Informace o projektu
Projekt se zabývá vývojem výpočetně efektivních numerických metod a výzkumem použití optimalizačních technik a inverzního modelování pro zpracování a
interpretaci experimentálních dat ve dvou medicínských oblastech: proudění ve velkých cévách a perfuze myokardu. Tyto problematiky patří do hlavních oblastí výzkumu řešitelského týmu partnerského pracoviště UT Southwestern Medical Center v Dallasu. Klinická data z magnetické rezonance (MRI) popisující proudění ve velkých cévách ve 3D, jako například sekvence fázového kontrastu (4D Flow), narážejí často na omezení z hlediska prostorového a časového rozlišení, poměru signálu a šumu nebo na různé artefakty měření. Propojení naměřených dat s biofyzikálními modely
proudění ve velkých cévách – tj. vytvoření modelu specificky podle daného pacienta – umožňuje snížit nepřesnost v těchto datech a zlepšit klinickou analýzu.
Kalibrace biofyzikálních modelů přesně podle daného pacienta je však velmi náročná. V tomto projektu chceme na základě našich odborných znalostí vyvinout kombinované metody založené na matematickém modelování přizpůsobené konkrétním klinickým problémům souvisejícím s prouděním. Tento přístup lze využít pro širokou škálu kardiovaskulárních onemocnění, přičemž v projektu cílíme zejména na problematiku optimálního napojení dutých žil na plicní tepny u Fontanovy jednokomorové cirkulace a na zúžení proximální sestupné aorty (u koarktace aorty). Paralelně s vývojem matematického modelu budou pomocí 3D tisku vyvíjeny fantomy pro měření v magnetické rezonanci za účelem validace modelů proudění ve zjednodušených, reálných či modifikovaných 3D segmentovaných geometriích.
Při zobrazování pomocí MRI není možné zachytit jednotlivé cévy myokardu, avšak mikrovaskulární poškození může být zachyceno prostřednictvím perfuzního
vyšetření. Objektivní kvantifikace perfuze je perspektivní pro včasné zachycení a dlouhodobou monitoraci progrese mikrovaskulárního poškození myokardu
například u pacientů po kardiotoxické chemoterapii, po transplantaci srdce a jiných neischemických postižení, např. dilatačních kardiomyopatií (DKMP). V případě přechodu do srdečního selhání, toto může být odhaleno v rané fázi díky dalším pokročilým MRI metodám akvizice (tagged MRI, 3D cine) a jejich zpracování (charakterizace funkce komory s využitím biofyzikálních a fyziologických podmínek). Po čerstvém záchytu DKMP může následovat velmi variabilní vývoj onemocnění – od významného zlepšení systolické funkce levé komory srdeční a zmenšení jejího objemu, přes přetrvávání nálezu až k progresivnímu srdečnímu selhání s nutností implantace mechanické srdeční podpory nebo transplantace.
Perfuzní studie ukázaly menší perfuzi myokardu v oblastech s fibrózou, paradoxně vyšší globální perfuzi myokardu v klidu s menší perfuzní rezervou při
adenosinovém testu, než u zdravých dobrovolníků. Mikrovaskulární dysfunkce u recentně diagnostikované DKMP nebyla dosud studována ani korelována s
prognózou onemocnění. Spojení perfuzních dat MRI s biofyzikálním modelem má potenciál poskytnout robustní hodnocení vyšetření perfuze myokardu i v případě subtilnějších poškození drobných cév jako je tomu právě u neischemických postižení myokardu. V existujících matematických modelech je myokard typicky reprezentován porézním prostředím. Skládá se z pevné fáze (extravaskulární a extracelulární prostor) a tekuté fáze (intravaskulární prostor). Tekutá fáze se sestává buď z jednoho nebo několika oddělení, každé představující cévy dané světlosti (velké tepny, středně velké tepny, arterioly, venuly a kapiláry).
Modelování perfuze tkáně v 3D komplexní geometrii je výpočetně náročný úkol, který v současnosti limituje praktickou využitelnost v klinickém prostředí.
Zaměřením projektu je vývoj výpočetně efektivních matematických modelů (založených např. na mřížkové Boltzmannově metodě implementované na
klastrech s GPU) v různě složitých geometriích reprezentujících myokard. Tyto modely budou validovány pomocí klinických dat a jejich implementace
optimalizována pro prospektivní využití modelu s daty přímo během perfuzního vyšetření MRI.
Současně s těmito tématy budou zkoumány, vyvíjeny a používány pokročilé počítačové techniky zpracování obrazových dat. Tyto techniky budou tvořit jednak
podpůrné nástroje pro zpracování medicínských dat pro výše popsané oblasti zájmu, ale též budou spolu s vhodnými biomechanickými modely použité například pro kvantifikaci predikce selhání srdečních komor. Všechny klinické otázky a výsledky budou důkladně diskutovány a analyzovány v rámci multidisciplinárního týmu složeného na české straně z aplikovaných matematiků a na americké straně klinických výzkumníků, kardiologů a radiologů, s cílem vyvinout nové, výpočetně efektivní postupy zpracování a interpretace klinických dat a v konečném důsledku tak zlepšit poskytovanou zdravotní péči.
