автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Методика исследования состояния кровеносных сосудов при дилатации и система информационной поддержки эндоваскулярных операций

На правах рукописи

Степанов Сергей Константинович

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ КРОВЕНОСНЫХ СОСУДОВ ПРИ ДИЛАТАЦИИ И СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ЭНДОВАСКУЛЯРНЫХ ОПЕРАЦИЙ

Специальность: 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского

назначения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Бегун П И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ахутин В.М.

кандидат медицинских наук, доцент Кучинский А.П.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет

Защита состоится 2005 г. в 40 часов на заседании

диссертационного совета Д 2*12.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова,5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан ■ # "¿¿Щ&2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

X

Юлдашев З.М.

7Ш¥~

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Атеросклеротические поражения сосудов являются основной причиной многих заболеваний. Суть этих поражений состоит в том, что новообразования внутри сосуда - атеросклеротические бляшки - перекрывают просвет сосуда и препятствуют кровоснабжению органов. Чрескожная баллонная дилатация позволяет посредством механического разрушения бляшек восстановить кровоток.

Транслюминальная баллонная коронарная ангиопластика (ТБКА) начала применятся с 1977 г. и в настоящее время в мире выполняется более 1 млн. малоинвазивных кардиоваскулярных процедур в год. ТБКА обладает рядом преимуществ по сравнению с коронарным шунтированием (КШ): меньшая травматичность, возможность повторного неоднократного применения, относительная дешевизна (примерно в три раза дешевле операции КШ). Однако, несмотря на значительный прогресс в баллонных катетерных технологиях и, соответственно, рост количества успешных ТБКА до 90%, снижение экстренных операций КШ до 1-2%, такое осложнение ТБКА как острое закрытие сосуда осталось на уровне 5-8%, угрожающее закрытие-7-10%, а рестенозы отмечаются в 33-47% случаев. Процент рестенозов довольно высок. Чем больше повреждения стенок сосудов при дилатации, тем больше вероятность повторного образования стенозов. Правильный подбор режима механического воздействия существенно влияет на конечный результат лечения Для определения оптимальных параметров этого воздействия необходим анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) бляшки и стенок сосуда, возникающего при проведении операции.

Стремительное развитие медицинских технологий в последнее время, с одной стороны, огромное распространение и большое разнообразие поражений кровеносных сосудов, с другой стороны, требуют системного подхода к решению проблемы борьбы с заболеваниями кровяного русла.

Необходимость такого подхода связана также со все возрастающим значением информационного обеспечения. Отсутствие необходимой информации создает большие трудности при выполнении операций на сосудах и не позволяет уверенно прогнозировать результат.

Врач, являющийся управляющим звеном биотехнической системы медицинского назначения (БТС МН), определяет выбор цели и реализацию поставленной задачи. При выборе технологии интервенционной малоинвазивной операции, он не располагает необходимой информацией о характеристиках элементов системы, их свойств, диапазоне внешних воздействий, при которых эти элементы сохраняют

РОС НАНИАНАЛЬНАЯ

I

необходимые функциональные свойства. Он может руководствоваться только предшествующим опытом и опираться на свою интуицию.

Отсутствие необходимого информационного обеспечения объясняет тот факт, что, до настоящего времени, не сложилось общее мнение о технологических принципах малоинвазивных интервенцион-но-хирургических операций патологии, не изучены условия минимизации травмирования внутрисосудистых структур при достижении лечебного эффекта.

Таким образом, актуальность работы обусловлена:

распространенностью поражений кровеносных сосудов;

необходимостью повышения эффективности работы БТС МН "Кровеносные сосуды", позволяющей проводить прогнозирование результатов операций баллонной дилатации кровеносных сосудов.

Объект исследования - БТС МН "Кровеносные сосуды", позволяющая проводить прогнозирование результатов операций баллонной дилатации кровеносных сосудов.

Предмет исследования - информационное и методическое обеспечение БТС МН "Кровеносные сосуды" предоперационного прогнозирования результатов эндоваскулярных рентгенохирургических операций на кровеносных сосудах.

Целью работы является повышение эффективности работы БТС МН "Кровеносные сосуды" за счет развития информационного и методического обеспечения для предоперационного прогнозирования результатов малоинвазивных рентгенохирургических операций на кровеносных сосудах.

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

- разработка расчетных схем и математических моделей для исследования перемещений и напряжений в стенках стенозированных кровеносных сосудов при дилатации;

- компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния стенок сосудов и патологических образований при дилатации;

- создание блока "Биомеханика", содержащего разработанное информационное и методическое обеспечение для предоперационного прогнозирования результатов малоинвазивных рентгенохирургических операций на кровеносных сосудах;

- экспериментальное подтверждение и разработка рекомендаций по использованию БТС МН "Кровеносные сосуды" для предоперационного прогнозирования результатов эндоваскулярных рентгенохирургических операций на кровеносных сосудах.

Методы исследования. В работе использованы методы математического компьютерного моделирования, механики твердого де-

формированного тела, теории оболочек Экспериментальные исследования выполнены путем обработки и анализа клинического материала (ангиограмм, эхокардиограмм), полученных во 2 -ой городской многопрофильной больнице и в больнице №4 г. Санкт - Петербурга.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:

- предложенный метод теоретического анализа и расчета для исследования напряжений и перемещений в стенках кровеносных сосудов и атеросклеротических бляшек, позволяет строить для них математические модели;

- разработанная компьютерная модель структур кровеносных сосудов и патологических образований для исследования в них НДС, позволяет прогнозировать результаты эндоваскулярных рентгенохирур-гических операций на кровеносных сосудах;

- предложенный метод основан на анализе результатов компьютерного моделирования и позволяет прогнозировать результаты эндоваскулярных рентгенохирургических операций на кровеносных сосудах;

- предложенный метод экспериментальных исследования механических свойств тканей кровеносных сосудов и патологических образований позволяет определять их in vivo и вводить в математические модели.

Практическую ценность работы составляют:

- методики исследования напряженно-деформированного состояния стенок кровеносных сосудов человеческого организма в норме, патологии и при хирургических операциях;

- параметрические модели для предоперационного прогнозирования результатов дилатации стенозированных сосудов с бляшками разной степени развития;

- блок "Биомеханика" биотехнической системы "Кровеносные сосуды", позволяющий проводить предоперационное прогнозирование результатов малоинвазивных интервенционных хирургических операций;

- методики расчета механических свойств атеросклеротических бляшек in vivo.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на 9 всероссийских и международных научных и научно-технических конференциях, в том числе: на всероссийской научно-технической конференции "Биотехнические и медицинские аппараты и системы", (Махачкала, 2003), "Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов" (Ульяновск, 2001 г), на международной научной конференции "Информация. Коммуникация. Общество"

(Санкт-Петербург 2001, 2002, 2003 гг. ), "История и тенденции развития науки на пороге XXI века" (Санкт-Петербург, 2003 г), "Междисци-плинарность в современной научной реальности", (Санкт-Петербург, 2004 г.), на всероссийской научно-технической конференции "Биотехнические системы в XXI веке" (Санкт-Петербург, 2004 г), НА 7-ой Всероссийской конференции по биомеханике (Нижний Новгород, 2004), на 59-ой научно-технической конференции, посвященной Дню радио. (Санкт-Петербург, 2004 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них - 4 статьи, тезисы к 11-ти докладам на международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 79 наименований. Основная часть работы изложена на 93 страницах машинописного текста. Работа содержит 64 рисунка и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, определены цели и задачи работы, объект и предмет исследования. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практическая значимость результатов работы, приведены сведения об их апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния исследований кровеносных сосудов в норме, патологии и во время хирургических операций, кратко рассмотрены имеющиеся в литературе математические модели и расчетные схемы кровеносных сосудов.

Широкий диапазон возможных методов коррекции патологий делает актуальной проблему создания методики выбора путей рационального хирургического воздействия. Во всех принципиальных направлениях рассмотренных проблем: медицинских, технических и фундаментальных - неотъемлемой частью является моделирование биологических объектов на основе биомеханики. Проведенный анализ показывает, что, несмотря на значительное разнообразие в строении и функционировании биологических структур, в величинах и характере испытываемых ими внешних воздействий, при их биомеханическом моделировании встают общие проблемы, а сами построенные модели страдают общими несовершенствами: упрощены формы биологических объектов, не учитывается неоднородность механических свойств

составляющих их тканей, характер сопряжения с соседними структурами Основная сложность при построении математических моделей и расчетных схем для исследования напряженно-деформированного состояния биологических объектов заключается в выборе адекватной модели для описания структуры ткани и ее механических свойств.

Патологические процессы, протекающие в органах, значительно изменяют механические свойства тканей сосудов как в локальной зоне патологического образования, так и в соседних структурах. В литературе отсутствуют сведения о механических свойствах патологических образований. В то же время, для разработки предоперационных прогнозов и технологий медицинских операций, необходимы исследования механических свойств тканей и патологических структур больного, полученные in vivo.

Для выработки четких опознавательных признаков, по которым можно методами биомеханики прогнозировать эффективность лечебного воздействия, необходимо: 1) создать модели поведения стенок сосудов и патологических образований в условиях инструментального воздействия; 2) определить на базе разработанных моделей границы механических воздействий, направленных на коррекцию кровяного русла.

Проведенный анализ позволяет обосновать выбранное направление исследований, сформулировать цели и задачи работы, решение которых является основой для создания блока "Биомеханика" биотехнической системы "Кровеносные сосуды".

Во второй главе обоснован выбор расчетной схемы и построены математические модели кровеносных сосудов.

Основными проблемами, рассматриваемыми в процессе создания моделей артериальных кровеносных сосудов, являются: 1) развитие представлений о функционировании кровеносных сосудов в норме и патологии; 2) изучение методов коррекции кровеносных сосудов при различных внешних воздействиях; 3) разработка новых технологий лечения болезней кровеносных сосудов; 4) разработка и совершенствование системы прогнозирования поведения стенок кровеносных сосудов; 5) изучение зависимости характеристик моделей кровеносных сосудов от значений вводимых в расчетную схему параметров.

Описаны строение, функционирование и различные патологии артериальных кровеносных сосудов.

С точки зрения механики деформируемого твердого тела рассмотрены физико-механические свойства артериальных кровеносных сосудов и патологических образований в этих сосудах. На основе этого анализа выбрана расчетная схема для исследования дилатации структур, образующих стенки сосудов, окружающих органов и атеро-склеротических бляшек. Напряженно-деформированное состояние во

всех структурах, подвергающихся дилатации определяется при использовании математического аппарата механики трехмерного тела, так как толщина стенок соизмерима с диаметром артериальных сосудов. Обоснована схематизация механических свойств составных частей моделей Математические модели построены при следующих допущениях. 1) материалы стенок сосуда и атеросклеротической бляшки однородные и изотропные; 2) начальные напряжения в структурах сосуда и атеросклеротической бляшки отсутствуют; 3) нагрузка распределяется равномерно по всей внутренней поверхности атеросклеротической бляшки; 4) нагрузка статическая.

В рамках определенной в этой главе расчетной схемы строится набор математических моделей для прямолинейных участков сосудов и для изогнутых кровеносных сосудов, с учетом окружающих тканей и различных по возрасту и морфологии патологических образований. В первой группе (рис.1, а) участок сосуда с патологией представлен пя-тислойной структурой Слои отражают механические свойства инти-мы-1, медии-2, бляшки-3, крышки бляшки-4 и баллона-5. Вторая группа расчетных моделей (рис.1, б) позволяет также учитывать воздействие структур, окружающих коронарную артерию: 6-перикарда и 8-миокарда (7 - ось сосуда).

Обоснован выбор в качестве основного расчетного метода - метода конечных элементов (КЭ). Для анализа биологических структур использованы линейные тетраэдальные элементы.

На рис.2 показаны ангиограммы правой коронарной артерии до и после дилатации (рис. 2а, в) и ультразвуковое изображение поперечного сечения сосуда во время операции (рис.2б). До дилатации диаметр просвета бляшки с1б=3мм. Бляшка расположена осесимметрично. Толщина стенок артерии равна 1,1мм. Модули нормальной упругости сосуда £с и бляшки Еб соответственно Ес =2 МПа, е6=2,8 МПа. Наибольший диаметр сосуда при дилатации Ос=4,5 мм, давление накачки баллона равно 12атм (рис. 16). Разница между экспериментальными данными и значениями перемещений, полученными из расчета в средней части дилатируемого участка не превышает 15%, а на его краях составляет 35%. На рис. 3 представлена диаграмма расчета перемещений в поперечном сечении артерии в середине пораженного участка.

Для оценки величины дополнительных напряжений, связанных с распрямлением во время дилатации изогнутых участков сосудов в рамках теории оболочек рассмотрен случай двухслойной гибкой трубы. Для оболочки сразными механическими свойствами слоев исходная поверхность £=0 оказывается не посередине толщины трубы. Уравнение для нахождения боковых поверхностей оболочки будет иметь вид:

Ч-*ъ, р

Г

С- 1 ~ у2

= + ь ь=ь, +ь2,

где Е1,у1,Е2,у1 - модуль нормальной упругости и коэффициент Пуассона первого и второго слоев соответственно; ^ и И2 - толщины слоев; и - координаты боковых поверхностей оболочки. Решение этого уравнения позволяет определить координаты и

, 1 1-еп2 = -1 + -

2 1 + еп

Ь,

е =

Е2 1-у? Е, 1-у2

Найдены выражения характеристик жесткости растяжения-сжатия - Е'У и изгиба - Е",у"

ЕЪ Е.Ь. Л ч

— = В = т^(1 + еп),

ЕЪ3 12(1-V"

1-у? 1-

-еп

т

Е.Ь?

1-У?

1 + еп3 (1-еп2)2

4 + 4еп

Безразмерная функция напряжений у(г|) и угол поворота 9(г|) зависят от параметра ц. Для двухслойной оболочки из уравнений Мейснера (в линейном приближении) получено выражение для параметра (х, учитывающего кривизну и тонкостенность оболочки:

ГЕЪУ* Ь2 . л Ь2 (Е'У*

где Ят - радиус кривизны оси трубы.

Обобщение формул, определяющих изгибную жесткость для рассматриваемой трубы будут выглядеть так:

- = к°-

м.

Е'Е" =

12ВБ

(1-у'2Х1-У2)1

Яи л[Ё/Е"1' Ь2

где М2 - изгибающий момент. Коэффициент снижения жесткости к" определяется в зависимости от найденного параметра ц из соотношений:

-а

Д = -

1 + юц2/ +ч0/_д

■ о_1+ /144 /3 А

Л. — « / / 4

"Д

4 + 4ЧО/ +17Ц2/

45 /1800

Максимальные напряжения, связанные с изгибом, будут на одной из боковых поверхностей, определяемых координатами :

К к , 1,706 С К,

17* Ст2="

^ Г

где 1120 - значение радиуса кривизны в точке максимума напряжений.

Численный расчет максимальных напряжений, связанных с распрямлением сосуда при дилатации, для типичных геометрических и механических характеристик коронарных артерий показывает, что эти напряжения примерно на порядок меньше напряжений, вызванных растяжением стенок во время рентгенохирургической операции.

Рис.1 Расчетные модели

Рис.2. Ангиограммы и ультразвуковое изображение поперечного сечения правой коронарной артерии до и после дилатации

В третьей главе рассмотрено построение блока "Биомеханика" биотехнической системы медицинского назначения "Кровеносные сосуды".

При создании биотехнической системы "Кровеносные сосуды" используются следующие основные положения.

1) Геометрические характеристики сосудов должны соответство-

14_1 -B_3-150-DaS3_05-4_1 -30-I4J -6 J -150-ПСБЗ_05-4_1 -30 Static Displacement Unis mm P=1 2МПа

-,1107e+000 1tfl4e+000 9 2216-001 B.293e-C01 7 3778-001

5 455S-001 S 5335-001 4 610e-001 3688e-001 2 786e-001 1 8446-001 9 221e-002 1 OOOe 030

Рис 3. Диаграмма расчета перемещений в поперечном сечении артерии в середине пораженного участка

вать индивидуальным характеристикам структур человеческого организма пациента in vivo.

2) При исследовании напряженно-деформированного состояния кровеносных сосудов в расчетных моделях необходимо учитывать окружающие биологические структуры.

Реализация этих положений в рамках существующих БТС невозможна.

Одной из основных частей блока "Биомеханика" являются разработанные с использованием геометрической программы Solid Works компьютерные модели, по которым в программе Cosmos рассчитывается напряженно-деформированное состояние в стенках артериальных кровеносных сосудов и атеросклеротических бляшках, возникающее в ходе операции

На рис 4 приведены результаты проведенных с использованием компьютерных моделей исследований влияния геометрических и механических параметров на величину максимального напряжения и перемещения стенок сосудов при дилатации гибким баллоном с давлением накачки р=0,1 МПа: диаметра просвета бляшки (рис. 4, а); эксцентриситета оси просвета бляшки (рис. 4, б); внутреннего диаметра и толщины стенки сосуда соответственно (рис. 4, в-г); модулей упругости сосуда и бляшки (рис. 4, д-е). Расчеты показывают, что напряженно-деформированное состояние в стенках коронарных артерий и атеросклеротических бляшек во время рентгенохирургической операции существенно зависит от индивидуальных механических и геометрических особенностей кровеносных сосудов пациента.

Введение в состав БТС "Кровеносные сосуды" блока "Биомеханика" позволяет: учесть индивидуальные особенности геометрических

Рис.4 Результаты расчетов влияния геометрических и механических параметров на величину максимального напряжения и перемещения

параметров кровеносных сосудов и патологии конкретного пациента; определить величину механического воздействия, необходимого для восстановления кровотока при сохранении функциональных свойств стенок сосудов и тем самым осуществить предоперационное прогнозирование результатов операции.

Схема БТС МН "Кровеносные сосуды" после включения в нее блока "Биомеханика" представлена на рис.5. Основными составными частями блока "Биомеханика" являются параметрические модели кровеносных сосудов, таблицы, содержащие сведения о механических свойствах биологических структур, геометрическая программа Solid Works, программа для расчета напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов Cosmos, алгоритмы проведения исследований и предоперационного прогнозирования результатов операций при использовании БТС МН "Кровеносные сосуды".

Используя БТС МН "Кровеносные сосуды", можно вычислить модуль нормальной упругости стенок атеросклеротической бляшки in vivo по результатам измерения перемещений в месте проведения ди-латации и величине давления в баллоне.

Рис.5 Схема БТС-МН "Кровеносные сосуды"

В четвертой главе рассмотрены вопросы клинического применения и исследования БТС МН "Кровеносные сосуды".

Рассмотрены возможности БТС МН "Кровеносные сосуды" при предоперационном прогнозировании результатов рентгенохирургиче-ских операций.

При диагностике по ангиограммам (рис. 6, а-б) у больного М. (38 лет) выявлен стеноз коронарной артерии. Наружный и внутренний диаметры сосуда в норме соответственно 5 мм и 3 мм. Ось отверстия стенозированного сосуда смещена относительно оси сосуда в норме на 0,38 мм. Минимальный условный внутренний диаметр бляшки 0,75 мм, протяженность бляшки 15 мм. Модуль упругости сосуда и бляшки £с= 1,45 МПа, £б=0,7 МПа.

Врач считает, что необходимо провести эндоваскулярную операцию с установкой полужесткого стента Ре/йа. Из анализа в среде БТС МН следует, что необходимый просвет после дилатации - 2,55 мм будет обеспечен выбранной стентовой системой при давлении 1,6 МПа (рис. 6, в)-г)). При этом, после приложения давления условный диаметр сосуда будет равен 3 мм, а после упругого последействия -2,55мм. Во время рентгенохирургической операции при давлении 1,6 МПа внутренний диаметр сосуда -3 мм после упругого последействия -2,6 мм.

С доверительной вероятностью р = 0,9 погрешность прогнозируемых размеров просвета сосуда по проведенным исследованиям составила 41%.

Для решения вопроса, при каких напряжениях структуры стенок кровеносных сосудов теряют свои функциональные свойства, проанализированы клинические данные (22 ультразвуковых и 38 ангиографи-ческих изображений), на которых зафиксированы сечения стенозиро-ванных и реконструированных в результате дилатации коронарных артерий с диаметром сосуда в норме гн= 2,8 - 3,2 мм и стенозом от 50 до 80 % (возраст 45 - 70 лет) и достижении в момент дилатации радиуса сосуда га= (1 - 1,1) гн, и проведено сопоставление этих данных с результатами вычислений напряжений и перемещений в сосудах при аналогичных нагружениях. Предложена гипотеза, дающая объяснение постоянству величины упругого последействия у сосудов, дилатиро-ванных только баллоном - 0,3 гн (гн - внутренний радиус сосуда в норме), - с последующей установкой полужесткого стента типа МиШ Шк -0,15 гн, - с последующей установкой жесткого стента типа Ра1та2 - 0,1 гн. При баллонной дилатации только 30% наружной части стенки сохраняет свои упругие свойства. Напряжение на границе зоны сохранения функциональных свойств сосуда, в соответствии введенной гипотезой о 30% - ой зоне сохранения сосудом упругих свойств - [сту]. Математическое ожидание - [ау] = 0,61 МПа, среднеквадратичное отклонение - 0,18 МПа. С доверительной вероятностью р=0,9 погрешность

щоо-о-37'.-з-озло -мгншш&ж Р=1,6МПа Ес=1,4МПа,Еб=0,7МПа и"*» и**2 —

шшт

ЦИЕА.И8

««А*

Рис 6. Ангиограммы стеноза коронарной артерии и диаграммы расчета перемещений и напряжений при дилатации

оценки допускаемого напряжения для материала стенки сосуда составляет 32%.

В заключении сформулированы основные результаты выполненной работы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложенный метод позволяет строить математические модели для исследования напряжений и перемещений в стенках кровеносных сосудов и атеросклеротических бляшек во время операции.

2 Построены компьютерные модели дилатации артериальных кровеносных сосудов, позволяющие впервые исследовать влияние их механических и геометрических характеристик на результаты рентге-нохирургических операций.

3. Впервые разработана методика исследования НДС тканей артериальных кровеносных сосудов, позволяющая прогнозировать результаты рентгенохирургических операций.

4 Разработана методика определения механических свойств атеросклеротических бляшек /л vivo.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная проблема: построен и исследован блок "Биомеханика", введение которого в БТС МН "Кровеносные сосуды" превращает ее в систему, позволяющую проводить предоперационное прогнозирование результатов эндоваскулярных рентгенохирургических операций на кровеносных сосудах.

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

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бегун, П.И. Моделирование НДС стенозированных сосудов при ка-тетерной баллонной ангиопластике / П.И. Бегун, С.К. Степанов, П.Н.

Афонин // Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов: тр IV междунар науч.-техн. конф., г. Ульяновск, 2001 г.-Ульяновск, 2001,- С.163-165. 2 Разработка методов диагностики состояния сосудистого русла при патологических изменениях и хирургических операциях / П.Н Афонин, П.И. Бегун, А.К. Салман, С.К. Степанов // ИНФОРМАЦИЯ, КОММУНИКАЦИЯ, ОБЩЕСТВО: тез. докл меадунар. науч. конф. г. Санкт-Петербург, ноябрь 2001г. - СПб.,2001.- С.14-15.

3. Задачи биомеханики в информационном и диагностическом обеспечении новых медицинских технологий в кардиологии / П.Н. Афонин, П.И Бегун, А К. Салман, С.К. Степанов II ИНФОРМАЦИЯ, КОММУНИКАЦИЯ, ОБЩЕСТВО: тез. докл. междунар науч. конф., г Санкт-Петербург, ноябрь 2001г. - СПб., 2001,- С.13-14.

4 Информационные технологии биотехнической системы малоинва-зивных интервенционных кардиологических операций / П.И. Бегун, A.B. Орликов, А.К. Салман, Г.Ю. Синтоцкий, С.К. Степанов // ИНФОРМАЦИЯ, КОММУНИКАЦИЯ, ОБЩЕСТВО: тез докл. междунар. науч. конф., Санкт-Петербург, ноябрь 2002г.- СПб, 2002.- С.21-22.

5 Клиническое применение и исследование биотехнической системы медицинского назначения "Кровеносные сосуды" / П.И. Бегун, В.К. Сухов, A.B. Орликов, С.К. Степанов // Вестник Северо-Западного регионального отделения Академии медико-технических наук / Под. ред Г.В Анцева,- СПб.: ООО "Агенство "ВиТ-принт", 2003 - Вып 7,- С.261-274.

6. Необходимость информационного обеспечения при создании биотехнических систем в кардиологии / П.И. Бегун, А В. Орликов, А.К Салман, Г.Ю. Синтоцкий, С.К. Степанов // ИНФОРМАЦИЯ, КОММУНИКАЦИЯ, ОБЩЕСТВО: тез. докл. междунар. науч конф., Санкт-Петербург, ноябрь 2003г.- СПб, 2003,- С.41-42. 7 Информационное обеспечение рентгенохирургических операций в кардиологии / П.И. Бегун, A.B. Орликов, А.К. Салман, Г.Ю Синтоцкий, С К. Степанов // 58-я Научно-техническая конференция, посвященная дню радио: тез. докл. науч.-техн. конф, г. Санкт-Петербург, апрель 2003г.- СПб , 2003,- С. 195-196.

8. Биомеханические принципы разработки автоматизированного управления хирургическими операциями / П.И. Бегун, A.B. Орликов, А.К. Салман, Г.Ю. Синтоцкий, С.К. Степанов // БИОТЕХНИЧЕСКИЕ И МЕДИЦИНСКИЕ АППАРАТЫ И СИСТЕМЫ: тез. докл. всеросс науч.-техн конф. г. Махачкала, июнь 2003г.- Махачкала, июнь 2003.-С.5-6. 9 Современное состояние и перспективы автоматизированной диагностики объектов хирургического вмешательства / П. И. Бегун, В К. Сухов, А В Орликов, Г. Ю. Синтоцкий, С. К. Степанов, Салман Абдусалам // Ме-хатроника, автоматизация, управление - 2003,- № 11 - С 48-52

10. Проблемы интеграции биологических и технических наук при создании биотехнических систем / A.B. Орликов, Г.Ю. Синтоцкий, С.К. Степанов // Междисциплинарность в современной научной реальности Доклады и тезисы научной конференции: тез. науч. конф., г. Санкт-Петербург, январь 2004г.- СПб., 2004,- С. 172-173.

11. Моделирование состояния артерий при малоинвазивных хирургических операциях / П.И. Бегун, A.B. Орликов, С.К. Степанов II Вестник аритмологии: приложение А,- 2004.- №35, - С. 195.

12. Исследование влияния особенностей патологических образований в кровеносных сосудах на результаты эндоваскулярных операций / П.И. Бегун, О.В. Кривохижина, С.К. Степанов // 7-ая Всероссийская конференция по биомеханике: тез. докл. всеросс. конф. г. Нижний Новгород, 2004г.- Нижний Новгород, 2004,- С. 96 -98.

13. Биомеханическое информационное обеспечение малоинвазивных рентгенохирургических операций на клапанах сердца и кровеносных сосудах / П.И. Бегун, А.К. Салман, Г.Ю. Синтоцкий, М Ю. Смирнова, С.К. Степанов, О. В. Кривохижина // Всероссийская научно-техническая конференция "Биотехнические системы в XXI веке": тез. докл. всеросс. конф. г. Санкт-Петербург, 2004г.- СПб. 2004. - С.44.

14. Бегун, П.И. Биотехническая система для прогнозирования результатов эндоваскулярных операций на структурах сердца / П.И. Бегун, А.К. Салман, Г.Ю. Синтоцкий, С.К. Степанов, О.В. Кривохижина И Изв. СПБГЭТУ "ЛЭТИ", Сер. Биотехнические системы в медицине и экологии- СПб., 2004, Вып. 2,- С.74-78.

15. Биотехническая система для исследования механических свойств биологических структур. / П.И. Бегун, О.В. Кривохижина, А.К. Салман, Г.Ю Синтоцкий, М.Ю. Смирнова, С.К. Степанов // 59-я научно-техническая конференция, посвященная Дню радио: тез. докл. науч,-техн. конф., г. Санкт-Петербург, 2004г. - СПб.,2004.-С. 212-213.

Подписано в печать 30.06.05. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 64.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

ЩБ385

РЫБ Русский фонд

2006-4 Í

19937

Введение

1. Анализ современного состояния исследований кровеносных сосудов в норме, патологии и хирургических операциях

2. Построение расчетной модели дилатации кровеносных сосудов

2.1. Расположение и функционирование кровеносных сосудов

2.2. Строение артериальных сосудов в норме и патологии

2.3. Схематизация свойств биологических тканей сосудов и патологических образований

2.4. Выбор метода решения задачи

3. Построение блока "Биомеханика" биотехнической системы медицинского назначения "Кровеносные сосуды" 87 3.1. Использование БТС МН "Кровеносные сосуды" для исследования НДС кровеносных сосудов и атеросклеротических бляшек

4. Результаты применения БТС МН "Кровеносные сосуды"

4.1. Использование БТС МН "Кровеносные сосуды" для исследования биомеханических свойств кровеносных сосудов in vivo

4.2. Использование БТС МН "Кровеносные сосуды" для предоперационного прогнозирования результатов рентгенохирургических операций 130 4. 3. Использование БТС МН "Кровеносные сосуды" для исследования влияния технологии рентгенохирургической операции на

НДС при работе реконструированной ангиопластикой коронарной артерии

Актуальность темы. Атеросклеротические поражения сосудов являются основной причиной многих заболеваний. Суть этих поражений состоит в том, что новообразования внутри сосуда - атеросклеротические бляшки - перекрывают просвет сосуда и препятствуют кровоснабжению органов. Чрескожная баллонная дилатация позволяет посредством механического разрушения бляшек восстановить кровоток.

Транслюминальная баллонная коронарная ангиопластика (ТБКА) начала применятся с 1977 г. и в настоящее время в мире выполняется более 1 млн. малоинвазивных кардиоваскулярных процедур в год. ТБКА обладает рядом преимуществ по сравнению с коронарным шунтированием (КШ): меньшая травматичность, возможность повторного неоднократного применения, относительная дешевизна (примерно в три раза дешевле операции КШ) и т.п. Однако, несмотря на значительный прогресс в баллонных катетерных технологиях и, соответственно, рост количества успешных ТБКА до 90%, снижение экстренных операций КШ до 1-2%, такое осложнение ТБКА как острое закрытие сосуда осталось на уровне 5-8%, угрожающее закрытие-7-10%, а рестенозы отмечаются в 33-47% случаев. Процент рестенозов довольно высок. Чем больше повреждения стенок сосудов при дилатации, тем больше вероятность повторного образования стенозов. Правильный подбор режима механического воздействия существенно влияет на конечный результат лечения. Для определения оптимальных параметров этого воздействия необходим анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) бляшки и стенок сосуда, возникающего при проведении операции.

Стремительное развитие медицинских технологий в последнее время, с одной стороны, огромное распространение и большое разнообразие поражений кровеносных сосудов, с другой стороны, требуют системного подхода к решению проблемы борьбы с заболеваниями кровяного русла.

Необходимость такого подхода связана также со все возрастающим значением информационного обеспечения. Отсутствие необходимой информации создает большие трудности при выполнении операций на сосудах и не позволяет уверенно прогнозировать результат.

Врач, являющийся управляющим звеном биотехнической системы медицинского назначения (БТС МН), определяет выбор цели и реализацию поставленной задачи. При выборе технологии интервенционной малоинвазивной операции, он не располагает необходимой информацией о характеристиках элементов системы, их свойств, диапазоне внешних воздействий, при которых эти элементы сохраняют необходимые функциональные свойства. Он может руководствоваться только предшествующим опытом и опираться на свою интуицию.

Отсутствие необходимого информационного обеспечения объясняет тот факт, что, до настоящего времени, не сложилось общее мнение о технологических принципах малоинвазивных интервенционно-хирургических операций патологии, не изучены условия минимизации травмирования внутрисосудистых структур при достижении лечебного эффекта.

Таким образом, актуальность работы обусловлена:

- распространенностью поражений кровеносных сосудов;

- необходимостью повышения эффективности работы БТС МН "Кровеносные сосуды", позволяющей проводить прогнозирование результатов операций баллонной дилатации кровеносных сосудов.

Объект исследования - БТС МН "Кровеносные сосуды", позволяющая проводить прогнозирование результатов операций баллонной дилатации кровеносных сосудов.

Предмет исследования - информационное и методическое обеспечение БТС МН "Кровеносные сосуды" предоперационного прогнозирования результатов эндоваскулярных рентгенохирургических операций на кровеносных сосудах.

Целью работы является повышение эффективности работы БТС МН "Кровеносные сосуды" за счет развития информационного и методического обеспечения для предоперационного прогнозирования результатов малоинвазивных рентгенохирургических операций на кровеносных сосудах.

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

- разработка расчетных схем и математических моделей для исследования перемещений и напряжений в стенках стенозированных кровеносных сосудов при дилатации;

- компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния стенок сосудов и патологических образований при дилатации;

- создание блока "Биомеханика", содержащего разработанное информационное и методическое обеспечение для предоперационного прогнозирования результатов малоинвазивных рентгенохирургических операций на кровеносных сосудах

- экспериментальное подтверждение и разработка рекомендаций по использованию БТС МН "Кровеносные сосуды" для предоперационного прогнозирования результатов эндоваскулярных рентгенохирургических операций на кровеносных сосудах.

Методы исследования. В работе использованы методы математического компьютерного моделирования, механики твердого деформированного тела, теории оболочек. Экспериментальные исследования выполнены путем обработки и анализа клинического материала (ангиограмм, эхокардиограмм), полученных во 2 -ой городской многопрофильной больнице и в больнице №4 г. Санкг - Петербурга.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:

- предложенный метод теоретического анализа и расчета для исследования напряжений и перемещений в стенках кровеносных сосудов и атеросклеротических бляшек, позволяет строить для них математические модели;

- разработанная компьютерная модель структур кровеносных сосудов и патологических образований для исследования в них НДС, позволяет прогнозировать результаты эндоваскулярных рентгенохирур-гических операций на кровеносных сосудах;

- предложенный метод основан на анализе результатов компьютерного моделирования и позволяет прогнозировать результаты эндоваскулярных рентгенохирургических операций на кровеносных сосудах;

- предложенный метод экспериментальных исследования механических свойств тканей кровеносных сосудов и патологических образований позволяет определять их in vivo и вводить в математические модели.

Практическую ценность работы составляют:

- методики исследования напряженно-деформированного состояния стенок кровеносных сосудов человеческого организма в норме, патологии и при хирургических операциях;

- параметрические модели для предоперационного прогнозирования результатов дилатации стенозированных сосудов с бляшками разной степени развития;

- блок "Биомеханика" биотехнической системы "Кровеносные сосуды", позволяющий проводить предоперационное прогнозирование результатов малоинвазивных интервенционных хирургических операций;

- методики расчета механических свойств атеросклеротических бляшек in vivo.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на 9 всероссийских и международных научных и научно-технических конференциях, в том числе: на всероссийской научно-технической конференции "Биотехнические и медицинские аппараты и системы", (Махачкала, 2003), "Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов" (Ульяновск, 2001 г.), на международной научной конференции "Информация. Коммуникация. Общество" (Санкт-Петербург 2001, 2002, 2003 гг.), "История и тенденции развития науки на пороге XXI века" (Санкт-Петербург, 2003 г.), "Междисциплинарность в современной научной реальности", (Санкт-Петербург, 2004 г.), на всероссийской научно-технической конференции "Биотехнические системы в XXI веке" (Санкт-Петербург, 2004 г.), НА 7-ой Всероссийской конференции по биомеханике. (Нижний Новгород, 2004), на 59-ой научно-технической конференции, посвященной Дню радио. (Санкт-Петербург, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них - 4 статьи, тезисы к 11-ти докладам на международных и всероссийских конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 79 наименований. Основная часть работы изложена на 93 страницах машинописного текста. Работа содержит 64 рисунка и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, определены цели и задачи работы, объект и предмет исследования. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практическая значимость результатов работы, приведены сведения об их апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния исследований кровеносных сосудов в норме, патологии и во время хирургических операций, кратко рассмотрены имеющиеся в литературе математические модели и расчетные схемы кровеносных сосудов.

Широкий диапазон возможностей методов коррекции патологий делает актуальной проблему создания методики выбора путей рационального хирургического воздействия. Во всех принципиальных направлениях рассмотренных проблем: медицинских, технических и фундаментальных - неотъемлемой частью является моделирование биологических объектов на основе биомеханики. При этом построение моделей функционирования структур кровеносных сосудов в норме, патологии и при хирургических операциях целиком и полностью зависит от использования всего арсенала новых методов и средств исследования. Проведенный анализ показывает, что, несмотря на значительное разнообразие в строении и функционировании биологических структур, в величинах и характере испытываемых ими внешних воздействий, при их биомеханическом моделировании встают общие проблемы, а сами построенные модели страдают общими несовершенствами: упрощены формы биологических объектов, не учитывается неоднородность механических свойств составляющих их тканей, характер сопряжения с соседними структурами. Основная сложность при построении расчетных схем и математических моделей для исследования напряженно-деформированного состояния биологических объектов заключается в выборе адекватной модели для описания структуры ткани и ее механических свойств.

Патологические процессы, протекающие в органах, значительно изменяют механические свойства тканей сосудов как в локальной зоне патологического образования, так и в соседних структурах. В литературе отсутствуют сведения о механических свойствах патологических образований. В то же время, для разработки предоперационных прогнозов и технологий медицинских операций, необходимы исследования механических свойств тканей и патологических структур больного, полученные in vivo.

Для выработки четких опознавательных признаков, по которым можно методами биомеханики прогнозировать эффективность лечебного воздействия, необходимо: 1) создать модели поведения стенок сосудов и патологических образований в условиях инструментального воздействия; 2) определить на базе разработанных моделей границы механических воздействий, направленных на коррекцию кровяного русла.

Проведенный анализ позволяет обосновать выбранное направление исследований, сформулировать цели и задачи работы, решение которых является основой для создания блока "Биомеханика" биотехнической системы "Кровеносные сосуды".

Во второй главе обоснован выбор расчетной схемы и построены математические модели кровеносных сосудов.

Основными проблемами, рассматриваемыми в процессе создания моделей артериальных кровеносных сосудов, являются: 1) развитие представлений о функционировании кровеносных сосудов в норме и патологии; 2) изучение методов коррекции кровеносных сосудов при различных внешних воздействиях; 3) разработка новых технологий лечения болезней кровеносных сосудов; 4) разработка и совершенствование системы прогнозирования поведения стенок кровеносных сосудов; 5) изучение зависимости характеристик моделей кровеносных сосудов от значений вводимых в расчетную схему параметров.

Описаны строение, функционирование и различные патологии артериальных кровеносных сосудов.

С точки зрения механики деформируемого твердого тела рассмотрены физико-механические свойства артериальных кровеносных сосудов и патологических образований в этих сосудах. На основе этого анализа выбрана расчетная схема для исследования дилатации структур, образующих стенки сосудов, окружающих органов и атеросклеро-тических бляшек. Напряженно-деформированное состояние во всех структурах, подвергающихся дилатации определяется при использовании математического аппарата механики трехмерного тела, так как толщина стенок соизмерима с диаметром артериальных сосудов. Обоснована схематизация механических свойств составных частей моделей. Математические модели построены при следующих допущениях: 1) материалы стенок сосуда и атеросклеротической бляшки однородные и изотропные; 2) начальные напряжения в структурах сосуда и атеросклеротической бляшки отсутствуют; 3) нагрузка распределяется равномерно по всей внутренней поверхности атеросклеротической бляшки; 4) нагрузка статическая.

В рамках определенной в этой главе расчетной схемы строится набор математических моделей с учетом различной геометрии кровеносных сосудов, окружающих тканей и различных по возрасту и морфологии патологических образований.

Обоснован выбор в качестве основного расчетного метода - метода конечных элементов (КЭ). Для анализа биологических структур использованы линейные тетраэдальные элементы.

Приведены ангиограммы правой коронарной артерии до и после дилатации и ультразвуковое изображение поперечного сечения сосуда во время операции. До дилатации диаметр просвета бляшки с/б=Змм. Бляшка расположена осесимметрично. Толщина стенок артерии равна 1,1мм. Модули нормальной упругости сосуда Ес и бляшки Еб соответственно Ес =2 МПа, Eg=2,8 МПа. Наибольший диаметр сосуда при дилатации Dc=4,5 мм, давление накачки баллона равно 12атм. Разница между экспериментальными данными и значениями перемещений, полученными из расчета в средней части дилатируемого сосуда составляет 15%, а на его краях не превышает 35%.

В рамках теории тонких оболочек рассмотрен случае двухслойной гибкой трубы. Для такой оболочки исходная поверхность ^=0 оказывается не посередине толщины трубы. Уравнение для нахождения боковых поверхностей оболочки будет иметь вид:

1 V1 С- 1 2 С-+Н,

C+=C-+h h = h, +h2, где E,,VpE2,v2 - модуль нормальной упругости и коэффициент Пуассона первого и второго слоев соответственно; hi и h2 - толщины слоев; и - координаты боковых поверхностей оболочки. Решение этого уравнения позволяет определить координаты £ и £+: k=1+! i-»1

2 1 + en n = e =

E2 1-V?

E, 1-v2

Найдены выражения характеристик жесткости растяжения-сжатия E',v' и изгиба - Е ",v":

E'h E.h, / \ ,

-- = В =——7(1 +en), v = .

1-v'2 l-v?V J i^l — Vj 1-v2 en

2 j

EV =D = M.

12(l-v"2) 1-v?

1 + en3 (l-en2)2

3 4 + 4en

Безразмерная функция напряжений \\f(r\) и угол поворота 0(г|) зависят от параметра ц. Для двухслойной оболочки из уравнений Мейснера (в линейном приближении) получено выражение для параметра ц, учитывающего кривизну и тонкостенность оболочки:

EV ч D у

Уг

Vl2(l-V2) b2 fE'Y2

Е"

R ¥ N 7 Rh m m где Rm - радиус кривизны «оси» трубы

Обобщение формул, определяющих изгибную жесткость для рассматриваемой трубы будут выглядеть так: к°

М.

Е'Е"

12BD l-v'2Xl-v"2),

Rm л/ЕТРГ h2 где Mz - изгибающий момент. Коэффициент снижения жесткости к0 определяется в зависимости от найденного параметра ц из соотношений: к°=

1 +

ЮЦ2/ +Чо/д

144 /3

1 + +

А =

И/

12

4 +

4q0/+17u /15 /1800

Максимальные напряжения, связанные с изгибом, будут на одной из боковых поверхностей, определяемых координатами Е

J R ст, =ЕЯСТ° h/~2 /2 b, 0; =

О 1,706 К

R V3 где R20 - значение радиуса кривизны в точке максимума напряжений.

Численный расчет максимальных напряжений, связанных с распрямлением сосуда при дилатации, для типичных геометрических и механических характеристик коронарных артерий показывает, что эти напряжения примерно на порядок меньше напряжений, вызванных растяжением стенок во время рентгенохирургической операции.

В третьей главе рассмотрено построение блока "Биомеханика" биотехнической системы медицинского назначения "Кровеносные сосуды .

При создании биотехнической системы "Кровеносные сосуды" используются следующие основные положения.

1) Геометрические характеристики упругих биологических объектов должны соответствовать индивидуальным характеристикам структур человеческого организма пациента in vivo.

2) При исследовании напряженно-деформированного состояния кровеносных сосудов в расчетных моделях необходимо учитывать окружающие биологические структуры.

Реализация этих положений в рамках существующих БТС невозможна.

Одной из основных частей блока "Биомеханика" являются разработанные с использованием геометрической программы Solid Works компьютерные модели, по которым в программе Cosmos рассчитывается напряженно-деформированное состояние в стенках артериальных кровеносных сосудов и атеросклеротических бляшках, возникающее в ходе операции. Построены две группы расчетных моделей дилатации стенозированного сосуда. В первой группе участок сосуда с патологией представлен пятислойной структурой. Слои отражают механические свойства интимы, медии, бляшки, крышки бляшки и баллона. Материал каждого слоя однородный и изотропный. Вторая группа расчетных моделей позволяет также учитывать воздействие структур, окружающих коронарную артерию: перикарда и миокарда.

Приведены результаты проведенных исследований влияния геометрических и механических параметров на величину максимального напряжения и перемещения стенок сосудов при дилатации гибким баллоном с давлением накачки Р= 0,1 МПа: диаметра просвета бляшки; эксцентриситета оси просвета бляшки; внутреннего диаметра и толщины стенки сосуда соответственно; модулей упругости сосуда и бляшки; модуля упругости крышки бляшки. Расчеты показывают, что напряженно-деформированное состояние в стенках коронарных артерий и ате-росклеротических бляшек во время рентгенохирургической операции существенно зависит от индивидуальных механических и геометрических особенностей кровеносных сосудов пациента.

Введение в состав БТС "Кровеносные сосуды" блока "Биомеханика" позволяет: учесть индивидуальные особенности геометрических параметров кровеносных сосудов и патологии конкретного пациента; определить величину механического воздействия, необходимого для восстановления кровотока при сохранении функциональных свойств стенок сосудов и тем самым осуществить предоперационное прогнозирование результатов операции.

Представлена схема БТС МН "Кровеносные сосуды" после включения в нее блока "Биомеханика". Основными составными частями блока "Биомеханика" являются параметрические модели кровеносных сосудов, таблицы, содержащие сведения о механических свойствах биологических структур, геометрическая программа Solid Works, программа для расчета напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов Cosmos, алгоритмы проведения исследований и предоперационного прогнозирования результатов операций при использовании БТС МН "Кровеносные сосуды".

Используя БТС МН "Кровеносные сосуды", можно вычислить модуль нормальной упругости стенок атеросклеротической бляшки in vivo по результатам измерения перемещений в месте проведения дилатации и величине давления в баллоне.

В четвертой главе рассмотрены вопросы клинического применения и исследования БТС МН "Кровеносные сосуды".

Рассмотрены возможности БТС МН "Кровеносные сосуды" при предоперационном прогнозировании результатов рентгенохирургиче-ских операций.

При диагностике по ангиограммам у больного М. (38 лет) выявлен стеноз коронарной артерии. Наружный и внутренний диаметры сосуда в норме соответственно 5 мм и 3 мм. Ось отверстия стенозированного сосуда смещена относительно оси сосуда в норме на 0,38 мм. Минимальный условный внутренний диаметр бляшки 0,75 мм, протяженность бляшки 15 мм. Модуль упругости сосуда и бляшки £с= 1,45 МПа, Еб=0,7 МПа.

Врач считает, что необходимо провести эндоваскулярную операцию с установкой полужесткого стента Penta. Из анализа в среде БТС МН следует, что необходимый просвет после дилатации - 2,55 мм будет обеспечен выбранной стентовой системой при давлении 1,6 МПа. При этом, после приложения давления условный диаметр сосуда будет равен 3 мм, а после упругого последействия -2,55мм. Во время рентгено-хирургической операции при давлении 1,6 МПа внутренний диаметр сосуда -3 мм после упругого последействия -2,6 мм.

С доверительной вероятностью р = 0,9 погрешность прогнозируемых размеров просвета сосуда по проведенным исследованиям составила 41%.

Для решения вопроса, при, каких напряжениях структуры стенок кровеносных сосудов теряют свои функциональные свойства, проанализированы клинические данные (22 ультразвуковых и 38 ангиографи-ческих изображений), на которых зафиксированы сечения стенозированных и реконструированных в результате дилатации коронарных артерий с диаметром сосуда в норме г„= 2,8 - 3,2 мм и стенозом от 50 до 80 % (возраст 45 - 70 лет) и достижении в момент дилатации радиуса сосуда га= (1-1,1) гн, и проведено сопоставление этих данных с результатами вычислений напряжений и перемещений в сосудах при аналогичных нагружениях. Предложена гипотеза, дающая объяснение постоянству величины упругого последействия у сосудов, дилатиро-ванных только баллоном - 0,3 гн (гн - внутренний радиус сосуда в норме), - с последующей установкой полужесткого стента типа Multi Link -0,15 г„, - с последующей установкой жесткого стента типа Palmaz - 0,1 гн. При баллонной дилатации только 30% наружной части стенки сохраняет свои упругие свойства. Напряжение на границе зоны сохранения функциональных свойств сосуда, в соответствии введенной гипотезой о 30% - ой зоне сохранения сосудом упругих свойств, свойств - [сту]. Математическое ожидание - [ау] = 0,61 МПа, среднеквадратичное отклонение - 0,18 МПа. С доверительной вероятностью р=0,9 погрешность оценки допускаемого напряжения для материала стенки сосуда составляет 32%.

В заключении сформулированы основные результаты выполненной работы.

Основные результаты работы

Создан блок "Биомеханика", позволяющий:

-рассчитывать величину давления накачки баллона-катетера, необходимую и достаточную для получения желаемого просвета сосуда с учетом выбранной технологии рентгенохирургической операции (дила-тация только баллоном, дилатация с установкой полужесткого или жесткого стентов);

-исследовать НДС кровеносных сосудов и атеросклеротических бляшек при различных способах приложения механической нагрузки к пораженным участкам кровяного русла, то есть отрабатывать на математических моделях новые технологии операций, прежде, чем пробовать их на живых объектах;

-определять in vivo механические характеристики атеросклеротических бляшек.

Заключение

На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная проблема: построен и исследован блок "Биомеханика", позволяющий проводить предоперационную диагностику эндоваскулярных рентгенохирургических операций на кровеносных сосудах.

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

1. Сибирская кардиология. Красноярск: "Кларетианум", 2000. - 597 с.

2. Бюллетень НЦССХ им.Бакулева РАМНМ // Сердечно-сосудистые заболевания. 2000. - №2. - 368 с.

3. Бюллетень НЦССХ им.Бакулева РАМНМ // Сердечно-сосудистые заболевания. 2002. - №6. -109 с.

4. Cournand A.F. Cardiac catheterization. Development of the technique, its contributions to experimental medicine and its initial applications in man. Uppsala, 1975.

5. Mueller R. and Sanborn T. The History of Interventional Cardiology, Am Heart J 1995;129:146-72 .

6. Forssmann, Werner Theodor Otto. Die Sondierung des Rechten Herzens. Klin Wochenschr. 1929.

7. Guglielmo L. and Guttadauro M. A roentgenologic study on the coronary arteries in the living. Stockholm, 1952.

8. Петровский Б. В. Хирургия ишемической болезни сердца, с соавт., Петровский Б. В., Князев М.Д., Шабалкин Б.В. Медицина, 1978, 272 с.

9. Seldinger S.I. Catheter replacement of the needle in percutaneous arteriography. Acta Radiol 39, 1953, 368-376

10. Swan, HJC, Ganz, W, Forrester, J, et al. Catheterization of the heart in man using a flow directed balloon tipped catheter. N Engl J Med 238, 1970, 447-451.

11. Jean Marco, Giancarlo Biamino, Jean Fajadet, Marie Claude Morice. The Paris Course on Revascularization. Course Organization, Paris, France, 2000.

12. Topol EJ, Nissen SE. Our preoccupation with coronary luminology: the dissociation between clinical and angiographic findings in ischaemic heart disease. Circulation 1995; 92: 2333-2342.

13. Lafont Antoine, Brasselet Camille. Plaque vulnerability: mechanisms and detection. Hospital European Georges-Pompidou, Paris, France, 2003.

14. Nissen SE. Yock P. Intravascular ultrasound: novel pathophysiological insights and current clinical applications. Circulation 2001; 103: 604-616.

15. Brezinski ME, Tearney 63, Bouma BE, Izatt JA. Нее MR, Swanson EA, Southern JF, Fujimoto JG. Optical coherence tomography for optical biopsy: properties and demonstration of vascular pathology. Circulation 1996; 93:1206-1213.

16. Moreno PR, Lodder RA, O'Connor WN, Muller 3E. Characterization of composition and vulnerability of atherosclerotic plaques by near-infrared spectroscopy. Circulation 1998; 98 (suppl I): 1-146.

17. Бакланов Д.В., Мэздэн P.P. Коронарная ангиопластика: Пособие для врачей. СПб.: "Кардиоваскулар Консалтантс", 1996. -104 с.

18. Нейрокардиология. Каталог.: Bait-Extrusion, 1999. 33 с.

19. Cristal Ballon. Ангиопластика. Каталог.: Bait Extrusion, 1999. 16 с.

20. Cristal Ballon. Презентация продукции для транслюминальной ангиопластики. Каталог.: Bait Exstrusion, 1999. 22 с.

21. Crossman W. Cardiac Cateterization, Anqioqraphy and Intervention. -Philadelphia: Wolters Kluwer Company, 2000. 943 p.

22. Tenth complex coronary angioplasty course book / Edited by Marco J, Fajadet J. Paris: Europa Edition, 1999. - 946 p.

23. Handbook of Coronary Stente / Edited by P.W.Seruys. London: Martin Duntz LTD, 2002. - 424 p.

24. Baldus S., Koster R. et al. Treatment of Aortocoronary Vein Graft Lesions With Membrane Covered Stents. A Multicenter Surveillance Trial // Circulation. - 2000. - V. 102. - P. 2024 - 2027.

25. Бокерия Л.А. Новые отечественные сосудистые протезы из ПТФЭ "Витофлон'7 Л.А.Бокерия, В.А.Веретенин, А.Ю.Городков и др.// Грудная и сердечно-сосудистая хирургия. -1996. №1. -с.4-9.

26. Лебедев Л.В. Экспериментально-клиническое исследование отечественного протеза кровеносных сосудов "Витафлон'7 Л.В.Лебедев, В.М.Седов, А.В.Гусинский и др.//Вестник хирургии. 1997. -Т.156, №1. -с.66-70.

27. Сорока В.В. Первый опыт исследования сосудистых протезов "Ви-тафлон" при последствиях травматических повреждений магистральных артерий/ В.В.Сорока, А.Г.Виллер и др.// Вестник хирургии. 1997. -Т. 156, №1.-с. 103-104.

28. Пуриня Б.А. Биомеханика крупных кровеносных сосудов человека/ Б.А.Пуриня, В.А.Касьянов. Рига:,.3инатне, 1980. - 260 с.

29. Биогидродинамика движения крови в полостях и магистральных сосудах/ В.Н.Захаров, Л.В.Полуэктов, Н.И.Кремлев и др. Новосибирск: НИБХ СО АН СССР, 1989. - 31 с.

30. Куприянов В.В. Биомеханика спирального расположения мышечных элементов сосудов и механизм ее регуляции при гемодинамике/ В.В.Куприянов, В.Ф.Ананин// Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. 1988. - T.XCV, №12. - с.27-35.

31. Сухов В.К. К вопросу о современных подходах в лечении ИБС/ В.К.Сухов, Е.А.Шлойдо, И.Н.Качанов// Современные направления в диагностике, лечении и профилактике заболеваний. СПб.: Ольга, 2001. -184 с.

32. Sigwart U. Stents: a mechanical solution for a biological problem/ U.Sigwart// European Heart Journal. -1997. V.18. - P. 1068-1072.

33. Агапов П.И. Численное решение динамических задач биомеханики сеточно-характеристическим методом/ П.И.Агапов, И.Б.Петров, А.С.Обухов, Ф.Б.Челноков// Компьютерные модели и прогресс в медицине. М.: Наука, 2001. - с.275-300.

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

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

36. Пащук А.Ю. Регионарное обезболивание/ А.Ю.Пащук. М.: Медицина, 1987. - 160 с.

37. Кантор Б.Я. Нелинейная кардиология левого желудочка/ Б.Я.Кантор, Н.И.Яблучанский, В.Е.Шляхтер. Киев: Наукова думка, 1983-210 с.

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

39. Бегун П.И. Биомеханика: Учеб. пособие/ П.И.Бегун, Ю.А.Шукейло. -СПб.: ТЭТУ, 1995.- 160 с.

40. Бегун П.И. Модели биомеханики: Учеб. пособие/ П.И.Бегун, Ю.А.Шукейло. СПб.: ГЭТУ, 1996. - 64 с.

41. Бегун П.И. Биомеханика органов человека: Учеб. пособие/ П.И.Бегун, Ю.А.Шукейло. СПб.: ГЭТУ, 1997.-92 с.

42. Бегун П.И. Биомеханика структур человека: Учеб. пособие/ П.И.Бегун, Ю.А.Шукейло. СПб.: ГЭТУ, 1998. - 128 с.

43. Бегун П.И. Биомеханика систем человека: Учеб. пособие/ П.И.Бегун, О.П.Кормилицин, Ю.А.Шукейло. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2000. -188 с.

44. Бегун П.И. Биомеханика: Учебник для вузов. / П.И.Бегун, Ю.А.Шукейло. СПб.: Политехника, 2000. - 463 с.

45. Бегун П.И.Компьютерное моделирование в биомеханике: Учеб. пособие/ Бегун П.И., Афонин П.Н. СПб.: СПбГЭТУ'ЛЭТИ", 2002. - 72 с.

46. Moore J. A. et al. Accuracy of Computational Hemodynamics in Complex Arterial Geometries Reconstructed from Magnetic Resonance Imaging/ J.A.Moore//Annals of Biomedical Engineering. -1999. V.27. - P.32-41.

47. Березовский B.A. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник / B.A. Березовский, Н.Н. Колотилов II Киев: Наукова думка, 1990.-192 с.

48. 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.

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

50. Фын Ю.Ч. Биомеханика / Ю.Ч. Фын II Теоретическая и прикладная механика Труды 14 международного конгресса lUTAM, -М.: Мир, 1997 -с. 100-135.

51. Cook R. D., Concepts and Applications of Finite Element Analysis, N. Y., Wiley, 1974.

52. Зенкевич О. К., Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред / Зенкевич О. К., Ченг И. К. II М.: Недра, 1974.

53. Мюррей Д. Solid Works / Д. Мюррей II -М.: Изд-во "Лори", 2001, 458 с.

54. Аксельрад Э.Л. Гибкие оболочки / Э.Л.Аксельрад Э.Л. II М.: Наука, 1976.-376 с.

55. Попечителев Е.П. Биотехнические системы и технологии на их основе/ Попечителев Е.П. // Биотехнические системы в медицине и биологии. СПб.: Политехника, 2002. - с.5-12.

56. Попечителев Е.П. О системном подходе к синтезу оптимальных биотехнических систем. / Попечителев Е.П., Чубаров А. В. II -В кн.: 3-я

57. Международная конференция стран СЭВ «Бионика-78». Л., 1978 с. 4351.

58. ИНФОРМАЦИЯ, КОММУНИКАЦИЯ, ОБЩЕСТВО" Санкт-Петербург, ноябрь 2001.

59. Бегун П.И. Моделирование состояния артерий при малоинвазивных хирургических операциях / Бегун П.И. Орликов А.В., Степанов С.К. // Вестник аритмологии №35, приложение А, 2004.