Ученые ЛЭТИ разработали цифровой двойник шеи

Модель также позволит изучить последствия операций, в частности, то, как хирургическое вмешательство может глобально повлиять на биомеханику шеи пациента.

Традиционно понимание строения и функционирования тела человека строится на изучении трупных материалов. Однако уже сегодня цифровизация и развитие технологий визуализации открывает для ученых перспективы по переходу от  материальных объектов к искусственным цифровым моделям, которые несут в себе больший объем информации.

 С точки зрения биомеханики шея – одна из наиболее сложных частей человеческого организма. Она крайне компактна, обладает большой подвижностью и выполняет множество жизненно важных функций. Несмотря на значительный прогресс в изучении  биомеханики шеи при помощи цифровых моделей, остаются открытыми вопросы их точности и корректности (валидации).

“ Цель нашего исследования - с помощью этой разработки воспроизвести  биомеханику шеи в нормальном и послеоперационном состояниях с использованием метода конечных элементов, чтобы прогнозировать последствия различных операций. Мы создали виртуальную антропоморфную модель шеи человека, и, в настоящее время, исследуем ее биомеханику после различных вариантов удаления щитовидной железы.”, - рассказывает один из авторов проекта, биомедицинский инженер СПбГЭТУ “ЛЭТИ” Артур Овсепьян.

В состав исследовательской группы вошли ученые Научного центра мирового уровня (НЦМУ) Павловский центр «Интегративная физиология – медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям стрессоустойчивости», который был создан в 2020 году по нацпроекту «Наука и университеты». В состав НЦМУ входят СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и три учреждения РАН – Институт физиологии им. И.П. Павлова, Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова и Институт медико-биологических проблем.

Из данных компьютерной и магнитно-резонансной томографии учеными  была сгенерирована компьютерная модель, которая содержит более 80 анатомических структур шеи, включая опорно-двигательный аппарат, органы и фасции шеи. Сегментация данных проводилась совместно с опытными экспертами в области медицинской визуализации и топографической анатомии. Антропоморфность достигалась с помощью технологий обратного проектирования.

Разработка была создана с помощью программного обеспечения SolidWorks, HyperMesh. Моделирование материалов и анализ методом конечных элементов выполнялись с использованием программного обеспечения Abaqus CAE. Для наглядности и удобства цифровая модель имеет визуальный интерфейс. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Annals of Anatomy. 

“Наша модель показала довольно хорошую точность – 81,3% совпадения с результатами, полученными при операции на трупном материале. С ее помощью мы можем количественно оценить эффективность той или иной операции на щитовидной железе, можем понять, какие существуют риски для возникновения дефектов при хирургическом вмешательстве. А также какова вероятность рецидивов”, - рассказывает старший научный сотрудник НМИЦ им. В.А. Алмазова, ведущий научный сотрудник НЦМУ “Павловский центр”, участником которого является СПбГЭТУ “ЛЭТИ” Евгений Пустозеров.

Сейчас ученые работают над повышением точности созданной модели. В научном проекте приняли участие исследователи из СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, СПбГУ, Московского областного госуниверситета, Северо-Западного государственного медицинского университета им. И.И. Мечникова, Сеченовского университета, Военно-медицинской академии имени С.М. Кирова Минобороны РФ и некоторых других.