В ПГУ создают инновационные 3D-модели внутриорганных артериальных русел селезенки и почки человека: ноу-хау даст новый виток в трансплантации органов
Медики и ИТ-специалисты Пензенского государственного университета создали двумерные изображения внутриорганных артериальных русел селезенки и почки человека. Для фасолевидного парного органа разработали компьютерную программу «3D-Vasculograph v.2» с применением нейросетевого моделирования. Теперь станет возможным создавать 3D-модель почек любого человека. Об этом сообщило Министерство науки и высшего образования РФ.
Ноу-хау даст новый виток в трансплантации органов. Программа сможет с точностью до 90 % «выбирать» самый подходящий орган из доступных при необходимости его пересадки.
Научный коллектив получил два свидетельства о регистрации баз данных: «База данных цифровых двумерных изображений внутриорганных артериальных русел селезенки человека» и «База данных цифровых двумерных изображений моделей артериального русла почки человека».
По словам руководителя исследования, д-ра мед. наук, профессора кафедры «Анатомия человека» ПГУ Олега Зенина работа зародилась три года назад, в 2020-м, когда во всем мире началась пандемия новой коронавирусной инфекции. С переходом на дистанционное образование встала остро проблема преподавания некоторых дисциплин для будущих врачей — студентов медицинских вузов.
«Мы заострили внимание на инструментах, которые используются для обучения. Например, виртуальный анатомический стол — это 3D-атлас внутренних органов человека. Студент может открыть любой орган, „покрутить” его, детально рассмотреть. Но, к сожалению, некоторые органы анатомический стол не может воспроизвести в точности, как они есть на самом деле. К таким относятся внутриорганные артериальные русла селезенки и почки человека. Они представляют русло очень схематично. Поэтому возникла эта идея — представлять его максимально приближенно к реальности», — рассказал Олег Зенин.
Медики сняли слепки внутриорганных артериальных русел селезенки — 69 штук и почек — 117. Разработали специальную смесь, состоящую из быстротвердеющей стоматологической пластмассы с примесью рентгеноконтрастного вещества. Смесь вводилась в органы (селезенку и почки), полученные после вскрытия людей, погибших от механической асфиксии.
Затем каждый образец подвергался КТ-сканированию. Снимки сравнивались с измерениями слепков.
«После затвердевания вещества органы помещали в концентрированный раствор щелочей или кислот. Биоматериал, соответственно селезенка и почки, „разъедался”, и мы получали уникальные образцы — слепки внутриорганных артериальных русел селезенки и почки человека», — поделился Зенин.
Каждый слепок медики подвергали пошаговой деструкции. Измерялись и оценивались геометрические параметры русел: длина, диаметр артериальных сегментов, углы ветвления и так далее.
«Пошагово мы отламывали по кусочкам слепки и измеряли. Эта работа нам позволила сравнить рентгеновские снимки с нашими измерениями. Погрешность минимальная — 5–10 %», — рассказал один из исследователей, студент 6-го курса Медицинского института ПГУ Илья Милтых.
Совместно с учеными кафедры «Компьютерные технологии» Пензенского госуниверситета в настоящее время медики визуализируют и моделируют реалистические модели русел при помощи цифровых данных и математических моделей. Программа «3D-Vasculograph v.2» «изготовит» регрессионные модели, позволяющие воссоздать внутриорганное артериальное русло почки конкретного человека с точность до ста процентов. В программе необходимо будет задать первые точки: название органа и его начальный размер, кому принадлежит (мужчина или женщина), возраст.
«Внутриорганное артериальное русло почки человека восстановится в 3D-модели до уровня микроциркуляторного русла. Это сделает искусственный интеллект», — добавил Илья.
Исследование пензенских ученых уникальное. Ранее не было разработано подобных детальных и реалистичных виртуальных моделей внутриорганных артериальных русел. Они провели морфометрический анализ русла, включая измерение и оценку геометрических параметров.
«На основании фактического материала можно получить довольно точные математические модели. В этом и есть уникальность нашего исследования», — подчеркнул Олег Зенин.
Масштабное исследование получило новый виток. В ноябре этого года Илья Милтых стал победителем программы «УМНИК-2023» и получил грантовую поддержку в размере 500 тысяч рублей.
«В ближайшее время мы приступим к реализации проекта. Нам предстоит обработать полученный материал и создать сайт. Сайт будет доступен каждому. Студенты смогут в режиме реального времени просматривать строение внутриорганного артериального русла почки человека, достраивать его. А также моделировать ситуации при его нарушении», — поделился Илья.
Ноу-хау от ученых ПГУ даст новый виток в медицинском образовании. Виртуальные и интерактивные модели внутриорганных артериальных русел станут идеальным дополнением дистанционного образования. Программа позволит использовать виртуальную реальность в обучении анатомии.
«Это поможет студентам и медицинским специалистам лучше понять и изучить анатомию, физиологию русел», — уверен Олег Зенин.
Пользователь самостоятельно сможет моделировать движение крови по руслу, следить за кровотоком. Кроме того, он сможет моделировать различные ситуации при его нарушении. И, как следствие, подбирать оптимальное лечение из доступных вариантов.
Цифровые модели внутриорганных артериальных русел и алгоритмы численного моделирования найдут свое применение и в практическом здравоохранении для более точной диагностики и планирования операций.
«Это позволит улучшить результаты оперативных вмешательств и повысить эффективность лечения различных заболеваний, включая сердечно-сосудистые и онкологические заболевания», — поделился Илья Милтых.
Медики уверены, что программа откроет возможность визуализировать внутриорганное артериальное русло почки или селезенки конкретного человека. Это позволит отказаться, например, от хирургической операции по удалению селезенки. Будет проводиться частичная ее резекция.
Еще одно важное направление, где найдет свое применение исследование, — трансплантация органов. По данным Минздрава РФ и других стран СНГ, в 2022 году зарегистрировано около 3 млн случаев хронической болезни почек стадии С5, нуждающихся в пересадке органа. Только за 10 месяцев в 2023 году в России трансплантация почки выполнена 1431 раз. Стоимость одной аллотрансплантации достигает более 2 млн рублей. Приживление органа проходит почти в 70–80 % процентах, но известны случаи, когда орган не приживается. Это становится понятно только через нескольких лет после пересадки. Для того чтобы исключить такой ход событий, необходимо проверить, подойдет орган человеку или нет.
«Наша программа позволит воссоздать внутриорганное артериальное русло почки человека. По виртуальной модели станет понятно, оптимальна ли гемодинамика органа или нет. У врача-трансплантолога появится возможность подобрать реципиенту наиболее подходящий донорский орган», — поделился Зенин.
В планах научного коллектива — оцифровать снятые результаты слепков и КТ-снимков и продолжить изучать новые органы, а также сделать их проекцию как с нормальной анатомией, так и с патологической (при наличии заболевания). Все с применением искусственного интеллекта.
Отметим, результаты проекта могут быть использованы так же в разработке новых медицинских материалов и изделий, применяемых в сосудистой хирургии.