350 руб
Журнал «Биомедицинская радиоэлектроника» №5 за 2023 г.
Статья в номере:
Система имитационного моделирования пульсового потока в крупных сосудах для ангиографических исследований
Тип статьи: научная статья
DOI: https://doi.org/10.18127/j15604136-202305-09
УДК: 612.133, 611.08
Ключевые слова: Компьютерная томография пульсирующий поток медицинские симуляторы аорта ангиографическое исследование
Авторы:

М.Р. Коденко1, А.Н. Архангельский2, А.В. Самородов3, Р.В. Решетников4

1,4 Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий Департамента здравоохранения города Москвы (Москва, Россия)

1–3 Московский Государственный Технический Университет имени Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

1 m.r.kodenko@yandex.ru, 2 Ar-han@yandex.ru, 3 avs@bmstu.ru, 4 reshetnikov@fbb.msu.ru

Аннотация:

Постановка проблемы. Биологически адекватные физические модели гемодинамики являются ценным инструментарием для проведения научных исследований в сфере совершенствования и оптимизации методов компьютерной томографической ангиографии (КТА). Высокая стоимость зарубежных аналогов и их хирургическая специализация ограничивает развитие отечественных методов совершенствования КТА. Кроме того, большинство существующих систем сосредоточены на имитации работы сердечной мышцы, поэтому для исследования кровотока в отдельном сосуде требуется имитация всех сегментов сосудистого русла до исследуемого участка, что приводит к избыточному усложнению конструкции.

Цель. Создать систему, имитирующую пульсовое кровенаполнение в отдельном сосудистом сегменте для КТА-сканирования.

Результаты. Устройство включает в себя блок системы генерации пульсовой волны, реализованное на базе управляющей платы, преобразователя напряжение-частота и циркуляционного насоса, а также тест-объект, представляющий собой модель расширенного участка брюшного отдела аорты. Тест-объект выполнен из тканеимитрующих материалов Dragon skin 30 и TPU 95A, воспроизводящих не только биомеханические, но и рентгеновские свойства биообъекта. Полученные в ходе экспериментального исследования макетного образца результаты демонстрируют биоадекватность воспроизводимых параметров потока в физиологическом частотном диапазоне пульсаций 0,5…1,5 Гц: 60…130 мм рт. ст. для давления и 0,25…0,47 м/с для скорости потока. Коэффициент корреляции Спирмена между генерируемым и опорным профилями пульсовой волны составил 0,96. Сопоставление значений рентгеновской плотности тест-объекта и вводимого контрастного вещества демонстрирует нормальное распределение данных (p=0,86 – тест Шапиро-Уилка) и отсутствие статистически значимых отличий (p=0,89 – t-критерий Стьюдента); 95%-ный доверительный интервал (ДИ) для рентгеновской плотности материала тест-объекта составляет (112; 125) HU, что хорошо согласуется с литературными данными.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для исследования и оптимизации протоколов сканирования КТА, а также при разработке хирургических симуляторов.

Страницы: 85-95
Для цитирования

Коденко М.Р., Архангельский А.Н., Самородов А.В., Решетников Р.В. Система имитационного моделирования пульсового потока в крупных сосудах для ангиографических исследований // Биомедицинская радиоэлектроника. 2023. T. 26. № 5. С. 85-95. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604136-202305-09

Список источников
  1. Erbel R. et al. 2014 ESC Guidelines on the diagnosis and treatment of aortic diseases: Document covering acute and chronic aortic diseases of the thoracic and abdominal aorta of the adult. The Task Force for the Diagnosis and Treatment of Aortic Diseases of the European Society of Cardiology (ESC) // Eur. Heart J. 2014. V. 35. № 41. P. 2873–2926.
  2. Robinson J.D. et al. Imaging of blunt abdominal solid organ trauma // Seminars in roentgenology. 2016. V. 51. № 3. P. 215–229. DOI: 10.1053/j.ro.2015.12.003
  3. Barnard R. et al. Machine Learning for Automatic Paraspinous Muscle Area and Attenuation Measures on Low-Dose Chest CT Scans // Acad. Radiol. 2019. V. 26. № 12. P. 1686–1694. DOI: 10.1016/j.acra.2019.06.017
  4. Шаблоны протоколов описания исследований по специальности «Ренгенография» магнитно-резонансная томография. URL: https://trauma.ru/content/articles/detail.php?ELEMENT_ID=45874 (дата обращения: 25.03.2023).
  5. Faggioni L., Gabelloni M. Iodine concentration and optimization in computed tomography angiography: current issues // Investigative Radiology. 2016. V. 51. № 12. P. 816–822. DOI: 10.1097/RLI.000000000000028
  6. Cochran S.T. Anaphylactoid reactions to radiocontrast media // Current allergy and asthma reports. 2005. V. 5. № 1. P. 28–31.
  7. Соколова И.В. Сердце как гемодинамический насос с позиции теории «активной диастолы» // Биомедицинская радиоэлектроника. 2013. № 3. С. 10–20.
  8. Гудков А.Г., Нарайкин О.С. Инновации – основной фактор развития медицинской техники // Биомедицинская радиоэлектроника. 2012. № 12. С. 3–8.
  9. Meess K.M. et al. 3D printed abdominal aortic aneurysm phantom for image guided surgical planning with a patient specific fenestrated endovascular graft system // Medical imaging 2017: imaging informatics for healthcare, research, and applications. 2017. V. 10138. P. 159–172. DOI: 10.1117/12.2253902
  10. Kärkkäinen J.M. et al. Simulation of endovascular aortic repair using 3D printed abdominal aortic aneurysm model and fluid pump // Cardiovascular and Interventional Radiology. 2019. V. 42. P. 1627–1634. DOI: 10.1007/s00270-019-02257-y
  11. Your heart rate // British Heart Foundation. URL: https://www.bhf.org.uk/informationsupport/how-a-healthy-heart-works/your-heart-rate (дата обращения: 24.03.2023).
  12. CieNTi/serial_port_plotter // GitHub. URL: https://github.com/CieNTi/serial_port_plotter (дата обращения: 24.01.2023).
  13. Terminal 1.9b-работаем с COM-портом/Скачать Terminal // MicroPi. 2016. URL: https://micro-pi.ru/terminal-1-9b (дата обращения: 24.01.2023).
  14. Датчик давления газа 0,3-1,2 атм., MS5837-02BA // АО «ЧИП и ДИП» — приборы, радиодетали и электронные компоненты. URL: https://www.chipdip.ru/product0/8009542627?ysclid=ljabfdobmz480929012 (дата обращения: 24.10.2022).
  15. аYF-S201C Transparent, Датчик расхода воды для Arduino проектов, 1-30л/мин, резьба G1/2, // АО «ЧИП и ДИП» — приборы, радиодетали и электронные компоненты. URL: https://www.chipdip.ru/product/yf-s201c-transparent?ysclid =ljabg2ffq3289878387 (дата обращения: 24.10.2022).
  16. Barrett J.F., Keat N. Artifacts in CT: recognition and avoidance // Radiographics. 2004. V. 24. № 6. P. 1679–1691. DOI: 10.1148/rg.246045065
  17. Омнипак – инструкция по применению, дозы, побочные действия, отзывы о препарате: раствор для инъекций, 350 мг йода/мл. URL: https://www.rlsnet.ru/drugs/omnipak-2313 (дата обращения: 24.02.2023).
  18. Парашин В.Б., Иткин Г.П. Биомеханика кровообращения. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2005. С. 10–50.
  19. Бриль К.Р., Ховрин В.В. Магнитно-резонансная томография в оценке критериев жёсткости стенки аорты // Digital Diagnostics. 2022. Т. 3. № 1S. C. 10–11. DOI: 10.17816/DD105655
  20. García-Herrera C.M., Atienza J.M., Rojo F.J. et al. Mechanical behaviour and rupture of normal and pathological human ascending aortic wall // Med. Biol. Eng. Comput. 2012. V. 50. P. 559–566. DOI: 10.1007/s11517-012-0876-x
  21. Tanaka H., Unno N., Suzuki Y., Sano H., Yata T., Urano T. Hypoperfusion of the Aortic Wall Secondary to Degeneration of Adventitial Vasa Vasorum Causes Abdominal Aortic Aneurysms // Current drug targets. 2018. V. 19(11). P. 1327–1332. DOI: 10.2174/1389450119666180122154409
  22. Heistad D.D., Marcus M.L. Role of vasa vasorum in nourishment of the aorta // Journal of Vascular Research. 1979. V. 16(5). P. 225–238.
  23. Greenway K., Gaillard F., Bell D. et al. Hounsfield unit. Reference article // Radiopaedia. 2015. DOI: 10.53347/rID-38181
  24. WebPlotDigitizer – Extract data from plots, images, and maps // URL: https://automeris.io/WebPlotDigitizer/ (дата обращения: 24.02.2023).
  25. STM32F407G-DISC1, Отладочная плата на базе MCU STM32F407VGT6 (ARM Cortex-M4), ST-LINK/V2-A, accelerometer, DAC, ST Microelectronics // АО «ЧИП и ДИП» — приборы, радиодетали и электронные компоненты. URL: https://www.chipdip.ru/product/stm32f407g-disc1-2?ysclid=ljaca6tbp4971981660 (дата обращения: 24.02.2023).
  26. Преобразователь частоты SPE401B21G (0.4KW, 220V, 1PH) // АО "Интек". URL: https://www.intek.ru/catalog/ preobrazovateli_chastoty_intek_spe/19536/?ysclid=ljacb3pwkd511404334 (дата обращения: 24.02.2023).
  27. Group I.T.A. Рециркуляционный насос 12019637 для Bosch Siemens в Москве // ITA-Group. URL: https://ita-group.ru/ (дата обращения: 24.02.2023).
  28. Основные методы изготовления силиконовых изделий. «Резинопласт». URL: https://rezinaplast.ru/articles/tehnologii-proizvodstva-silikonovyh-izdeliy- (дата обращения: 24.02.2023).
  29. Kwon J., Ock J., Kim N. Mimicking the mechanical properties of aortic tissue with pattern-embedded 3D printing for a realistic phantom // Materials. 2020. V. 13. № 21. P. 5042.
  30. Jonovic K. et al. Evaluation of radiodensity and dimensional stability of polymeric materials used for oral stents during external beam radiotherapy of head and neck carcinomas // Clinical and translational radiation oncology. 2022. V. 36. P. 31–39.
  31. Инобитек. Программное обеспечение для медицины: Инобитек DICOM-Просмотрщик, Инобитек Web DICOM-Просмотрщик, Инобитек DICOM-Сервер (PACS). URL: https://inobitec.com/ (дата обращения: 24.02.2023).
  32. Posit. URL: https://www.posit.co/ (дата обращения: 24.12.2022).
  33. Patent US8926333B2 USA. Device, system, and method for simulating blood flow / J. Vozenilek, T. Cusack, S. Admani, E. Bethke, M. Regan // URL: https://patents.google.com/patent/US8926333B2/en (дата обращения: 24.02.2023).
Дата поступления: 22.08.2023
Одобрена после рецензирования: 21.09.2023
Принята к публикации: 02.10.2023