CONVERGENCE - · PDF file 2018. 1. 31. · CONVERGENCE - unitbv.ro ... 1

CONVERGENCE :: Frictionless Energy Efficient Convergent Wearables for Healthcare and Lifestyle Applications

Newsletter

Numărul 1

Ianuarie 2018

http://aut.unitbv.ro/CONVERGENCE/

CONVERGENCE

Frictionless Energy Efficient Convergent

Wearables for Healthcare and Lifestyle

Applications

Newsletter Numărul 1

Ianuarie 2018

Activitățile s-au concentrat asupra modelului arterial al coarctației aortice. Coarctația

este o afecțiune congenitală care presupune stenozarea unei porțiuni a aortei toracice,

așa cum se poate observa în figura 1.1. Aplicația dezvoltată, denumită Pressure Drop

Computation in Aortic Coarctation este un instrument util pentru determinarea variației

căderilor de presiune și a debitului sangvin în porțiunea stenozată.

Fig.1.1. Coarctația aortică.

Prototipul dispune și de o interfață grafică simplă, în care utilizatorul poate introduce

datele de intrare ale pacientului și să ruleze, în mod clasic, modelul hemodinamic în

vederea calculării căderilor de presiune. Acest proces poate dura între 2 și 4 minute, în

funcție de geometria furnizată la intrare. Chiar dacă nu a făcut parte din obiectivele

1.

Introducere.

Coarctația aortică ............................................... 2

2.

Descrierea aplicației ........................................... 4

3.

Descrierea interfeței grafice .............................. 6

4.

Folosirea algoritmilor de inteligență artificială

pentru determinarea rapidă a rezultatelor ........ 8

CONVERGENCE Newsletter

Nr. 1 | Ianuarie 2018

2

http://aut.unitbv.ro/CONVERGENCE/

acestui an și având în vedere utilitatea și importanța acestei aplicații, s-a lucrat și la o

abordare bazată pe algoritmi de inteligență artificială care vor reduce acești timpi la

durate de ordinul milisecundelor. Pentru aceasta a fost necesară generarea de date

sintetice care să servească pe post de exemple de antrenare. Rezultatele prezentate au

fost obținute cu un număr de aproximativ 2500 de astfel de seturi de date sintetice.

Cele mai bune rezultate au fost obținute cu ajutorul rețelelor neurale, corelația dintre

ieșirea reală și predicție fiind de 99.1%.

1.

Introducere - coarctația aortică

Coarctaţia aortei este un defect congenital care constă într-o

îngustare a aortei, care apare la 5 până la 8% dintre toţi pacienţii cu

afecţiunea cardiacă congenitală (v. fig. 1.1) [Ringel et al., 2012]. Nu

există certitudine referitoare la factorii care cauzează apariţia acestei

afecţiuni. Totuşi, o explicaţie general acceptată este aceea că

patologia este legată de anormalităţi în procesul dezvoltării arterelor

şi în hemodinamica punctului de ramificaţie al vasului ductus

arteriorus în timpul dezvoltării fătului. Se pare că o serie de factori au

influenţă, dintre care cel mai important este cel genetic [Völkl et al.,

2005].

O teorie cu perspective bune în ceea ce priveşte validarea ei prin

intermediul modelării computaţionale este cea postulată de Hutchins

[Hutchins, 1971]. În lucrarea respectivă se sugerează că apariţia

coarctaţiei este o consecinţă a condiţiilor neregulate de curgere a

sângelui pe parcursul dezvoltării fătului. În cazul unui făt sănătos,

debitul sângelui care curge prin aorta ascendentă este mai mare

decât debitul sângelui care curge prin ductus arteriorus. În cazul

patologic, ipoteza este că o parte din debitul prin ductus arteriorus

este redirecţionat către artera subclavie. Aceasta ar conduce la un

tensor de stres anormal de-a lungul peretelui arterial care ar facilita

apariţia îngustării.

Datorită îngustării induse de coarctaţia aortei, presiunea sângelui în

partea superioară a corpului şi în ventriculul stâng este mai mare.

Acest aspect conduce la rândul lui la apariţia hipertrofiei miocardice

pentru a se menţine la un nivel normal stresul lângă pereţii arteriali,

dar şi debitul cardiac. Dacă hipertensiunea nu este tratată, se poate

ajunge la insuficienţă cardiacă congestivă.

În cazul în care condiţia este diagnostică în timpul copilăriei sau

adoloescenţei, pacienţii nu suferă de insuficienţă cardiacă, datorită

dezvoltării unor artere colaterale coarctaţiei (v. fig. 1.1(d)). Cu toate

acestea, presiunea arterială scăzută de după îngustare, afectează

extremităţile inferioare.

Pacienţii născuţi cu coarcţie aortică necesită îngrijire medicală

continuă, care constă în vizualizarea invazivă sau non-invazivă a

aortei, terapie medicamentoasă şi, în cazul în care coarctaţia se

reformează, cateterizare invazivă sau intervenţie chirurgicală pentru

a reduce presiunea sanguină în aorta ascendentă. Pentru evaluarea

pre-operatorie a severităţii coarctaţiei şi pentru evaluarea post-

operatorie a îngustării reziduale există o serie de tehnici utilizate în

clinici. Evaluarea anatomică se bazează, de obicei, pe rezonanţă

magnetică (MRI) sau tomografie computerizată (CT), în timp ce,

evaluarea funcţională constă în măsurarea căderii de presiune (Δp)

de-a lungul coarctaţiei. Cea mai precisă evaluare a căderii de

presiunii (determinată ca diferenţa de presiune dintre valoarea

sistolică maximă din amonte de coarctaţie şi valoarea sistolică

maximă din aval de coarctaţie) este realizată invaziv prin măsurarea

presiunilor cu ajutorul unui cateter. Dacă valoarea este mai mare de

20 mmHg, atunci se consideră că îngustarea este semnificativă. Există

şi alternative mai puţin precise pentru evaluarea coarctaţiilor:

 măsurarea presiunilor arteriale în cadrul extremităţilor

superioare şi inferioare (braţe şi picioare) şi realizarea

diferenţei dintre cele două valori. Această metodă are la bază

faptul că braţele sunt alimentate de artere care se bifurcă din

aortă la o locaţie aflată în amonte de coarctaţiei, iar picioarele

sunt alimentate de artere care se bifurcă din aortă la o locaţie

aflată în aval de coarctaţie;

 utilizarea ecocardiografiei Doppler pentru estimare gradienţilor

maximi/medii de presiune.

Măsurătorile efectuate prin intermediul ecocardiografiei Doppler

adeseori nu sunt fezabile în cazul adolescenţilor şi adulţilor datorită

poziţiei posterioare a aortei descendente şi, de obicei,

supraestimează căderea de presiune, atât în cazul folosirii ecuaţiei

Bernoulli modificate cât şi în cazul utilizării ecuaţiei Bernoulii

simplificate [Seifert et al., 1999]. Ecuaţia Bernoulli modificată este:

 21224 vvp  (1)

unde, 2v este viteza maximă la coarctaţie şi 1v este viteza maximă

înainte de coarctaţie, iar varianta simplificată este

22 2

vp 

 (2)

Alte studii au arătat că diferenţa presiunilor arteriale între mâini şi

picioare reprezintă o estimare incorectă a gradientului de presiune

de-a lungul coarctaţiei [Hom et al., 2008], atunci când se compară cu

valoarea obţinută prin standardul clinic care constă în măsurarea

invazivă realizată cu ajutorul unui cateter.

CONVERGENCE Newsletter

Nr. 1 | Ianuarie 2018

3

http://aut.unitbv.ro/CONVERGENCE/

În cazul în care coarctaţia este semnificativă, există mai multe opţiuni

de tratare a acesteia [Beltrán, 2012]:

 anastomoză: segmentul aortic care conţin coarctaţia este

înlăturat şi cele două capete ale aortei sunt unite;

 aortoplastie: dacă cele două capete ale aortei sunt prea

îndepărtate unul de celălalt pentru aplicarea primei metode,

atunci se introduce o proteză dintr-un material compliant

corespunzător;

 angioplastie: este o procedură care constă în umflarea şi

deflaţia unui cateter cu balon în vederea ameliorării îngustării.

Această metodă este adeseori considerată o alternativă în cazul

reapariţiei coarctaţiei, fiind utilizată datorită caracterului minim

invaziv;

 plasarea unui stent: stenturile sunt tuburi realizate dintr-o

combinaţie de plastic şi metal care sunt plasate în arterele

îngustate sau blocate. În contextul coarctaţiei aortice, această

procedură este aplicată în cazul reapariţiei coarctaţiei după

intervenţiile chirurgicale sau după angioplastie, în cazul unei

geometrii nefavorabile angioplastiei sau în cazul unui risc sporit

pentru intervenţia chirurgicală.

Coarctaţia aortică este o condiţie patologică continuă, care poate

conduce la numeroase complicaţii de-a lungul vieţii unui pacient,

chiar şi după o intervenţie de succes. Ca şi la hipertensiunea cauzată

de alte motive, pacienţii au un risc sporit în ceea ce priveşte

ateroscleroza p