Ученые продолжают использовать ресурсы искусственного интеллекта. На этот раз с его помощью специалисты разрабатывают новые протезы клапанов сердца.

На сегодняшний день более 75 млн человек по всему миру страдают от пороков сердечных клапанов и единственным эффективным способом лечения остается их протезирование, то есть замена на искусственные аналоги. Однако результаты длительного наблюдения за такими пациентами показывают, что через 10-15 лет протезы начинают разрушаться из-за иммунного ответа организма и постоянных механических нагрузок. Ученые стараются оптимизировать форму и конструкцию протезов, чтобы продлить срок их службы, используя компьютерное моделирование. Но с первого раза «угадать» оптимальную форму протеза практически невозможно, и ее поиск проходит методом проб и ошибок.

Ученые из Научно-исследовательского института комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний (Кемерово) и их коллеги из Миланского политехнического университета и Трентского университета (Италия) предложили комбинировать модели машинного обучения и алгоритмы оптимизации для поиска наилучшей геометрии сердечных клапанов.

Сначала было спроектировано более 11 тысяч вариантов сердечных клапанов и выполнено компьютерное моделирование каждого из них. Это позволило получить необходимый набор данных, который потом был использован для машинного обучения более 340 моделей. Комбинация лучших из них позволила достигнуть точности предсказания в 96-98 %. На этом этапе была создана программа, способная предсказывать показатели протезов на основе введенных характеристик, которая в перспективе позволит отказаться от классических численных методов.

На втором этапе авторы исследования протестировали шесть программ-оптимизаторов, различающихся принципом подбора геометрических характеристик. Быстрее всего и с наименьшими ошибками работали оптимизаторы Tree-structured, Parzen Estimator и Nondominated Sorting Genetic Algorithm. Последний использовал принципы похожие на естественный отбор в биологии, то есть шел по оптимальному пути для поиска новых вариантов геометрий.

Руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, заведующий лабораторией новых биоматериалов НИИ КПССЗ Евгений Овчаренко сообщил, что в дальнейшем исследователи планируют изготовить прототип по результатам генеративного дизайна для того, чтобы оценить его гидродинамические показатели в реальном мире и сравнить с уже существующими моделями.

Результаты исследования опубликованы на страницах Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

Фото 3D-моделей сердечного клапана, сгенерированных с помощью предложенного авторами подхода, предоставлено пресс-службой Российского научного фонда