. Такие комплексные модели и компьютерные эксперименты будут новыми, результаты исследований планируется опубликовать в ведущих журналах из 1 квартиля.
Проект будет сопровождаться исследованиями, основанными на данных медицинской диагностики пациентов, результаты моделирования будут сопоставляться с медицинскими наблюдениями. Для этого будут привлекаться эксперты из Тюменского кардиологического научного центра и НИИ скорой помощи им. Н. В. Склифосовского.
Проект будет иметь значение как для развития как реологических представлении о гемопотоках в коронарных артериях, так и медицинской теории, физиологии, перспективных методов диагностики стенозов.
Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта планируется достижение следующих результатов:
1) Будет разработан комплекс физико-математических моделей для описания гемодинамики и гемореологии в коронарных артериях; определена общая математическая постановка задачи, методы решения, выполнена их программная реализация. Аналогичные методы и программные модули в настоящее время в научной литературе не описаны, достигнутые результаты будут новыми.
2) Будут проведены симуляции гемодинамических течений для модельных сосудов идеальной геометрии и для реконструированных сосудов по данным медицинской диагностики. Будут учитываться все разработанные физико-математические модели реологии и гемодинамики, турбулентность потоков, упругость стенок сосудов. Результаты будут сопоставлены с современной физиологической и медицинской теорией, а также с данными медицинских наблюдений. Подобных комплексных симуляций ранее не выполнялось, достигнутые результаты будут новыми. Результаты позволят проанализировать детальные особенности течения и структуры крови вблизи стенозов, развить медицинские представления о течении заболевания и оптимальных методах его лечения. Практическая значимость результатов будет обеспечиваться взаимодействием с практикующими врачами кардиологами экспертного уровня из НИИ скорой помощи имени Н. В. Склифосовского и Тюменского кардиологического научного центра.
3) Будет сформулирована модель переноса магнитных наночастиц гемопотоком в условиях постоянного магнитного поля. Будут проведены компьютерные симуляции такого транспорта. На основе результатов симуляций будут сделаны выводы о фундаментальной обоснованности метода диагностики гемодинамического состояния путем отслеживания магнитного отклика наноразмерных частиц. Результаты моделирования будут сопоставлены с ранее полученными экспериментальными данными для водных растворов. Поскольку исследуемые технологии работы с магнитными наночастицами в медицинских целях являются инновационными и разрабатывались непосредственно при участии основных исполнителей проекта, полученные результаты будут новыми и позволят добиться существенного прогресса в этой области.
