Биомеханика левого желудочка сердца с постинфарктными аневризмами

Сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной инвалидизации и смертности населения промышленно развитых стран мира. Непрерывно растет число больных с осложненными формами ишемической болезни сердца, в том числе с инфарктом миокарда. Обширный инфаркт миокарда в 40% случаев сопровождается развитием постинфарктной аневризмы левого желудочка [13, 36]. Наличие аневризмы приводит к резкому снижению сократительной функции левого желудочка. За последующие пять лет остаются в живых лишь около 10% больных [10, 31].

Процесс формирования аневризмы начинается в первые часы после острого инфаркта миокарда. Некроз кардиомиоцитов, активация каскада биохимических реакций в ранний постинфарктный период изменяют механические свойства миокарда, его архитектонику, приводят к сильному деформированию стенок и нарушению геометрии полости левого желудочка и др. [3, 5, 8, 11, 14]. На сегодняшний день единственным действенным методом лечения данной патологии является хирургическая операция. Существует несколько вариантов хирургической реконструкции стенки левого желудочка с постинфарктной аневризмой для реализации которых очень важна дои послеоперационная оценка особенностей ремоделирования патологической стенки. Главная проблема в хирургии постинфарктных аневризм сердца — это высокая госпитальная летальность, тяжелая диастолическая и систолическая дисфункция миокарда левого желудочка после операции [1, 91]. В течение первого месяца после формирования аневризмы без хирургического лечения погибают 80% пациентов.

4, 41]. С середины 80-х годов благодаря усилиям таких хирургов как Jatene, Dor, Fontan, Cooley были разработаны методы геометрической реконструкции левого желудочка, которые сегодня считаются наиболее физиологическими. В основе данных методов лежат попытки расчета оптимальной геометрии и величины полости левого желудочка, необходимой для обеспечения после реконструкции адекватного сердечного выброса. Но несмотря на огромный опыт, накопленный за последние десятилетия в современной кардиохирургии, вопросы эффективного хирургического лечения постинфарктных аневризм сердца остаются не раскрытыми. Это обусловлено не только распространенностью и трудностями диагностики данных состояний, но и отсутствием единых подходов к их лечению. Современная медицина постоянно ищет пути рационализации хирургического лечения. Внедрение в клиническую практику методов компьютерного моделирования для прогнозирования возникновения и течения заболевания позволит значительно улучшить прогноз у данной категории больных.

В настоящее время биомеханическое моделирование является удобным инструментом исследования биологических объектов. С его помощью создается виртуальный образ исходного объекта, который позволяет в дальнейшем изучить модели с помощью реализуемых на компьютерах вычислительно-логических алгоритмов. Работа не с самим биологическим объектом, а с его виртуальной моделью, позволяет исследовать свойства биологического объекта и его поведение в различных модельных ситуациях. Использование биомеханических моделей для исследования сложных биологических систем, таких как сердце, является весьма перспективной. Так как проведение натурного эксперимента на живых тканях приводит к их разрушению, а чаще всего к гибели и как следствие делает невозможным его дальнейшее изучение.

Создание биомеханической модели начинается с построения трехмерной геометрии исследуемого объекта. В 60−70-х годах проводилось построение геометрия сердца на основе данных in vitro [107]. Современное медицинское диагностическое оборудование (компьютерная и магнитно-резонансная томография, ультразвуковые приборы) позволяет изучать морфологию на качественно новом уровне [58, 61, 64, 68, 71, 76, 77, 89, 93, 101]. Созданные трехмерные геометрические модели объектов, в основном, имеют упрощенную геометрию и не учитывают реальную структуру ткани. В работе Jouk et al. [81] представлены исследования по созданию 3D моделей желудочков сердца с учетом ориентации мышечного волокна. Авторы [104, 108] моделируют стенки желудочков сердца в виде спирально закрученного волокна миокарда. Ennis и др. предприняли попытку провести численный эксперимент для модели левого желудочка с различным углом распределения мышечного волокна на примере сердца овцы [69]. В работах [48,49, 52,55, 86] проведены исследования о влиянии геометрической формы левого желудочка на его функциональные возможности, в частности влияние на сократительную функцию.

Однако построенный трехмерный объект не является самостоятельной биомеханической моделью. Для полной ее реализации необходимо задать механические параметры материала стенки и граничные условия, которые будут удовлетворять физиологическим процессам биологического объекта.

Следует отметить, что изучению механических свойств тканей сердца посвящено множество работ [40, 57, 72, 78, 92, 105]. Но большинство исследований проведено на препаратах животных. Недостатком других работ является отсутствие данных, в каком физиологическом интервале были рассчитаны характеристики материала.

В основном в статьях, посвященных биомеханическому изучению поведения тканей сердца, рассматриваются упругие модели материала (линейная упругая модель, нелинейная изотропная модель, нелинейная анизотропная модель) [72, 78, 87]. В статьях [34, 90] приведено обоснование необходимости рассмотрения материала стенки желудочков сердца как вязкоупругого. В настоящее время ряд авторов настаивает на разработке новой модели сердечной стенки, которая бы позволила учитывать ряд физиологических процессов, например, электрическую активность [82, 83, 96, 97, 109, 110].

На протяжении века ученые всего мира пытаются описать физиологические процессы, происходящие внутри сердца. Одна из первых попыток математически описать механизм сокращения сердечной мышцы собаки принадлежит Nash [94]. Но наиболее значимые результаты принадлежат ученым Стенфордского университета (США) [110, 112] и Института иммунологии и физиологии УрО РАН [27, 34, 35, 40].

Определение граничных условий — не менее важная задача в построении биомеханической модели исследуемого объекта. Для задания граничных условий используют результаты магнито-резонансной томографии, компьютерной томографии, ультразвукового исследования и др. [50, 61, 63, 100].

В последние годы в биомеханику активно внедряются методы конечно-элементного моделирования. Это связано, в первую очередь, с прогрессом вычислительной техники и методов медицинской диагностики, а во вторую — с необходимостью внедрения в клиническую практику новых методов прогнозирования. Сложность численного анализа реальной геометрии биологических объектов требует огромных вычислительных затрат, поэтому большинство исследований, результаты которых опубликованы к настоящему времени, проведены для случаев упрощенных моделей желудочков сердца человека [47, 53, 59, 60, 62, 66, 67, 73, 79, 80, 88, 99, 103, 104, 106, 111, 113] или животных [56, 74, 84, 98]. В своих работах авторы чаще всего проводят моделирование желудочков сердца в соответствии с фазами сердечного цикла. В диастолическую фазу сердечного цикла происходит наполнение камер желудочков кровью. В систолическую фаза происходит выталкивание крови из левого желудочка в большой круг кровообращения и из правого — в малый. Необходимо отметить, что патологические состояния стенки левого желудочка приводят к катастрофическим последствиям для всего организма в целом. В опубликованных работах в основном, изучается работа желудочков сердца отдельно в диастолическую и систолическую фазы [53, 62, 67, 79,103, 106, 113], в норме и при ишемии стенки [66, 73, 80, 104, 111], проводится оценка влияния патологии на образование закрученного потока в полости левого желудочка [59, 60, 88, 99]. В работах [46, 54, 65] предлагаются подходы для создания моделей левого желудочка для конкретных пациентов.

Но на сегодняшний день не существует биомеханических моделей желудочков сердца, которые позволили бы проводить анализ поведения желудочков в норме, при различных патологических состояниях стенки и после проведения реконструктивных операций для определения методики рационального хирургического вмешательства.

Таким образом, целью данного исследования является построение биомеханической модели левого желудочка сердца человека в норме, при наличии постинфарктных аневризм и после хирургического вмешательства по ремоделированию стенки желудочка.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать механические свойства тканей желудочков сердца человека и материалов, применяемых при реконструктивных операциях.

2. На основании акустических методов исследования определить изменение давления кровотока и поля перемещений стенки левого желудочка по фазам сердечного цикла.

3. Построить биомеханическую модель левого желудочка на основе ЗО конечно-элементного компьютерного моделирования, характеризующуюся геометрическим и физико-механическим подобием левого желудочка сердца человека.

4. Рассмотреть и численно реализовать модели постинфарктных аневризм стенки левого желудочка, провести сравнение результатов расчетов для различных моделей.

5. Провести компьютерное моделирование и оценить фракцию выброса с учетом напряженно-деформированного состояния стенок левого желудочка в норме, при патологиях и после проведения реконструктивных операций.

6. Верифицировать разработанную модель с помощью известных клинических фактов.

7. С помощью построенной модели разработать биомеханическое обоснование выбора рационального хирургического вмешательства.

8. Использовать построенную модель для определения биомеханических факторов, влияющих на патогенез аневризм.

Научная новизна работы состоит в следующем.

Впервые проведено исследование возрастной и половой изменчивости деформационно-прочностных характеристик миокарда сердца человека. Впервые осуществлено комплексное биомеханическое моделирование левого желудочка сердца человека. Изучена гемодинамика с учетом напряженно-деформированного состояния стенки левого желудочка сердца человека в норме, при патологии и после проведения реконструктивных операций.

Результаты исследования заключаются в следующем:

• Определены деформационно-прочностные характеристики миокарда сердца человека.

• Определены основные факторы приводящие к образованию постинфарктных аневризм левого желудочка.

• Дана сравнительная оценка эффективности различных видов пластики левого желудочка при хирургическом восстановлении его полости и фракции выброса.

Практическая значимость работы определяется возможностью применения изложенной в диссертации методики биомеханического моделирования левого желудочка сердца человека. Знание деформационных и прочностных свойств тканей желудочков сердца, а также изменчивость этих свойств с возрастом и в зависимости от пола необходимы для прогнозирования возможных повреждений при хирургических вмешательствах. Выводы, полученные в результате диссертационного исследования, наглядно показывают влияние биомеханических факторов на процесс возникновения и развития постинфарктных последствий, позволяют выявить условия, при которых наиболее вероятно формирование и разрыв аневризм стенки левого желудочка и межжелудочковой перегородки. Предложенный метод исследования может быть востребован в дооперационной диагностике конкретного пациента и выявления условий, при которых наиболее вероятно формирование постинфарктной аневризмы левого желудочка и ее разрыв.

Результаты проведенных исследований внедрены в учебный процесс кафедры математической теории упругости и биомеханики механико-математического факультета Саратовского государственного университета имени Н. Г. Чернышевскоговключены в программу повышения квалификации профессорско-преподавательского состава «Биомеханика в условиях уровневого высшего профессионального образования» в рамках реализации приоритетного направления «Проблемы подготовки кадров по приоритетным направлениям науки, техники, критических технологий, сервиса» Саратовского государственного университета.

Работа проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ, выполняемых в рамках гранта РФФИ 09−01−804-а.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением апробированных моделей и строгих математических методов при построении решения поставленных задач и их анализе, качественным и количественным согласованием полученных результатов с клиническими данными и результатами близких по тематике работ других авторов.

Результаты исследования и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались на научных семинарах кафедры математической теории упругости и биомеханики и образовательно-научного института наноструктур и биосистем Саратовского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского, на региональных, всероссийских и международных школах-семинарах и конференциях: ежегодной Всероссийской научной школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине» (Саратов, 2009, 2012), Всероссийской конференции «III сессия Научного совета РАН по механике деформируемого твердого тела» (Саратов, 2009), X Всероссийской конференции «Биомеханика 2010» (Саратов, 2010), XIV Международная конференция «Современные проблемы механики сплошной среды» (Ростов-на-Дону, 2010), X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Н.Новгород, 2011), VII, VIII Всероссийских школах-семинарах «Математическое моделирование и биомеханика в современном университете» (пос. Дивноморское, 2012, 2013), Международной конференции «Актуальные проблемы механики сплошной среды» (Цахкадзор, Армения, 2012).

Результаты диссертационного исследования опубликованы в 10 печатных работах, из них 4 статьи в журналах из списка ВАК [16, 18, 19, 24], 6 — в сборниках материалов конференций [17,20−23, 25].

Экспериментальные результаты, представленные в диссертации, получены лично автором в сотрудничестве с Челноковой НО., ассистентом кафедры оперативной хирургии и топографической анатомии ГБОУ ВПО «Саратовский государственный медицинский университет им. В. И. Разумовского Минздрава) цразвития России». Построение биомеханических моделей левого желудочка сердца человека (в норме, при патологии и после проведения реконструктивных операций), определение граничных условий и конечно-элементный анализ проведены автором лично и самостоятельно. Постановка задач, обсуждение полученных результатов проводились совместно с научным руководителем.

Исследования выполнены с использованием оборудования и программного обеспечения, принадлежащего ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского».

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, определяются цель и задачи исследования, дается краткая аннотация диссертационного исследования, формулируется научная новизна диссертации, отмечается практическая ценность полученных результатов.

В первой главе содержатся анатомо-физиологические характеристики сердца. Описаны этапы проведения трехмерного геометрического моделирования левого желудочка в норме, при патологии и после проведения хирургической реконструкции стенки. На основании акустических методов исследования определено изменение давления кровотока и поля перемещений стенки левого желудочка по фазам сердечного цикла.

Во второй главе обосновывается необходимость проведения экспериментов по определению механических свойств тканей желудочков сердца. Описывается методика проведения испытаний и ее особенности. Результаты обработки экспериментальных данных позволили выявить различия в свойствах тканей желудочков сердца в зависимости от половой принадлежности и возрастной группы,.

В третьей главе приводится математическая постановка задачи о напряженно-деформированном состоянии стенки левого желудочка в диастолическую фазу сердечного цикла, а также анализ результатов конечно-элементного моделирования. Численные данные представлены по мере усложнения математической постановки задачи. Решены задачи.

1. анализ напряженно-деформированного состояния стенки левого желудочка в норме,.

2. нагружения давлением локально ослабленной стенки левого желудочка и межжелудочковой перегородки,.

3. анализ напряженно-деформированного состояния стенки левого желудочка при наличии постинфарктной аневризмы,.

4. анализ напряженно-деформированного состояния стенки левого желудочка при хирургическом ремоделировании.

В четвертой главе приводится оценка фракции выброса левого желудочка в систолическую фазу сердечного цикла, анализ результатов конечно-элементного моделирования. Результаты моделирования были проанализированы с точки зрения определения и влияния гемодинамических усилий на формирование и разрыв постинфарктных аневризм, а также напряженно-деформированного состояния стенки левого желудочка в норме, при ишемии стенки, при наличии постинфарктной аневризмы и после проведение реконструктивных операций с наложением заплат из различных материалов и после проведения резекции.

4.5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Проведенное исследование позволило выявить гемодинамические изменения с учетом напряженно-деформированного состояния стенки левого желудочка сердца человека в норме, при ишемии миокарда, наличии постинфарктной аневризмы и после хирургического лечения по восстановлению фракции выброса.

Конечно-элементное моделирование позволило сделать вывод, что развитию постинфарктных аневризм левого желудочка сердца способствуют высокие значения давления крови в области ишемии стенки и в ампуле сформировавшейся аневризмы.

Механические характеристики и тип материала заплат не влияют на показатель фракции выброса.

Максимально возможно восстанавливает фракцию выброса кисетная пластика, но необходимо отметить, что в зоне контакта двух материалов наблюдаются максимально критические значения эквивалентных напряжений, что в свою очередь может приводить к новым патологическим состояниям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе представлено комплексное исследование, направленное на объяснение, с биомеханической точки зрения, выбора рационального хирургического вмешательства по восстановлению фракции выброса и геометрической формы левого желудочка сердца человека.

Для достижения поставленной цели было решено несколько задач, позволивших определить реакцию стенок ЛЖ в норме, при различных патологических состояниях миокарда и после хирургического вмешательства в диастолическую фазу и поведение кровотока в систолическую фазу сердечного цикла. Результаты расчетов проанализированы с целью определения влияния биомеханических факторов на образование и возможный разрыв постинфарктных аневризм сердца, а также выбора рационального метода хирургической коррекции стенки желудочка.

В результате конечно-элементного анализа были сделаны следующие выводы:

• При построении биомеханической модели ЛЖ необходимо учитывать возрастной и половой факторы, которые оказывают существенное влияние на деформационно-прочностные характеристики тканей.

• Проведена верификация предложенной биомеханической модели на основе сопоставления с известными клиническими данными.

• Результаты вычислительных экспериментов выявили главные факторы развития постинфарктных аневризм левого желудочка сердца, среди которых следует отметить падение на порядок модуля Юнга и возрастание значений давления в зоне ампулы аневризмы.

• Механические характеристики и тип материала заплат не влияют на показатель фракции выброса левого желудочка сердца человека.

• Конечно-элементные расчеты, произведенные с использованием модели, позволили сформулировать следующие рекомендации для выбора методики проведения пластики ЛЖ: о при всех видах хирургической коррекции стенки левого желудочка целесообразно использование заплат из материалов с модулем Юнга, превосходящим по своим значениям модуль Юнга миокарда на 20−30%- о сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния межжелудочковой перегородки свидетельствует о целесообразности проведения циркуляционной пластики с наложения заплаты со стороны правого желудочка, эндовентрикулярной пластики с наложением заплаты со стороны левого желудочкао для восстановления фракции выброса левого желудочка сердца человека, при хирургической коррекции переднебоковой стенки и верхушки желудочка, целесообразно проведение кисетной пластики.

В будущем планируется усложнить постановки задач: использовать нелинейные, гиперупругие модели материала стенок левого желудочка и рассмотреть геометрические модели желудочков сердца для реальных пациентов.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.

ИМ — инфаркт миокарда.

КДО — конечно-диастолический объем крови.

ЛЖ — левый желудочек.

МЖП — межжелудочковая перегородка.

ПАЛЖ — постинфарктная аневризма левого желудочка.

ПЖ — правый желудочек.

СЦ — сердечный цикл.

УЗИ — ультразвуковое исследование.

ФВ — фракция выброса.

ЭН — эквивалентные напряжения.