name: Компьютерное моделирование и регрессионные методы анализа данных в задачах биофизики миокарда
keyword_list: моделирование сердца биомеханика сердечной мышцы сокращение миокарда регрессионные методы математические модели
abstract: Актуальность темы диссертационной работы. Биофизические модели сердца широко используются для изучения механизмов его функционирования в норме и патологии, в частности, для исследования причин возникновения сердечных аритмий и ухудшения механической функции сердца. Тем не менее, использование биофизических моделей в клинической практике ограничено из-за сложности их вычислений и неопределенности большого числа параметров. В последнее время для анализа моделей все активнее применяются статистические методы, которые позволяют ограничить допустимые диапазоны варьирования параметров модели и определить функциональные связи между параметрами и выходными функциями модели.  Целью диссертационной работы являлось изучение влияния геометрии, структуры, электрофизиологических и механических свойств миокарда на функцию сердца с применением детализированных биофизических компьютерных моделей и современных регрессионных методов анализа данных.
  Актуальность исследования обусловлена высокой потребностью в разработке инструментов, позволяющих решать задачи биофизики миокарда на высоком уровне детализации процессов и при этом за обозримое время. В диссертации разработаны такие подходы, совмещающие математические модели и регрессионные методы, и даны примеры их использования для решения актуальных биофизических задач. 
  Новизна исследования и полученных результатов. В диссертационной работе впервые применен ряд новых методов и алгоритмов в исследовании механической функции левого желудочка сердца. В том числе, разработана и применена методика параметризации геометрии левого желудочка (ЛЖ) по клиническим данным МРТ-исследований. Методика основана на использовании методов автоматической сегментации и решении задачи оптимизации для определения 6 параметров аналитической модели геометрии ЛЖ. Комбинированный подход использования биофизических и статистических моделей применен для исследования активной механики миокарда, в результате которого обнаружена линейная связь между величиной активной деформации миокарда и изменением объема ЛЖ. Этот результат позволил разработать оригинальную редуцированную модель механики ЛЖ, которая с высокой точностью воспроизводит изменение объема и давления в течение сократительного цикла в трехмерной модели ЛЖ. Редуцированная модель сокращает время расчета механической функции ЛЖ с нескольких часов до одной секунды. 
  Значимость результатов исследования для науки и практики. Полученные в диссертационной работе результаты важны как с точки зрения фундаментальной биофизики, так для возможного использования в прикладных задачах. Например, разработанная редуцированная модель существенно облегчает поиск персонифицированных параметров механической модели ЛЖ по клиническим данным. В диссертации продемонстрировано, что редуцированную модель можно эффективно применять для изучения действия на сердце фармакологически активных препаратов на примере исследования действия инотропного препарата «Омекамтив мекарбил» на механическую функцию ЛЖ. В этом исследовании по данным эхокардиографии более чем 200 пациентов автором были подобраны персонифицированные параметры редуцированной модели, описывающей динамику сокращения ЛЖ в каждом индивидуальном случае. Используя построенную популяцию моделей, проведено виртуальное исследование влияния инотропного препарата «Омекамтив мекарбил» на сократительную функцию ЛЖ, результаты которого согласуются с экспериментальными данными на экспериментальных животных и предсказывают ряд нежелательных эффектов применения препарата.   
  Достоверность и обоснованность научных положений и выводов. Достоверность полученных результатов основывается на использовании математических моделей и апробированных численных методов расчетов, верификации вычислительных алгоритмов на тестовых примерах. Приведенные результаты численных экспериментов согласуются с экспериментальными данными, полученными в клинике. 
  Рекомендации по использованию результатов работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в научной работе для исследования особенностей сокращения ЛЖ при различных условиях, а также в прикладных исследованиях для анализа сократительной функции конкретного пациента с помощью математической модели.
  Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены в 2018--2022 гг. на многочисленных международных и всероссийских научных симпозиумах и конференциях.
  Публикации. По материал диссертационной работы опубликовано 10 статей в международных рецензируемых журналах, индексируемых международными базами данных Web of Science и Scopus. 
  
  	В первой главе представлен обзор литературы, посвященный описанию функционирования сердечной мышцы и истории математического моделирования биофизики сердечной мышцы, а также описаны исследования, фокусирующиеся на применении статистических методов совместно с математическими моделями.
  	Вторая глава посвящена математическому моделированию пассивной механики миокарда ЛЖ сердца. Разработан и реализован алгоритм для оценки параметров анатомической модели геометрии ЛЖ по открытым данным МРТ исследований. Проанализированы зависимости параметров геометрии ЛЖ от давления внутри ЛЖ при различных пассивных свойствах материала. С помощью математического моделирования и регрессионных методов решена задача поиска ненагруженной геометрии ЛЖ.
   	Третья глава посвящена анализу влияния микро и макро параметров детальной биофизической модели ЛЖ на его механическую функцию. В первых разделах описаны используемые математические модели. В частности, описаны модели макроуровня, модель саркомера и модель циркуляции крови и их связь в интегративной модели. Для расчета электрической карты активации желудочков была использована отдельная модель, описывающая время прихода волны в каждую точку ЛЖ. Используя детальную биофизическую модель механики ЛЖ, проведено исследование влияния параметров этой модели на механическую функцию ЛЖ. Приведен анализ петель давление-объем в ЛЖ при изменении параметров модели. Показано соответствие модельных результатов известным клиническим данным о характере изменения наклона прямой взаимосвязи конечно-систолического давления и объема ЛЖ при разнообразных воздействиях на миокард, в том числе изменении механических условий сокращения желудочка. Проведен анализ глобальной деформации ЛЖ и выявлена линейная связь с фракцией выброса. Выявлено, что локальная деформация миокарда ЛЖ коррелирует с изменением объема ЛЖ в течение сердечного цикла. Выполнен анализ влияния формы и местоположения постинфарктного рубца миокарда на ударный объем ЛЖ. Показано, что наиболее сильный вклад в уменьшение ударного объема вносит трансмуральная глубина постинфарктного рубца. 
  	Четвертая глава посвящена разработке редуцированной модели механики ЛЖ, которая позволяет воспроизводить симуляции трехмерной детальной биофизической модели сокращения ЛЖ. Редуцированная модель заменяет расчет конечно-элементной модели на макроуровне путем решения алгебраических соотношений, которые связывают деформацию и силу саркомера с давлением и объемом ЛЖ. Проведена верификация этой модели по выходным характеристикам трехмерной модели, не используемым при обучении редуцированной модели. Построена популяция редуцированных моделей с персонифицированными параметрами на основе клинических данных. В рамках полученной популяции моделей изучено влияние инотропного препарата Омекамтив Мекарбил (ОМ) на механическую функцию ЛЖ. 
  	Пятая глава посвящена оценке параметров проводимости в модели электрофизиологии сердца. Основная идея алгоритма заключается в уменьшении размерности параметрического пространства при решении задачи минимизации благодаря аппроксимации параметров проводимости в миокарде при помощи регрессионной модели. Модель с персонифицированными параметрами проводимости, определенными на основе дооперационных данных, затем использовалась для предсказания результатов искусственной стимуляции. Автор привел сравнение результатов двух алгоритмов поиска проводимостей в отдельных регионах сердца.
  В заключении перечислены основные результаты работы.
chairman_dissertation_council.name: Фазоил
chairman_dissertation_council.surname: Атауллаханов
chairman_dissertation_council.patronymic: Иноятович
chairman_dissertation_council.position: научный руководитель
chairman_dissertation_council.degree: Доктор биологических наук
chairman_dissertation_council.rank: Академик
chairman_dissertation_council.wos_research_id: J-8076-2012
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 35567335100
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Виталий
organization_supervisor.surname: Баган
organization_supervisor.patronymic: Анатольевич
organization_supervisor.position: Проректор по научной работе
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 34.03.23
rubrics.name: Математическая биология и теоретическое моделирование биологических процессов. Биоинформатика
oecds.code: 01.06.DA
oecds.name: BIOPHYSICS
speciality_codes.name: Биофизика
speciality_codes.code: 1.5.2.
supervisors.fio: Соловьева Ольга Эдуардовна
supervisors.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
supervisors.speciality_code: Биофизика
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
protection_organization.short_name: МФТИ
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)"
protection_organization.ogrn: 1027739386135
protection_organization.supervisor_name: ДМИТРИЙ
protection_organization.supervisor_surname: ЛИВАНОВ
protection_organization.supervisor_patronymic: ВИКТОРОВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные автономные учреждения
author_organization.short_name: ИИФ УРО РАН
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ИММУНОЛОГИИ И ФИЗИОЛОГИИ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
author_organization.ogrn: 1036603517994
author_organization.supervisor_name: ОЛЬГА
author_organization.supervisor_surname: СОЛОВЬЁВА
author_organization.supervisor_patronymic: ЭДУАРДОВНА
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения