автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Биотехническая система предоперационной диагностики - "Предсердно - желудочковые клапаны"

Введение.

1. Анализ современного состояния исследования и коррекции предсердно-желудочковых клапанов в норме, патологии и при хирургических операциях.

1.1. Исследование предсердно-желудочковых клапанов в норме и патологии.

1.2. Коррекция предсердно-желудочковых клапанов.

1.3. Проблемы предоперационного прогнозирования результатов хирургических операций на предсердно-желудочковых клапанах.

Выводы.

2. Биомеханические основы компьютерного моделирования предсердно-желудочковых клапанов.

2.1. Строение и функционирование предсердно-желудочковых клапанов сердца.

2.2. Геометрические параметры структур митрального клапана.

2.3. Геометрические параметры структур трикуспидального клапана.

2.4. Биомеханика патологических образований в предсердно-желудочковых клапанных аппаратах сердца.

2.5. Механические свойства биологических тканей митрального и трикуспидального клапанов.

2.5.1 Схематизация механических свойств биологических тканей митрального и трикуспидального клапанов.

2.5.2. Экспериментальные исследования механических свойств структур предсердно-желудочковых клапанных аппаратов.

Выводы.

3. Основы компьютерного моделирования днлатации структур предсердно-желудочковых клапанов при хирургических операциях.

3.1. Решение задач биомеханики методом конечных элементов.

3.2. Сравнительный анализ точности вычислений напряженно-деформированного состояния в структурах предсердно-желудочковых клапанов.

3.3. Исследование влияния геометрических параметров и механических свойств структур митрального клапана на напряжения и перемещения при хирургической дилатации.

3.3.1. Определение величины допускаемого напряжения в комиссурах митрального клапана.

3.3.2. Исследование влияния модулей упругости створок и комиссур на величину дилатированного отверстия.

3.3.3. Исследование влияния высоты створок и комиссур на величину дил атированного отверстия.

3.3.4. Исследование влияния толщины створок на величину дилатированного отверстия.

3.3.5. Исследование влияния размеров фиброзного кольца на величину дилатированного отверстия.

3.4. Исследование влияния геометрических параметров и механических свойств структур трикуспидального клапана на напряжения и перемещения при хирургической дилатации.

3.4.1. Исследование влияния модулей упругости створок и комиссур на величину дилатированного отверстия.

3.4.2. Исследование влияния высоты створок на величину дилатированного отверстия трикуспидального клапана.

3.4.3. Исследование влияния толщины створок на величину дилатированного отверстия.

3.4.4. Исследование влияния размеров фиброзного кольца на величину дилатированного отверстия.

3.5. Анализ напряженно- деформированного состояния в атриовентри -кулярной перегородке при дилатации фиброзных колец предсердно -желудочковых клапанов. j

3.6. Подсистема предоперационной диагностики результатов дилатации предсердно-желудочковых клапанов.

Выводы.

4. Клинические исследования БТС - МН — "Предсердножелудочковые клапаны".

Сердечно-сосудистые заболевания являются причиной более 55% всех случаев смерти в России. Неснижающиеся показатели сердечно-сосудистой заболеваемости определяют социально-экономическую значимость этой проблемы. Мировая практика показывает: вложив дополнительные средства в здравоохранение, государство через несколько лет получает ощутимый экономический эффект от снижения заболеваемости и смертности населения. Поражения клапанов сердца составляют в современной клинической практике примерно 25% от числа всех органических заболеваний сердца.

Единственный эффективный путь устранения органического поражения клапанного аппарата- хирургический. Исходя из локализации, морфологической формы и степени поражения клапана, избирается тот или иной способ коррекции. Коррекцию клапанного стеноза предсердно - желудочковых клапанов проводят тремя совершенно различными видами хирургического лечения: комиссуротомией, протезированием и катетерной вальвулопластикой. Каждый тип операций, если о нем судить по соотношению полноценности лечебного воздействия и той цены, которой оно достигнуто (полнота и сроки восстановления функции, долгосрочность эффекта, травматичность и экономичность), обладает определенными преимуществами и недостатками.

При комиссуротомии сохраняется клапан - это основное достоинство этих операций. Недостатком является частое развитие рестеноза, ревматическая активность в послеоперационном периоде, значительная операционная травма, высокий риск митральной недостаточности и эмболических осложнений. Степень риска и стоимость протезирования клапана значительно выше, чем при комиссуротомии. Недостатки протезирования клапана: существенное нарушение биомеханики желудочка, приводящее к миокардиальной слабости, вероятности тромбоэмболии и повторных операций. Многочисленность вариантов механических протезов, а также выбор многих видов биологических тканей с различными принципами обработки, консервации и фиксации, свидетельствуют о сложности и многоплановости проблемы протезирования клапанов сердца. Поэтому широко ведется поиск таких кардиохирургических операций, которые максимально способствуют нормализации гемодинамики и минимально травматичны по способу вмешательства.

В последние годы широкое применение в мировой практике нашли эндова-скулярные методы лечения заболеваний сердца, осуществляемые в рамках биотехнических систем медицинского назначения (БТС — МН) — "Дилатация клапанов". Использование специального инструмента - баллонного катетера, позволило производить малотравматичные вмешательства - катетерную баллонную вальвулопластику (КБВ) на стенозированных клапанах сердца. Операции КБВ выполняются в рентгеновской операционной, оборудованной системами регистрации рентгенотелевиз ионного изображения и физиологических показателей сердечной деятельности, а также эхокардиографом с возможностью интраоперационного выполнения трансторакальной и чреспшцеводной эхокардиографии и допплерографии. Митральная КБВ выполняется в два этапа: 1) диагностический этап - венозная и артериальная катетеризация, транссеп-тальная пункция левого предсердия, киноангиография и манометрия с целью подтверждения данных неинвазивного исследования и уточнения гемодинами-ческой характеристики порока; 2) дилатация пункционного отверстия, проведение баллона в клапан и собственно вальвулопластика.

При этом объективные трудности, существующие при проведении рентгено-хирургических интервенционных операций, не всегда позволяют планировать успех и предсказать исход технически грамотно выполненных манипуляций. Это связано с тем, что: 1) существует большое количество разных форм поражения одних и тех же клапанов и различные сочетания поражений клапанов; 2) один и тот же ревматический процесс протекает по - разному в различных организмах; 3) в момент дилатации клапана наблюдение ведется только в двумерном рентгеновском изображении и в некоторых случаях с УЗ-сканированием;

4) ни один из современных методов не позволяет измерять механические характеристики клапанных структур конкретного организма in vivo; 5) ангиогра-фические методы, достаточно информативные для предоперационного описания пораженных участков, во время рентгенохирургических операций отражают только состояние, в котором дилатируемые структуры находятся до и после операции. В реализованных в клинической практике БТС - МН - "Дилатация клапанов" отсутствует блок "Биомеханика", позволяющей проводить предоперационную диагностику результатов интервенционных малоинвазивных рентгенохирургических операций на предсердно желудочковых клапанах сердца.

Таким образом, актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и ввода в БТС - МН - "Дилатация клапанов" блока "Биомеханика", позволяющего проводить диагностику операций на предсердно - желудочковых клапанах сердца.

Объект исследования -митральные и трикуспидальные клапаны человеческого организма при малоинвазивных интервенционных эндоваскулярных рентгенохирургических операциях.

Предмет исследования - процессы поведения предсердно - желудочковых клапанов при баллонной дилатации, методы описания и параметры состояния для предоперационной диагностики результатов эндоваскулярных рентгенохирургических операций на митральных и трикуспидальных клапанах.

Целью работы является разработка методов предоперационной диагностики результатов эндоваскулярных рентгенохирургических операций на митральных и трикуспидальных клапанах и построение специальных БТС - МН на их основе.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели должны бьггь решены следующие задачи:

- изучение потребностей диагностической и лечебной медицины в реализации предоперационной диагностики результатов эндоваскулярных рентгенохирургических операций на митральных и трикуспидальных клапанах и построение специальных БТС - МН на их основе;

- разработка компьютерных моделей и методов анализа напряжений и перемещений в предсердно - желудочковых клапанах;

- экспериментальные исследования механических свойств тканей предсердно -желудочковых клапанов;

- экспериментальное подтверждение и разработка рекомендаций по использованию предлагаемой БТС - МН "Предсердно - желудочковые клапаны" для предоперационной диагностики состояния митральных и трикуспидальных клапанов.

Методы исследования. В работе использованы методы компьютерного моделирования и механики твердого деформированного тела. Экспериментальные исследования механических свойств тканей клапанов выполнены in vitro на образцах, вырезанных из структур митральных клапанов, иссеченных при хирургических операциях и in vivo, путем обработки и анализа клинического материала (рентгенограмм, эхокардиограмм), полученных во 2 -ой городской многопрофильной больнице и в больнице N 4 г. Санкт Петербурга. Научная новизна результатов заключается в разработке

- методов предоперационной диагностики результатов эндоваскулярных рент-генохирургических операций на митральных и трикуспидальных клапанах, позволяющих разработать блок "Биомеханика" для БТС - МН "Дилатация клапанов";

- компьютерных моделей структур митральных и трикуспидальных клапанов для исследования в них напряженно - деформированного состояния при баллонной дилатации, позволяющих прогнозировать результаты рентгенохирургических операций;

- методов теоретического анализа и расчета для исследования напряжений и перемещений в митральных и трикуспидальных клапанах при баллонной дилатации, позволяющих строить для них математические модели;

- методов экспериментальных исследований механических свойств тканей клапанов in vitro и in vivo, позволяющих вводить в математические модели их биомеханические характеристики.

Практическую ценность работы составляют: параметрические модели для предоперационной диагностики дилатации стенозированных митральных и трикуспидальных клапанов сердца; методики исследования напряженно-деформированного состояния при дилатации стенозированных митральных и трикуспидальных клапанов; биотехническая система предоперационной диагностики малоинвазивных интервенционных хирургических операций на предсердно - желудочковых клапанах сердца.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на 7 всероссийских и международных научных и научно-технических конференциях, в том числе: международных конференциях "Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов" (Ульяновск, 2001 г.), Society of Biomechanics (Wroclaw, 2002 г.), по мягким вычислениям и измерениям, (Санкт-Петербург, 2002 г.); всероссийских конференциях по эндоваскулярной хирургии врожденных и приобретенных пороков сердца, коронарной и сосудистой патологии (Москва, 2002 г.), "История и тенденции развития науки на пороге XXI века" (Санкт -Петербург, 2003 г.), на 58 -ой Научно - технической конференции, посвященной Дню радио (Санкт - Петербург, 2003 г.), Биотехнические и медицинские аппараты и системы. (Махачкала. 2003 г)

Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 научных работ, из них

- 4 статьи, -1 - труды конференции, тезисы к 7 - ми докладам на международных и всероссийских научно - технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 62 наименования. Основная часть работы изложена на 105 страницах машинописного текста. Ра

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Построены компьютерные модели дилатации митрального и трикуспи-дального клапанов, позволяющие впервые исследовать влияние их механических и геометрических характеристик на результаты хирургических операций.

2. Впервые разработана методика исследования допускаемых напряжений для тканей клапанов сердца in vivo.

3. Разработана методика определения механических свойств трикуспидаль-ного клапана.

4. Впервые получены экспериментальные данные механических характеристик митрального клапана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная проблема: построена и исследована БТС-МН "Пред-сердно - желудочковые клапаны", позволяющая проводить предоперационную диагностику эндоваскулярных интервенционных хирургических операций на сердце.

Достоверность полученных результатов подтверждена согласованностью с экспериментальными и клиническими данными, соответствием результатов, полученных аналитическими и численными методами.

1. Михайлов С.С. Клиническая анатомия сердца. -М.: Медицина, 1987. —288 с.

2. Waller D.E. Anatomy of the Heart/ D.E.Waller, R.C.Schlant. New York, Toronto, London.: McGraw-Hill book company INC, 1994. - 2476 p.

3. Сухов.В.К. Эхокардиографическая диагностика приобретённых пороков сердца / В.К.Сухов // Тезисы докладов главного военного клинического госпиталя им.

4. Силин В.А Эхокардиографическая диагностика приобретённых пороков сердца / В.А Силин, И.Д. Есипович // Тезисы докладов научно-практической конференции «Ультразвуковые методы исследования в клинике». М., 1987. — С. 15

5. Струтынский А.В. Эхокардиограмма: анализ и интерпретация. Учебн. пособ. / Ч- А.В. Струтынский // — М.: МЕДпресс-информ, 2001. 208 с.

6. Энциклопедический словарь медицинских терминов: В 3 х томах. / Гл. ред. Б.В. Петровский. М.: Советская энциклопедия, - Т. 1 -3, 1982 - 1984. - Т. 1 - 464 е., Т.2-448 е., Т.3-512 с.

7. Бокерия JI. А. Сердечно-сосудистая хирургия 2001. Болезни и врожденные аномалии системы кровообращения /Л.А.Бокерия, Р.Г.Гудкова// - М.: Изд-во НЦССХ им. А. Н. Бакулева РАМН, 2002. — 83 с.

8. Grossman W. Cardiac Cateterization, Anqioqraphy and Intervention/ W. Grossman. -Philadelphia: Wolters Kluwer Company, 2000. 943 p.

9. Сухов В. К. Отдаленные результаты протезирования митрального и аортального клапанов / В.К Сухов.В.К., А.Б.Зорин, Н.Г.Алешкин, Л.А.Роостар// Актуальные проблемы хирургии: Тез.докл. Тарту, 1989. — С. 23 - 24

10. Сухов В.К. Рентгеноэндоваскулярная хирургия пороков сердца / В.К Сухов.В.К., . В.А.Силин, Г.М.Яковлев, А.Б.Зорин //Актуальные вопросы реконструктивной и восстановительной хирургии: Тез. итог, работ. Иркутск, 1989. — С. 39 -40

11. Сухов В.К Оценка метода катетерной баллонной дилатации при лечении стенозов митрального и аортального клапанов и аорты / В.К Сухов. В.К., Г.М. Яковлев, В.А.Силин // ХЬ сессия общего собрания АМН СССР. Тез.докл, М., 1990. —С. 92-95

12. Сухов В.К Чрескожная эндоваскулярная катетерная баллонная дилатация стенозов митрального и аортального клапанов аорты / В.К Сухов.В.К., В.А. Силин // Вестн.хирургии. 1990. - № 6

13. Сухов В.К Лечение митрального стеноза методом баллонной дилатации / В.К Сухов // Грудная сердечно-сосудистая хирургия, 1990. № 5

14. Силин В.А. Лечение митрального стеноза методом баллонной дилятации /В.А. Силин, В.К. Сухов, И. Д. Есипович // Грудная сер д.- сосуд, хир, 1990.- №4 С. 8 -10

15. Силин В.А. Интраоперационное использование эхокардиографии при эндова-скулярных операциях на сердце и сосудах / В.А. Силин, И.Д. Есипович, И.В. Сухова // Материалы II международного симпозиума "Клиническая эхокардиография".-СПб., 1996. — С.15

16. Силин В.А. Опыт катетерной баллонной дилятации клапанов сердца и аорты у 1024 больных, сосудах / В.А. Силин, И.Д. Есипович, И.В. Сухова, К.Ю. Александров // Вестник рентгенологии и радиологии, 1996, № 5. — С. 10-12

17. Силин В.А. Чрескожная эндоваскулярная катетерная баллонная дилатация стенозов митрального и аортального клапанов / В.А Силин, В.К. Сухов // Вестник хирургии им. И.И. Грекова, т. 144. — С. 8-12

18. Сухова И.В. Непосредственные и отдалённые результаты лечения митрального стеноза методом катетерной баллонной вальвулопластики / И.В. Сухова // Автореферат диссертации на соискание уч. ст. к.т.н. СПб., - 2000, — 23 с.

19. Сухов В.К. К вопросу о современных подходах в лечении ИБС клапанов / В.К. Сухов, Е.А. Шлойдо, И.Н. Качалов // Современные направления в диагностике, лечении и профилактике заболеваний. СПб.: «Ольга», 2001.— 184 с.

20. Коков J1.C. Оценка степени риска катетерной баллонной митральной вальву-лопластики.Обзор / JI.C. Коков, А.Н. Коростылев, М.В. Ильина, Т.А. Кочкина // 5 Сибирская научно-практическая конференция по актуальным вопросам кардиологии.-Красноярск, 2000.

21. Бегун П.И. Гибкие элементы медицинских систем / П.И.Бегун // СПб.: Политехника, 2002. - 300 с.

22. Roberts W.C. Morphologic feature of the normal and abnormal mitral valve / W.C. Roberts// Amer. J. Cordiol,—1983.—V. 51.—N 6.—R 1005 —1028

23. Сагалевич B.M. Перемещения и усилия в элементах клапанно-аортального комплекса в диастолу и систолу / В.М. Сагалевич, H.H. Завалшпин и др. // Механика композитных материалов, 1985. — №1. — С. 114-123

24. Каро К. Механика кровообращения / К. Каро, Т. Педли, Р. Шротер, У. С ид // —М.: Мир, 1981.— 624 с.

25. Захаров В.Н. Биогидромеханика движения крови в полостях сердца и магистральных сосудов / В.Н. Захаров, JLB. Полуэкюв, Н.И. Кремлев и др. // — Новосибирск: НИБХ СО АН СССР, 1989,—31 с.

26. Патофизиология микроциркуляции и гемостаза / Под ред. Н.Н.Петрищева //— СПб.: Изд-во СПбГМУ, 1998. — 500 с.

27. Textbook of interventional cardioloqy / Edited by Eric J. Topol // — Philadelphia: W.B.Saunders Company, 1 st. ed. — 1990. — 684 p., 3 rd. Ed., — V. 1,2. 1392 p.

28. Крановский A.A. Экспериментальная кардиопластика / A.A. Крановский, B.C. Челканов, B.B. Пекарский // — Новосибирск: ВО "Наука", 1992. — 200 с.

29. Бегун П.И. Биомеханика: Учебник для ВУЗов / П.И. Бегун, Ю.А. Шукейло // — СПб.: Политехника, 2000. — 463 с.

30. Березовский В.А. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник / В.А. Березовский, H.H. Колотилов // — Киев: Наукова думка, 1990.—192 с.

31. Fung Y.C. Mathematical representation of mechanical properties of the heart muscle / Y.C. Fung // J. Biomech, 1970. —V. 3, — N 3.— p. 381—404

32. Фанг Я.Ч. Математические модели зависимости напряжение-деформация для живых мягких тканей / Я.Ч. Фанг // Механика полимеров, 1975.— Т. 5.— С. 850— 867

33. Фын Ю.Ч. Биомеханика / Ю.Ч. Фын // Теоретическая и прикладная механика Труды 14 международного конгресса IUTAM, -М.: Мир, 1997 — с. 100 135

34. Изаков В.Я Биомеханика сердечной мышцы / В.Я. Изаков, Г.П. Иткин, B.C. Мархасин и др. // — М.: Наука, 1981. — 326 с.

35. Мархасин B.C. Физиологические основы нарушения сократительной функции миокарда мышцы / B.C. Мархасин, В.Я. Изаков, В.И. Шумаков и др. // — СПб.: Наука, 1994.—256 с.

36. Козлов В.В. Проверка средств неразрушающего контроля / В.В. Козлов // М.: Издательство стандартов, 1989. - С. 215

37. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич // —М.:Мир, 1975 —541с.з

38. Бегун П.И. Компьютерное моделирование в биомеханике: Учеб. пособие / П.И. Бегун, П.Н. Афонин // -СПБ.: Изд во СПб ТЭТУ "ЛЭТИ, 2002 — 72 с.

39. Мюррей Д. Solid Works / Д. Мюррей //—М.:Изд.-во "Лори4', 2001. —458 с.

40. Аксельрад Э.Л. Гибкие оболочки / Э.Л. Аксельрад // — М.: Наука, 1976. —376 с.

41. Бегун П.И. Биомеханика баллонной вальвулопластики / П.И. Бегун, П.Н. Афонин, А.К. Салман, В.К. Сухов // Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Тезисы докладов.— Пермь —2001.— С. 60

42. Begun P. I. Biomechanics of an intervention cardiology / P. I. Begun, A. V Orlikov, G. U. Sintotski, A. K. Salman // International Conference on Computing and Measurements. —SPb.— 2002.— P. 208— 209

43. Begun P. I. Biomechanics of an intervention cardiology / P. I. Begun, A. V Orlikov, G. U. Sintotski, A. K. Salman // 13 th Conference of the European Society of Biomechanics.— Wroclaw —2002.— P. 509

44. Бегун П.И. Модели предоперационной диагностики структур сердца при интервенционных хирургических операциях / П.И. Бегун, А.В. Орликов, Г.Ю. Синтоцкий, А.К. Салман // Изв. ТГРТУ— Медицинские информационные системы— 2002.— С. 63— 64

45. Бегун П.И. Биомеханика интервенционных хирургических операций на клапанном аппарате сердца / П.И. Бегун, А.В. Орликов, Г.Ю. Синтоцкий, А.К. Салман // В кн.: Биотехнические системы в медицине и биологии.— СПб.: Политехника, 2002.— с. 43-47 .

46. Бегун П. И. Моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния при дилатации клапанов сердца / П.И.Бегун, А.В.Орликов, Г.Ю.Синтоцкий, А.К.Салман// Губернские медицинские ведомости, 2003. №2.

47. Салман Абдусалам. Проблемы создания автоматизированной биотехнической системы в кардиологии / Абдусалам Салман // История и тенденции развития науки на пороге двадцать первого века — СПб. 2003. — С. 227

48. Бегун П.И. Прикладная механика: Учебник/ П.И.Бегун, О.П.Кормилицин И -СПб.: Политехника, 1995. 320 с.