Išmanių ir klimatui neutralių kompetencijų centras
Išmanių ir klimatui neutralių kompetencijų centro naujienos
Vilniaus Gedimino technikos universiteto mokslininkų tyrimai – aortos vožtuvui modeliuoti
2016-11-28
Vilniaus Gedimino technikos universiteto mokslininkų tyrimai – aortos vožtuvui modeliuoti
Sklerodegeneracinė aortos vožtuvo liga pasireiškia nuo 2 iki 7% vyresnių nei 65-erių metų žmonių populiacijoje. Progresuojant aortos vožtuvo pažeidimui, vystosi kraujo tėkmės obstrukcija iš kairiojo skilvelio į aorta ir palaipsniui mažėja aortos angos plotas. Deja, klinikinėje praktikoje naudojama medicinine įranga ir atliekamais tyrimais pakankamai sunku tiksliai nustatyti šios ligos priežastis.
Siekiant Lietuvoje pradėti virtualius skaitinius individualaus paciento aortos vožtuvo tyrimus, galinčius suteikti trūkstamą kokybinę ir kiekybinę informaciją, Vilniaus Gedimino technikos universitete buvo inicijuotas mokslininkų grupių projektas „Kraujo tėkmės pro aortos vožtuvą modeliavimas individualiam pacientui“, kuris 2014 metais gavo Lietuvos mokslo tarybos finansavimą.
Hemodinaminiai ir biomechaniniai procesai kraujo tėkmėje pro aortos vožtuvą yra labai sudėtingi, todėl jų analizei atliekami kompleksiniai tarpdisciplininiai tyrimai, reikalaujantys žinių iš įvairių mokslo šakų. Todėl šį projektą vykdo mokslininkai iš Vilniaus universiteto ligoninės „Santariškių klinikos“ Širdies aritmijų ir rentgeno chirurgijos skyriaus, VGTU Lygiagrečiųjų skaičiavimų laboratorijos, to paties universiteto Taikomosios informatikos ir Mechanikos mokslo institutų bei Grafinių sistemų katedros ir Lietuvos energetikos instituto. Keturmačiai (3D) individualaus paciento aortos vožtuvo vaizdai skenuojami realaus laiko echokardiografijos įranga „Philips IE 33“.
Projekte pasiūlytas aortos vožtuvo geometrinis modelis yra sudarytas iš parametrinių paviršių, remiantis geometrinio modeliavimo žiniomis. Kontrolinių geometrinio modelio taškų koordinatės nustatomos iš medicininių atvaizdžių kompiuterinės grafikos ir vaizdų apdorojimo metodais. Aortos vožtuvo geometrijos pokyčiai tiriami baigtinių elementų metodu. Kraujo tėkmės pro aortos vožtuvą modeliavimas atliekamas skaitiniu baigtinių tūriu metodu. Skaitiniai eksperimentai atliekami komerciniu programų paketu ANSYS Fluent (ANSYS, Inc.) ir atvirojo kodo programų paketu OpenFoam (The OpenFOAM Foundation Ltd.).
Individualaus paciento kraujo tėkmės pro aortos vožtuvą modeliavimas yra labai sudėtingas, reikalaujantis daugybės skaičiavimų, o pasiruošimo etapai atliekami įvairia programine įranga. Dideliam sudėtingų skaitinių eksperimentų kiekiui, geometrijos rekonstrukcijai ir vizualizavimui atlikti pritaikyta VGTU Lygiagrečiųjų skaičiavimų laboratorijoje palaikoma OpenStack debesų kompiuterijos infrastruktūra. Tyrėjų darbui palengvinti, infrastruktūros resursams valdyti ir skaitiniams aortos vožtuvo eksperimentams atlikti sukurtos debesų kompiuterijos programinės įrangos paslaugos (SaaS). Tėkmėje susidarantiems sūkuriams interaktyviai vizualizuoti pritaikyta VGTU sukurta ir palaikoma debesų kompiuterijos e.paslauga VisLT, naudojanti virtualizuotą Grafinį procesorių.
Atliktas kiekybinis virtualių resursų greitaveikos palyginimas su realios aparatinės įrangos greitaveika. Virtualizacijos technologijų ir programinės įrangos testai atskleidė, kad efektyviausiai skaitinius eksperimentus galima atlikti Linux konteineriuose Docker. Perduodant duomenis ir išryškinant sąsajas tarp skirtingų programinės įrangos produktų buvo pasitelktos informatikos inžinerijos žinios.
Projekte sudarytas pagrindas fundamentaliems kraujo tėkmės pro aortos vožtuvą tyrimams. Jų rezultatus galima pritaikyti planuojant naujas operacijas ir diagnozuojant sudėtingus ligos atvejus. Atlikti tyrimai, sumodeliuotos skirtingos anatominės sąlygos ir apskaičiuoti greičių bei slėgio laukai leidžia geriau suvokti kraujotakos ypatumus širdies kamerose. Skaitinio modelio orientacija į individualų pacientą sudaro galimybes taikyti projekto rezultatus medicininėje praktikoje ir tirti unikalius procesus širdyje. Tikimasi, kad projekto rezultatai padės atsakyti į dažnai klinikinėje praktikoje keliamus klausimus apie vožtuvo pakeitimą. Tai leis sumažinti mirštamumą ligonių, kuriems diagnozuota aortos vožtuvo stenoze, grupėje.
