Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследования структуры потока крови в сердце и магистральных сосудах (обзор литературы) 11
Первые исследования характера потока в центральных отделах системы кровообращения 11
Картирование поля продольных скоростей в аорте 16
Косвенные доказательства закрученной структуры потока крови в сердце и магистральных сосудах 24
Исследования закрученного потока крови в сердце и магистральных сосудах 32
Данные об особенностях физиологии и анатомического строения кровеносного русла на участке левый желудочек сердца-аорта 39
Исследования структуры потока крови в условиях патологии и анализ литературных данных о возникновении и развитии потокогенных нарушений кровообращения 48
Глава 2. Материалы и методы исследования 56
Морфометрические исследования 56
Картирование векторного поля скоростей с помощью МР-велосиметрии 64
Цветное доплеровское картирование потока крови 69
Рентгеноконтрастная киноаортовентрикулография 70
Глава 3. Точные решения нестационарных уравнений гидродинамики для класса центростремительных закрученных течений вязкой жидкости 71
Собственные экспериментальные исследования структуры закрученного потока крови 86
Глава 4. Анализ геометрии полости левого желудочка сердца и аорты на основании морфометрических исследований посмертных коррозионных препаратов и прижизненных функциональных исследований 89
Морфометрические и функциональные исследования геометрии полости левого желудочка сердца 90
Морфометрические и функциональные исследования геометрии проточного канала аорты 135
Глава 5. Анализ результатов картирования векторного поля скоростей потока крови в аорте 149
Заключение 198
Выводы 213
Практические рекомендации 217
Список литературы 219
- Первые исследования характера потока в центральных отделах системы кровообращения
- Картирование векторного поля скоростей с помощью МР-велосиметрии
- Собственные экспериментальные исследования структуры закрученного потока крови
- Морфометрические и функциональные исследования геометрии полости левого желудочка сердца
Введение к работе
Физиология кровообращения включает целый ряд дисциплин, рассматривающих основные процессы, происходящие в сердечнососудистой системе, с различных позиций. Важнейшим направлением исследований в физиологии сердечно-сосудистой системы является анализ макроциркуляторных процессов - законов формирования, эволюции и взаимодействия потока крови с окружающими тканями в центральных отделах кровообращения - сердце и магистральных сосудах. Этот круг исследований имеет своей целью развитие гидродинамических подходов к описанию транспорта крови в организме.
Ключевым разделом данного направления являются исследования, посвященные вопросам структурной организации течения крови в сердце и магистральных сосудах. Важность этих исследований для физиологической науки в целом определяется доминирующим положением системы кровообращения, как важнейшей транспортной системы организма, осуществляющей постоянный перенос значительного количества крови ко всем органам. Прекращение этой функции несовместимо с жизнью, а нарушение эффективного транспорта крови приводит к системным патологическим изменениям.
Ценность этих исследований для практической медицины неоспорима, поскольку они позволяют раскрыть механизмы формирования потокогенных заболеваний сердечно-сосудистой системы, возникающих вследствие нарушения нормальных функциональных и пластических взаимодействий на границе «поток крови - кровеносное русло». С одной стороны, поток формируется вследствие сокращения сердца в генетически заданном канале сложной геометрической формы с подвижными границами, с другой стороны, поток сам оказывает значительные влияния на структуру и функцию кровеносной системы, подобно реке, протекающей в русле из пластичного грунта. В результате изменения характеристик потока происходит функциональная и морфологическая перестройка сердечнососудистой системы, направленная на снижение сдвиговых напряжений на границе потока и, следовательно, непродуктивных потерь энергии при течении крови вдоль кровеносного русла. Совокупность таких изменений функции и структуры кровеносного русла в современной кардиологии объединяется термином ремоделирование. Механизмы ремоделирования в настоящее время недостаточно изучены. В этом плане исследование структуры потока крови в норме, при патологических нарушениях кровообращения и после реконструктивных операций должно пролить свет на решение этой проблемы.
Неблагоприятным воздействием измененного течения крови объясняют возникновение таких нарушений как атерогенез, локальные тромбозы и гиперплазии, аневризматические выпячивания, разрывы и расслаивание сосудистой стенки. Искажениями структурной организации потока крови можно объяснить неблагоприятные последствия имплантации протезов сосудов и клапанов, вспомогательных искусственных желудочков и полностью имплантируемого искусственного сердца, повреждающее воздействие искусственного кровообращения и др. Сохранение и восстановление физиологической структуры течения крови имеет важное значение при реконструктивных операциях на сердце и сосудах для повышения эффективности кардиохирургического вмешательства и сокращения сроков реабилитации больных в послеоперационном периоде.
Количественный анализ структурной организации потока крови в сердце и магистральных сосудах необходим для выработки объективных критериев в диагностике многих нарушений кровообращения. Появление в последние годы современной измерительной техники, позволяющей визуализировать и измерять поток крови неинвазивными
6 методами, обеспечивает возможность использования этих диагностических критериев в лечебных и прогностических целях уже сегодня.
Накопленная информация о генерации и осуществлении потока крови в сердце и магистральных сосудах противоречива и не дает однозначного ответа о структуре течения. Многочисленные исследования, проведенные особенно в последние годы с применением современных методов регистрации и анализа, представляют обширный фактический материал, не имеющий до сих пор единой концептуальной интерпретации. Это связано с серьезными трудностями визуализации и физического моделирования реального потока крови, сложностью переменной пространственной конфигурации русла и практической невозможностью его воспроизведения в физической модели кровообращения, отсутствием знаний о принципах возникновения и эволюции закрученных течений, а, следовательно, и отсутствием адекватной гидродинамической модели, которая позволила бы объединить и систематизировать имеющиеся данные.
Подход, предлагаемый в настоящей работе, позволяет по-новому взглянуть на кровообращение с точки зрения количественного анализа структурных особенностей потока крови и открывает новое направление в физиологии сердечно-сосудистой системы. Это направление объединяет физиолого-гидродинамические исследования, имеющие своей целью изучение взаимодействий внутри потока крови и потока с окружающими тканями в норме и при патологии, моделирование различных патологических состояний кровообращения, анализ процессов ремоделирования в сердечно-сосудистой системе, разработку критериев физиологичности кардиохирургической коррекции на основании оценки восстановления адекватной структурной организации потока крови и др.
Научная новизна представленной работы состоит в том, что впервые на пути потока крови от левого желудочка сердца до аорты установлено соответствие между геометрическими характеристиками кровеносного русла и структурными параметрами закрученного потока крови. В частности впервые количественно охарактеризовано пространственное расположение внутрисердечного трабекулярного рельефа и предложено деление внутрисердечных структур на диастолическую и систолическую группы, показано соответствие продольного профиля аорты структуре закрученного потока, проведено трехмерное картирование поля скоростей течения крови в аорте для определения количественных характеристик закрученного течения крови. Это стало возможным благодаря появлению адекватной гидродинамической модели закрученного течения, представляющей собой точные решения нестационарных уравнений гидродинамики (уравнений Навье-Стокса и непрерывности) для класса закрученных центростремительных потоков вязкой жидкости.
Проведенный количественный анализ течения крови позволил восстановить качественную картину эволюции потока крови от момента открытия митрального клапана и заполнения полости левого желудочка до завершения изгнания в аорту как во времени, так и в пространстве. При этом были объяснены механизмы генерации, эволюции и поддержания закрутки течения крови, начальные и граничные условия в потоке, механизмы сшивки генерируемой струи с остаточными и вторичными потоками, возникновение возвратных течений и другие ранее не исследованные явления, сопровождающие транспорт крови в левом желудочке сердца и аорте.
Развитие теоретических (в том числе и гидромеханических) аспектов транспорта крови в сердце и магистральных сосудах позволяет объяснить некоторые, пока недостаточно понятые особенности течения, выработать соответствующие количественные критерии нормального потока крови, сформулировать принципы конструирования новых моделей имплантируемых и паракорпоральных устройств для сердечнососудистой хирургии, поддерживающих адекватную структуру течения. В практике конструирования гидроаэродинамических устройств закрученные потоки жидкостей и газов активно используются для решения важных инженерных задач преобразования одних видов энергии в другие, повышения скорости тепло- и массопереноса и снижения гидродинамического сопротивления. Опыт таких решений в сочетании с пониманием физиологических механизмов формирования и эволюции закрученного потока крови в сердце и магистральных сосудах необходим для усовершенствования существующих моделей имплантируемых протезов клапанов и сосудов, искусственного сердца, вспомогательного и искусственного кровообращения.
Таким образом, исследование структурной организации течения крови в сердце и магистральных сосудах актуально, имеет фундаментальное значение для понимания гидродинамических и физиологических аспектов кровообращения и практическое значение для диагностики и лечения патологических нарушений пропульсивной способности сердечно-сосудистой системы.
Целью работы явилось:
Идентификация и количественная характеристика структурной организации потока крови в аорте и левом желудочке сердца на основании экспериментальных, морфометрических, функциональных и модельных исследований с использованием точных решений нестационарных уравнений гидродинамики для класса центростремительных закрученных течений вязкой жидкости
Для достижения цели были решены следующие задачи: 1. Определение структурных параметров закрученного потока крови из точных решений нестационарных уравнений гидродинамики для класса закрученных центростремительных потоков вязкой жидкости, их вычисление и физический смысл.
1. Морфометрические исследования геометрических пространственных соотношений в полости левого желудочка сердца - анализ соответствия внутреннего трабекулярного рельефа полости линиям тока течения, описываемого использованной гидродинамической моделью на базе точных решений нестационарных уравнений гидродинамики.
3. Морфометрические исследования геометрических пространственных соотношений в полости аорты - анализ соответствия продольного профиля проточного канала аорты продольно-радиальной проекции линий тока закрученного течения, описываемого использованной моделью
4. Функциональное исследование динамической геометрии пульсирующей аорты - анализ соответствия геометрии канала использованной модели и определение динамики структурных параметров потока в аорте.
5. Количественный анализ результатов трехмерного картирования векторного поля скоростей течения в аорте с помощью использованной гидродинамической модели и определение количественных характеристик потока крови и их динамики во времени и вдоль потока.
Решение поставленных задач направлено на доказательство положений, выносимых на защиту: - поток крови в сердце и магистральных артериях имеет упорядоченную закрученную структуру, воспроизводимую от цикла к циклу, подчиняющуюся формальному количественному анализу; -закрученный поток крови формируется в сердце в результате взаимодействия потока и внутрисердечных трабекул, динамически меняющих свою ориентацию в ходе сердечного сокращения и модулирующих, таким образом, структурные характеристики потока, выбрасывается в аорту, геометрия просвета которой так же соответствует структуре закрученного течения. На всех этапах эволюции поток проявляет свойства закрученной затопленной струи, порождающей строго локализованные вторичные и возвратные течения, играющие определенную важную роль в обеспечении функционирования сердечно-сосудистой системы; - точные решения нестационарных уравнений гидродинамики для закрученных потоков вязкой жидкости являются адекватной гидродинамической моделью для количественной характеристики потока крови в сердце и аорте; - выбранные количественные критерии - радиальный градиент скорости и циркуляция потока — адекватно отражают состояние потока крови и являются достаточными для количественной характеристики структуры течения крови в полости левого желудочка и в аорте.
Работа выполнена в лаборатории по применению полимеров в сердечно-сосудистой хирургии Научного центра сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева РАМН. Исследование было инициировано д.м.н., профессором Н.Б. Добровой для разработки новых методов испытаний и новых моделей, имплантируемых органо-замещающих устройств, используемых в кардиохирургии, и являлось частью целевой комплексной программы «Создание новых видов протезов для сердечнососудистой хирургии».
Материалы диссертации опубликованы в 13 статьях, основные из которых указаны в списке библиографии*, представлены на Российских и международных конференциях и съездах (сделано более 10 докладов, опубликовано 15 тезисов докладов), неоднократно докладывались в НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН. * [Н.Б. Кузьмина и др., 1990; G. Kiknadzc, et aL, 1996; Г.И. Кихнадее и др., 19%; G.I. Kiknadze, et al., 1999; GJ. Kiknadze, et al., 2003; Л.А. Бокерия и др., 2002; А.Ю. Городков, ДЛ. Николаев, 2004; Л.А. Бокерня и др., 2004; А.Ю. Городков, 2004]
Первые исследования характера потока в центральных отделах системы кровообращения
Систематические исследования структуры течения крови в сердце и магистральных сосудах проводятся более 60 лет и связаны с революционным переворотом в кардиохирургии, начавшей широко использовать имплантируемые протезы клапанов сердца и кровеносных сосудов.
Неудивительно поэтому, что первые результаты были получены в связи с изучением механики клапанов сердца.
В силу ограниченности измерительных средств в 60-е годы не могло быть и речи о количественных измерениях скорости. Однако были проведены исследования траектории перемещения рентгеноконтрастных частиц, введенных в левое предсердие или в левый желудочек, вплоть до восходящей аорты [Ohlsson, 1962, Taylor D.E.M., Wade J.D., 1973, Lynch P.R., et al, 1964]. Использованный метод — скоростная киноангиография — позволял изучать плоскую проекцию трехмерного перемещения элемента потока. Довольно замысловатые траектории, зарегистрированные в ходе этих исследований, показали, что движение крови в полости сердца состоит из нескольких гидродинамических компонентов, содержит значительные вихревые образования, в которых жидкость перемещается по спиральным траекториям. Еще в 1952 г. McDonald D.A. измерил скорость течения крови в аорте с помощью скоростной киноангиографии. Им была зарегистрирована физиологическая фазовая кривая изменения скорости потока крови, отмечено возвратное течение в конце систолы. Rushmer R.F., Crystal D.K. [1951] с помощью этого метода продемонстрировали спиральный характер течения, заполняющего правый желудочек и формируемый в результате объединения потоков, приходящих из верхней и нижней полых вен.
На основании этих исследований были впервые сформулированы представления о функционировании клапанов сердца, створки которых как бы плавают в потоке крови и перемещаются в закрытое состояние под действием локальных вихревых образований. По данным [Bellhouse В.J.,. Bellhouse F.H, 1968, 1969, Steen Т., Steen S., 1994], полученным в экспериментах на пульсдупликаторе in vitroi npH обтекании свободного края передней створки митрального клапана во время диастолы в пространстве за створкой образуется закрученный поток крови, обеспечивающий ее закрытие. При изгнании поток отрывается с края створок полулунного аортального клапана и образует локальные вихри в синусах Вальсальвы. Эти вихри обеспечивают сближение створок аортального клапана и его закрытие в конце изгнания. Вихри, образующиеся при обтекании створок клапанов, ориентированы, по мнению авторов, поперек основного направления перемещения крови. [Irisawa Н., et al., 1960] в экспериментах по измерению объема левого желудочка методом разведения красителя определили, что краситель, введенный в левое предсердие практически не смешивается с кровью в левом желудочке, т.е. утверждение о том, что левый желудочек служит камерой для перемешивания крови — ошибочно. Впоследствии Taylor D.E.M. и Wade J.D. [1973], изучая траекторию перемещения элемента потока по движению болюса красителя, введенного в полость левого предсердия, киноангиографически, обнаружили, что перемешивание крови отсутствует также в легочном стволе и аорте, т.е. течение крови строго упорядочено и осуществляется вдоль определенных линий тока при отсутствии поперечного переноса. Отсутствие перемешивания сочеталось с наличием значительных локальных вихревых закрученных течений, зарегистрированных за створками атриовентрикулярных клапанов. Авторы делают вывод о высокой структурной стабильности потока крови.
Прижизненные исследования траекторий движения элемента жидкости в потоке крови не позволяют значительно варьировать режимы течения и геометрию проточного канала. Это послужило причиной создания прозрачных физических моделей сердца и аорты из стекла или полиуретана, позволяющих в стендовых условиях изучить широкий спектр состояний потока [Lynch P.R., et al, 1964, Bellhouse B.J., Bellhouse F.H., 1968, 1969]. В работе Бураковский В.И. и др., 1976] была впервые высказана гипотеза о закрученной природе потока крови в сердце методом имитации сокращений трупного сердца с помощью внешнего пульс-дупликатора. В результате была восстановлена качественная картина траектории частиц во внутрисердечном потоке . Однако, отсутствие знаний о принципах организации течения крови, отсутствие адекватной гидродинамической модели и технические трудности регистрации траектории движения частиц при физиологических уровнях скорости не позволили сделать существенных обобщений и определить количественные характеристики течения.
Фактически с опубликования этих первых результатов и до настоящего времени продолжается дискуссия об истинном характере течения крови в сердце и магистральных сосудах.
Действительно, течение вязкой жидкости может быть или ламинарным, или турбулентным, или какого-либо другого типа. Характер течения формально определяется значением числа Рейнольдса, зависящего от скорости течения, диаметра канала и вязкости протекающей среды. Принимая во внимание зависимость числа Рейнольдса от геометрических размеров проточного канала, его значение для различных животных и для различных отделов сердечно-сосудистой системы человека значительно отличается. Более того, мелкие позвоночные животные (менее 25 кг), имеющие относительно малый диаметр аорты, с этой точки зрения формально попадают в «ламинарную» группу, тогда как более крупные - в турбулентную [Педли Т., 1983]. Такое деление представляется малоправдоподобным, учитывая, что один тип течения отличается от другого в несколько раз по энергозатратам, что противоречит принципам подобия строения и функции, эволюционным законам и здравому смыслу. Непонятно, почему крупные животные должны затрачивать на транспорт крови в несколько раз больше энергии, чем мелкие.
Учитывая выраженный нестационарный характер течения крови в центральных отделах кровообращения, величина числа Рейнольдса в аорте значительно меняется в течение одного сердечного цикла, переходя из ламинарного диапазона во время диастолы в турбулентный в период изгнания крови в аорту.
С малыми потерями энергии связаны основные противоречия, возникающие при исследованиях движения крови в сердце и по магистральным кровеносным сосудам. Например, согласно [Педли Т., 1983], потери давления при движении крови в аорте составляют 0,5 кН/м2, что при известных размерах сосуда и скорости течения позволяет определить коэффициент сопротивления, который в результате оказывается значительно меньше коэффициентов сопротивления, сопровождающих турбулентное движение потока жидкости, обладающей вязкостью и плотностью крови» по каналу с характерными размерами аорты.
В классической гидродинамике течение жидкости в жестких трубах изучено достаточно подробно как в теоретическом, так и в экспериментальном аспектах [Шлихтинг Г., 1969]. Известно, что при турбулентном течении вдоль трубы происходит утолщение и смыкание пограничного слоя, приводящее к затуханию момента количества движения, связанного с закруткой потока. Между тем известно, что поток, имеющий закрутку, сохраняет ее на всем протяжении трубы. В этом плане особое значение приобретает исследование [Singh MP. et al., 1978], показавших аналитическими методами, что при условии эффективного транспорта крови вдоль аорты, пограничный слой в потоке крови не может превышать 1/10 диаметра сосуда, тогда как при развитом турбулентном течении крови вдоль аорты смыкание пограничного слоя должно было бы наблюдаться уже на расстоянии около 10 радиусов (около 30 см при длине аорты 50-60 см) от аортального клапана.
Картирование векторного поля скоростей с помощью МР-велосиметрии
Этот подход был использован для прижизненной верификации проведенных морфометрических измерений и реконструкции динамической компьютерной модели аорты в течение одного сердечного цикла. Для этого в двух экспериментах было произведено 6 трансверзальных сечений аорты, начиная от аортального клапана с шагом 8 мм до верхушки дуги аорты. Пространственная реконструкция аорты и измерение ее геометрических размеров были произведены компьютерными методами (совместно с Д.А. Николаевым).
Современные аппараты ЯМР снабжены пакетами программ, позволяющих проводить измерение скорости течения в потоке биологической жидкости, в частности, крови. Точность подобных измерений неоднократно проверялась путем сравнения с измерениями скорости течения другими методами на физических моделях [R.H. Mohiaddin, et al,, 1993]. Было показано, что источником ошибок является гетерогенность создаваемого магнитного поля [R.C. Dymond, et al-, 1996], что может приводить к локальным грубым искажениям измеряемых величин вследствие неадекватной фазовой коррекции [J.D. Stefansic, СВ. Paschal, 1998]. Для избежания подобных ошибок использовали Фурье-преобразования и минимальную скважность точек. Незначительное влияние на точность результатов МР-велосиметрии в аорте оказывают дыхательные движения грудной клетки [R.L. Wolf, et al., 1995].
Для представления данных МР-велосиметрии применяли различные пакеты программ обработки фазового МР-радиосигнала [напр. S.A. Rebergen, et al., 1993; Ph. Germain, et al., 1993; M. Chwialkowski, et al., 1996; M.H. Buonocore, 1998; G.P. Chatzimavroudis, et al., 2001].
В данном исследовании для измерений вектора скорости течения крови в заданном направлении использовали специальный пакет программ количественных измерений потока, разработанный SIEMENS (версия ЗЬЗІа), построенный на принципе равномерной фазовой коррекции возвращенного сигнала вдоль поля [Е. LafTon, et al., 1998]. Эти данные можно получить, привязываясь к единой координатной сетке измерительной системы, в определенный момент времени, синхронизированный с зубцом R ЭКГ. Минимизируя площадь сечения, через которое проводится измерения, можно измерить скорость течения в точке с определенными координатами в направлении, перпендикулярном к плоскости томографического сечения.
Этот принцип был использован для проведения трехмерного картирования поля скоростей потока крови в аорте. Для этого использовали дублированные изображения ортогональных сечения тела, проходящих через аорту. Первое изображение давало возможность определить положение точек интереса в прямоугольной системе координат измерительной системы (тоннель ЯМР) (рис.), ( второе изображение» полученное со сдвигом фаз (не читаемое с анатомической точки зрения), регистрировали для измерения скорости с помощью встроенных программ декодирования (рис.). В результате "? на выходе системы получали аналоговый график изменения скорости от времени в произвольно выбранной точке сечения аорты в заданном направлении, перпендикулярном плоскости томографического сечения аорты (рис.). Три томографических сечения аорты в трансверзальном направлении были проведены с шагом 10 мм в промежутке выше аортального клапана и ниже дуги аорты таким образом, чтобы получить одновременно изображения восходящего и нисходящего сегментов. Каждая серия сечений аорты (в восходящем и нисходящем сегментах) была пересечена в свою очередь семью фронтальными и семью сагиттальными сечениями. В результате в каждом из шести трансверзальных сечений было получено 49 точек пересечения фронтальных и сагиттальных срезов. В этих точках были измерены вектора скорости в направлениях, перпендикулярных плоскостям сечения. Скорость измеряли в течение 650 мс с частотой 1 измерение в каждые 31 мсек. Полученные вектора при последующей 3-хмерной реконструкции составляли триаду, достаточную для определения суммарного вектора скорости. Предполагалось, что геометрическая реконструкция аорты позволит найти новую систему координат, связанную с потоком. Разложение суммарного вектора скорости в этой системе координат позволило бы вычислить долю продольного, радиального и тангенциального компонентов скорости в формируемом потоке крови. Однако при проведении измерений выяснилось, что велосиметрия с помощью ЯМР регистрирует артефакты при высоких значениях скорости ( 0,5 м/с), что потребовало разработки специального алгоритма для преобразований полученных результатов. Подобные артефакты были зарегистрированы и другими исследователями [R.C. Dymond, et aL, 1996]. Напротив, при малых значения скорости уровень шума сравним с величиной сигнала. Поэтому все кривые были обработаны с помощью специально разработанных частотных фильтров.
Полученный массив данных позволил сгруппировать результаты таким образом, что в каждой измеренной точке можно было восстановить суммарный вектор скорости в течение большей части сердечного цикла (до 651 мс) с шагом 31 мсек. Несмотря на то, что малая часть точек не попала в просвет аорты, количество точек внутри аорты было достаточно, чтобы считать проведенное картирование представительным.
Полученный массив данных обрабатывали программными способами для расчета характеристических параметров течения и установления соответствия структуры течения выбранной гидродинамической модели.
Собственные экспериментальные исследования структуры закрученного потока крови
Анализ посмертных слепков левого желудочка позволяет исследовать общую конфигурацию полости и особенности ее внутреннего рельефа, несомненно, играющего определяющую роль в формировании потока. Очевидно, что поток, обтекающий внутреннюю поверхность левого желудочка, приобретает пространственную ориентацию, соответствующую направлениям системы трабекул, играющих роль направляющих лопаток. Поэтому, реконструкция пространственного расположения трабекул и папиллярных мышц означает фактически реконструкцию проекций линий тока закрученного течения крови на внутреннюю поверхность полости левого желудочка.
Посмертный отпечаток рельефа внутренней поверхности левого желудочка, отражает определенную фазу сердечного цикла в момент смерти, а, следовательно, соответствующую ей фазу эволюции течения.
Проблема идентификации фазы сердечного сокращения по слепку являлась предметом ряда исследований [в частности J. Ross, et al., 1967]. В проведенных экспериментах сердце собаки останавливали интракоронарным введением формалина с одновременной регистрацией ЭКГ, контролируя, таким образом, момент остановки сердца. Нами были сделаны специально два слепка левого желудочка сердца собак забитых на фоне интрамиокардиального введения высоких доз хлорида кальция и хлорида калия. В первом случае остановка сердца происходила на пике систолического сокращения, что соответствует максимальному опустошению полости после завершения изгнания, во втором -при максимальном расслаблении миокарда желудочков, что соответствует конечнодиастолическому состоянию полости. На рис. 14 хорошо видны основные морфологические признаки формы полости левого желудочка, остановленного в систолу и в диастолу. На диастолическом слепке явно видна пологая спиральная трабекуляция свободной стенки, папиллярные мышцы расположены вблизи стенки и практически не выдаются внутрь полости. Левый желудочек имеет форму тела вращения, ось которого проходит через центр митрального клапана и верхушку левого желудочка. Внешняя поверхность слепка имеет рельеф, соответствующий структуре трабекуляции свободной стенки левого желудочка. Трабекулы образуют спиральную систему линий, ориентированных по часовой стрелке вдоль оси полости в направлении от митрального клапана к верхушке. Длинные продольные трабекулы передней стенки и папиллярные мышцы выражены слабо и не играют определяющей роли в общей конфигурации полости. Систолический слепок, отражающий в данном случае состояние полости после завершения изгнания, имеет резко уменьшенную полость, которая так же может быть представлена в виде тела вращения, ось которого соединяет центр аортального клапана и некоторую точку, лежащую между основаниями папиллярных мышц в нижней трети свободной стенкой левого желудочка. Между передней папиллярной мышцей и перегородкой хорошо видны одна или несколько длинных гребней, идущих от верхушки к аортальному клапану, соответствующих трабекулам передней стенки. Такие же гребни видны в нижней части перегородки. Данное состояние полости отражает результат эволюции течения в момент закрытия аортального клапана после завершения изгнания. Папиллярные мышцы значительно увеличены в размерах и выполняют определяющую роль в конфигурации полости. Поскольку слепки были выполнены на собаках примерно одного веса (14-16 кг), можно сравнивать их объемы. Объем диастолического слепка составил 21 см3, а объем систолического слепка - 12 см3. Разница объемов примерно соответствует нормальной величине ударного объема сердца у собак данного веса (11 мл/удар) [Соколов М.В. и др., 1983]. Таким образом, внешний вид слепка отражает определенную фазу сердечного сокращения, а анализ крайних состояний полости — конечносистолического и конечнодиастолического - позволяет сформулировать качественные критерии для идентификации фазы сердечного сокращения. Аналогичные качественные критерии мы использовали для идентификации фазы сердечного сокращения, запечатленной на слепках левого желудочка сердца человека. Действительно, строгие количественные критерии не могут быть использованы для идентификации фазы сердечного сокращения по слепку левого желудочка сердца человека. Это связано с тем, что обычно неизвестен тип асистолии, приведшей к остановке сердца и смерти. В случае активной дегенерализованной фибрилляции желудочков нет очевидного механизма, способного адекватно отразить какую-то определенную фазу сердечного сокращения. Было бы логично предположить, что в этом случае слепок должен отражать геометрию диастолического желудочка, однако среди массы слепков, выполненных в нашей лаборатории на протяжение тридцати лет, лишь сравнительно небольшое количество соответствуют диастоле. Большинство получающихся слепков по геометрии полости занимают промежуточное положение между систолой и диастолой. Кроме типа остановки сердца на конфигурацию слепка оказывают влияние время, прошедшее между смертью и наливкой, в частности, степень трупного окоченения, методика заполнения (с сохраненным перикардом или без» в трупе или на извлеченном сердце, давление заполнения, места канюляции, и т.д.). Совокупность этих факторов препятствует статистическому количественному анализу выборки слепков и определению достоверных критериев фазы сердечного сокращения, основанных на линейных размерах полости. В связи с этим для идентификации фазы сердечного сокращения нами были использованы критерии, определенные в экспериментах на собаках. Такими критериями являются абсолютное значение объема полости и относительный объем папиллярных мышц, общая конфигурация полости (определение оси симметрии), характер трабекулярного рельефа. Для идентификации фазы сердечного сокращения, в том числе, была использована хорошо изученная последовательность возбуждения и сокращения элементов миокарда [R.F. Rushmer, 1970; J. Freudenberg, et al., 2000].
Морфометрические и функциональные исследования геометрии полости левого желудочка сердца
По аналогичной схеме был проведен анализ пространственной ориентации линий папиллярных мышц и длинных продольных трабекул передней стенки составляющих спирально организованный ансамбль направляющих на систолическом слепке.
Полученные зависимости имеют примерно такой же характер, как и на диастолическом слепке с той разницей, что угол наклона графика —-(z), по отношению к оси ординат
м значительно выше, что означает прогрессирующее увеличение соотношения продольной и азимутальной составляющих скорости. Такая зависимость отражает значительно большее, чем на диастолическом слепке ускорение формируемого потока крови, достигаемое вдоль длинной оси выводного тракта, начиная с отметки 62. Видимо где-то в этой области находится зона «сшивки» наполняющего и изгоняемого потоков.
Из соотношения (11) на стр. 66 видно, что отношение продольной и радиальной составляющих скорости обратно пропорционально третьей степени радиуса проточного канала, поэтому уменьшение радиуса левого желудочка в результате его сокращения кубически увеличивает продольную составляющую скорости, что лежит в основе ускорения потока. По литературным данным это ускорение в норме составляет 16 м/сек2 [A. Kitabatake, et al., 1988], что почти в 8 раз превосходит ускорение свободного падения.
На систолическом слепке, соответствующем середине изгнания объем левого желудочка уже частично опорожнен. Это отражено в значительном уменьшении значения константы Q, которая после отметки 62 стабилизируется на значении около 10000 мм3, что соответствует объему около 15-35 мл. Величина Zb, продолжая перемещение вслед за струей так же постоянна в области, задаваемой трабекулами выводного отдела, и стабилизируется на уровне около 50 мм.
В идеальном случае, если бы речь шла об одной и той же полости, полученные зависимости должны были бы «сшиваться» в точке поворота потока при переходе от диастолы через изометрическую фазу к систоле. Поскольку в рассматриваемом случае сравниваются два различных слепка, причем объем систолического слепка явно уменьшен в связи с предполагаемым частичным изгнанием крови в аорту, можно говорить лишь о теоретической возможности такой «сшивки». Действительно, перелом кривых происходит примерно в одной и той же зоне, соответствующей половине длины полости левого желудочка. Значения отношения —- для диастолического слепка на заметном участке близки к «0», что должно соответствовать состоянию потока в изометрической фазе, затем начинается ускорение потока, сопровождающееся многократным увеличением отношения -2- при переходе к систолическому слепку. Величина Q, пропорциональная объему струи и отражающая положение потока вдоль струи, в 7 раз меньше для систолического слепка, чем для диастолического, в соответствие со степенью опорожнения полости в процессе изгнания. Величина Zo, отражающая расстояние точки анализа до начала координат потока, меняется незначительно, что свидетельствует о перемещении точки зарождения потока вместе со струей в соответствие с эволюцией внутрисердечного рельефа и последовательностью работы сердечных клапанов. Действительно, заполняющий поток левого желудочка при открытом митральном отверстии составляет единое целое с потоком в полости левого предсердия, поэтому расстояние Zu, не может превышать суммы длин левого предсердия и левого желудочка. На рассматриваемом диастолическом слепке этот размер равен 120 мм. Изгоняемый поток, являясь результатов эволюции заполняющего потока и сохраняющего тангенциальную компоненту скорости, приобретенную во время диастолы, анализируется вблизи начальной точки. При этом расстояние Zia не превышает размер полости от аортального клапана до середины свободной стенки у основания папиллярных мышц. На рассматриваемом систолическом слепке это расстояние равно 50 мм. Полученные значения являются непосредственными характеристиками мгновенного состояния потока, существующего в полости левого желудочка, и показывают, в какой степени спиральная композиция внутрижелудочковых трабекул может влиять на характер течения, ограничивая диапазон взаимного изменения основных гидродинамических характеристик потока при данных значениях радиуса канала. Нужно учитывать, что геометрические параметры канала получены со слепка полости, отражающего мгновенный отпечаток сердечной архитектоники. Разумеется, сокращающееся сердце через изменение радиуса потока и сопряженное с ним изменение угла наклона трабекул регулирует поле скоростей потока крови в значительно более широком диапазоне значений, чем это можно измерить на неподвижном слепке. Таким образом в результате совместного анализа морфометрических измерений диастолического и систолического слепков на основании точных решений нестационарных уравнений гидродинамики [Кикнадзе, Краснов] была качественно восстановлена последовательность этапов эволюции внутрисердечного потока в течение одного сердечного цикла. С позиций проведенного анализа становится возможным прокомментировать этапы эволюции внутрисердечного потока крови по записи вентрикулографии пациента Г., и цветной допплер-эхокардиографии пациента Ф. у которых не наблюдалось существенных изменений со стороны геометрии полости левого желудочка (рис. 20,21).
