3 июня 2024 года представители Санкт-Петербургской клинической больницы Российской Академии Наук и Северо-Западного государственного медицинского университета имени И. И. Мечникова посетили Передовую инженерную школу Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ) и ознакомились с её компетенциями в биомеханике и биомедицинском инжиниринге.
Участники рабочего визита
Представитель Санкт-Петербургской клинической больницы Российской Академии Наук:
- Козаев Андрей Викентиевич, заведующий отделением, врач по рентгенэндоваскулярным диагностике и лечению Санкт-Петербургской клинической больницы Российской Академии Наук.
Представитель Северо-Западного государственного медицинского университета имени И. И. Мечникова:
- Кочанов Игорь Николаевич, главный штатный специалист по рентгенэндоваскулярным диагностике и лечению Северо-Западного Федерального округа, заведующий отделением рентгенхирургических методов диагностики и лечения Северо-Западного государственного медицинского университета имени И. И. Мечникова.
Представители Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг»:
- Боровков Алексей Иванович, проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», Научного центра мирового уровня СПбПУ «Передовые цифровые технологии», Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии», Центра трансфера технологий СПбПУ «Центр трансфера и импортозамещения передовых цифровых и производственных технологий» и Инжинирингового центра (CompMechLab®) СПбПУ;
- Фрейдин Александр Борисович, профессор Высшей школы механики и процессов управления СПбПУ;
- Антонова Ольга Владимировна, доцент Высшей школы механики и процессов управления, заместитель директора Инжинирингового центра (CompMechLab®) СПбПУ;
- Михайлов Александр Александрович, начальник отдела лицензионно-программного обеспечения и международных проектов Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг»;
- Юхнев Андрей Данилович, заведующий учебной лабораторией аэродинамики и гидроупругости СПбПУ;
- Гатаулин Яков Александрович, ассистент Высшей школы прикладной математики и вычислительной физики СПбПУ;
- Рововой Эдуард Юрьевич, инженер отдела лицензионно-программного обеспечения и международных проектов Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг».
Проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», Научного центра мирового уровня СПбПУ «Передовые цифровые технологии», Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии», Центра трансфера технологий СПбПУ «Центр трансфера и импортозамещения передовых цифровых и производственных технологий» и Инжинирингового центра (CompMechLab®) СПбПУ Алексей Боровков поприветствовал участников встречи и выразил заинтересованность в развитии совместных проектов, направленных на применение передовых цифровых технологий в медицине.
Заведующий отделением, врач по рентгенэндоваскулярным диагностике и лечению Санкт-Петербургской клинической больницы Российской Академии Наук Андрей Козаев поблагодарил за организацию встречи и обозначил основные вопросы применения передовых цифровых технологий при проведении коронарной ангиопластики и стентирования под контролем внутрисосудистой визуализации:
- «Сейчас в медицинской практике лечения сердечно-сосудистых заболеваний есть множество широко востребованных технологий, в частности, самая распространённая – это имплантация стента в стенки коронарных сосудов на участке с атеросклеротическими повреждениями.
- Наша задача состоит в том, чтобы выделить из атеросклеротического поражения тот сегмент, который является гидродинамически значимым для проведения стентирования и баллонирования. Нас интересуют дополнительные методы исследования коронарного кровотока, которые функциональны и обладают высоким разрешением.
- С точки зрения влияния на гемодинамику нас, прежде всего, волнуют вопросы определения напряжения сдвига коронарной стенки. Напряжения позволяют оценивать атеросклеротические проявления и прогнозировать поражение. А также на перспективу мы рассматриваем возможность применения иных методик расчёта диаметра и длины при подборе стентов. Это наши основные проблемные ориентиры в общих чертах.
- Если более подробно, то есть конкретная задача, заключающаяся в разработке методики выбора баллонного катетера для пре- и постдилатации при выполнении чрескожного коронарного вмешательства под контролем внутрисосудистой визуализации для достижения целевых значений оптимальной имплантации стента».
Проректор по цифровой трансформации СПбПУ Алексей Боровков представил Экосистему технологического развития Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и кратко описал взаимосвязи подразделений и их функций, которые совместно обеспечивают формирование «золотого стандарта», т.е. определенного баланса между развитием новых научных достижений в сфере системного инжиниринга и их практическим применением в разных отраслях промышленности в кооперации с ведущими предприятиями.
Экосистема технологического развития СПбПУ включает 5 федеральных структур, сформированных в результате побед в конкурсах:
- Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг» (фронтирные инженерные задачи, выполнение НИОКР, подготовка «инженерного спецназа»: магистратура и ДПО, новые научно-технологические и образовательные пространства);
- Научный центр мирового уровня СПбПУ «Передовые цифровые технологии» (проблемно-ориентированные фундаментальные исследования),
- Центр компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» (выполнение НИОКР, разработка и коммерциализация технологий, развитие ДПО);
- Инфраструктурный центр НТИ «Технет» (экспертно-аналитические доклады, нормативное регулирование, деятельность по разработке национальных стандартов);
- Центр трансфера и импортозамещения передовых цифровых и производственных технологий СПбПУ (трансфер технологий, коммерциализация разработок).
Алексей Иванович отметил деятельность Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» как флагманского подразделения Экосистемы технологического развития Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого:
- «Передовая инженерная школа СПбПУ “Цифровой инжиниринг” занимает лидирующие позиции по развитию направлений передовые цифровые технологии и производственные технологии, системный цифровой инжиниринг, по реализации программы развития школы и её инфраструктуры среди других школ-участников федерального проекта. На этапе создания программа развития ПИШ СПбПУ получила поддержку в виде гарантийных писем софинансирования от 22 компаний-партнёров на общую сумму 1,7 млрд рублей, запланировав дополнительно выполнить НИОКР на сумму 4,5+ млрд рублей. Среди индустриальных партнеров ПИШ СПбПУ высокотехнологичные государственные корпорации “Росатом” (7 дивизионов, в первую очередь, это топливный дивизион «ТВЭЛ», машиностроительный дивизион «Атомэнергомаш» и строительный дивизион «Атомстройэкспорт») и “Ростех” (в первую, очередь, «ОДК» и «ОАК»), а также «Газпром нефть», «Северсталь», «Силовые машины» и многие другие.
- ПИШ СПбПУ имеет высокие показатели эффективности и исполняет все взятые на себя обязательства, так как опирается в реализации новых образовательных программ и наукоёмких проектов в интересах индустриальных партнёров на научно-технический задел, сформированный ранее по итогам многолетней работы с ведущими российскими и зарубежными компаниями в разных отраслях промышленности. Важно, что этот научно-технологический задел представлен в цифровом виде – на цифровой платформе разработки и применения цифровых двойников CML-Bench®.
- По показателям деятельности Передовой инженерной школы СПбПУ “Цифровой инжиниринг” я отмечу, что на 1 июня 2024 года получено 1,2 млрд. рублей грантового финансирования, дополнительно привлечено в рамках исполнения НИОКР в интересах индустриальных партнёров ~ 815 млн. рублей, в настоящее время проходит набор на 6 новых магистерских программ и 46 программ дополнительного профессионального образования, направленных на подготовку инженеров, обладающих необходимыми компетенциями для решения актуальных фронтирных инженерных задач российской промышленности».
ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг» уделяет внимание развитию применения технологий компьютерного проектирования, цифрового инжиниринга, цифровых двойников и аддитивного производства в решении прикладных задач различных отраслей медицины и биомеханики. Так, в 2023 году научная группа под руководством Алексея Боровковавыиграла грант Российского научного фонда для проведения исследований физико-механических свойств аддитивно-производимых мета-биоматериалов для тканевой инженерии.
Проект предусматривает изучение механических и биофизических характеристик аддитивно производимых металлических мета-биоматериалов, предназначенных для применения в качестве заменителей костной ткани и элементов ортопедических имплантатов, и их перспективного применения в регенеративной медицине (или тканевой инженерии).
Также в 2023 году Передовые инженерные школы Сеченовского Университета и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого заключили соглашение об открытии совместной лаборатории по разработке эндопротезов.
Далее Алексей Боровков осветил компетенции Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» в биомеханике и биомедицинском инжиниринге и выделил следующие проекты по данной тематике:
- Проектирование персонализированных имплантатов;
- Компьютерный инжиниринг для аппаратно-хирургического лечения в челюстно-лицевой хирургии;
- Конечно-элементное моделирование и исследование нелинейного деформирования тонкостенной трубки из эластомера;
- Конечно-элементное моделирование повреждений при применении фильтра для «ловли тромбов»;
Разработка математических и компьютерных моделей мозга человека. Конечно-элементное моделирование электромагнитных полей человеческого мозга, проведенное совместно с учеными City University London – это исследование «Конечно-элементное моделирование электромагнитных полей человеческого мозга с целью решения прямой задачи магнитно-резонансной томографии на основе результатов магнитоэнцефалографии» в 2009 году было признано экспертным сообществом одним из лучших мультидисциплинарных исследований на конкурсе ANSYS Contest;
- Моделирование краш-тестов с антропоморфными манекенами
Алексей Боровков пояснил:
- «Применение технологий системного цифрового инжиниринга для медицины и биомеханики направлено на увеличение качества и продолжительности жизни людей, а также развития сферы здравоохранения за счёт повышения эффективности лечения пациентов.
- В проектной деятельности мы разрабатываем математические, компьютерные и цифровые модели с высоком уровнем адекватности материалов, физико-механических процессов и высокотехнологичных изделий, проводим верификацию и валидацию разработанных моделей, выполняем многовариантные цифровые (виртуальные) испытания. Эти методы исследования, основанные на передовых цифровых технологиях, позволяют оценить поведение разных типов материалов и биомеханических конструкций при нагрузках или воздействиях с высоким уровнем адекватности, который необходим в персонализированной медицине.
- Среди преимуществ цифрового инжиниринга в сравнении с методами натурных исследований в биомеханике я подчеркну: абсолютную неинвазивность, высокоточный расчет полей перемещений, деформаций и напряжений в любой точке тела, графическую визуализацию перемещений, деформаций и напряжений, реализацию любых возможных схем нагружения в зависимости от клинической ситуации, возможность повторения исследований неограниченное количество раз, если это необходимо.
- Также технологии системного цифрового инжиниринга, в первую очередь, технология цифровых двойников позволяют вести компьютерное проектирование изделий “за гранью интуиции конструктора” на основе математического и компьютерного моделирования. В контексте биоинженерии это значит, что мы можем осуществлять разработку лучших в своем классе изделий с точки зрения предъявляемых к ним высоких требований»,
– подчеркнул проректор по цифровой трансформации СПбПУ.
В завершение выступления Алексей Иванович отметил Цифровую платформу по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench® как ключевой инструмент проектной и образовательной деятельности Экосистемы технологического развития СПбПУ. Проректор по цифровой трансформации СПбПУ подчеркнул, что именно на Цифровой платформе CML-Bench® ведутся наукоемкие проекты для 10+ отраслей промышленности и их успех обусловлен тем, что сама площадка представляет новую систему управления знаниями, компетенциями, требованиями, изменениями и конфигурациями:
- «В настоящий момент на Цифровой платформе по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench® представлено более 328 тысяч цифровых и проектных решений, собранных за многие годы проектной деятельности подразделений Экосистемы технологического развития СПбПУ с высокотехнологичными компаниями из разных отраслей промышленности.
- Работа платформы обеспечивается вычислительными мощностями Суперкомпьютерного центра “Политехнический” и развитой инфраструктурой ПО, состоящей из 167 программных систем и модулей CAx. Высокая производительность Цифровой платформы CML-Bench® позволяет совместно с индустриальными партнёрами выполнять в среднем 125 НИОКР в год, которые направлены на решение актуальных фронтирных инженерных задач, осуществление кросс-отраслевого трансфера технологий и способствуют развитию кадрового потенциала промышленных предприятий».
Начальник отдела лицензионно-программного обеспечения и международных проектов Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Александр Михайлов осветил проект, состоящий в проведении конечно-элементного анализа причин возникновения миграции фильтра и эволюции повреждения стенок CAVA-вены в процессе извлечения фильтра.
- «Инженерами СПбПУ было проведено конечно-элементное исследование пространственного динамического напряженного и деформированного состояния установленного фильтра под действием возрастающего кровяного давления. В рамках проекта был исследован процесс возможного возникновения миграции фильтра и определено усилие, необходимое для извлечения фильтра, предназначенного для "ловли тромбов" в CAVA-вене»,
– заключил Александр Александрович.
Заведующий учебной лабораторией аэродинамики и гидроупругости СПбПУ Андрей Юхнев рассказал об опыте подразделения в проведении расчетно-экспериментальных исследований гидродинамики кровообращения, выполненных в интересах ведущих медицинских центров: Федерального медицинского исследовательского центра им. В. А. Алмазова, Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. акад. И. П. Павлова, Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова; Алтайского государственного медицинского университета, НИИ экспериментальной медицины СЗО РАМН, НИИ онкологии им. Н. Н. Петрова, НИИ скорой помощи им. И. И. Джанелидзе, Научного центра сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева, Института медико-биологических проблем РАН.
- «В ходе данных исследований проводились реальные клинические пациент-ориентированные измерения с помощью ультразвуковых сканеров, компьютерной томографии и осуществлялось физическое и численное моделирование напряжения стенок сосудов, артерий и потока кровообращения в соответствии с изменяющимися условиями экспериментов»,
– дополнил Андрей Данилович.
Заведующий отделением, врач по рентгенэндоваскулярным диагностике и лечению Санкт-Петербургской клинической больницы Российской Академии Наук Андрей Козаев и главный штатный специалист по рентгенэндоваскулярным диагностике и лечению Северо-Западного Федерального округа, заведующий отделением рентгенхирургических методов диагностики и лечения Северо-Западного государственного медицинского университета имени И. И. Мечникова Игорь Кочанов представили презентацию, посвященную ключевым задачам и целям разработки методики выбора баллонного катетера для пре- и постдилатации при выполнении чрескожного коронарного вмешательства под контролем внутрисосудистой визуализации для достижения целевых значений оптимальной имплантации стента, и определили основные критерии включения, исключения, а также необходимые протоколы исследования.
Представители Санкт-Петербургской клинической больницы Российской Академии Наук и Северо-Западного государственного медицинского университета имени И. И. Мечникова высоко оценили компетенции ПИШ СПбПУ в биомеханике и биомедицинском инжиниринге. Участники обсудили направление сотрудничества и выделили основные вопросы для ближайших этапов совместной деятельности.
- «Цифровые технологии и платформенные решения выступают драйвером исследований в любой сфере, так как позволяют в достаточно короткие сроки проанализировать и произвести необходимые расчёты с учётом сотен тысяч параметров и ограничений»,
– подвёл итог проректор по цифровой трансформации СПбПУ Алексей Боровков.