Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния исследования и коррекции предсердно-желудочковых клапанов в норме, патологии и при хирургических операциях 18
1.1. Исследование предсердно-желудочковых клапанов в норме и патологии 18
1.2. Коррекция предсердно-желудочковых клапанов 27
1.3. Проблемы предоперационного прогнозирования результатов хирургических операций на предсердно-желудочковых клапанах 37
Выводы 43
2. Биомеханические основы компьютерного моделирования предсердно-желудочковых клапанов 51
2.1. Строение и функционирование предсердно-желудочковых клапанов сердца 52
2.2. Геометрические параметры структур митрального клапана 63
2.3. Геометрические параметры структур трикуспидального клапана ... 68
2.4. Биомеханика патологических образований в предсердно-желудочковых клапанных аппаратах сердца 72
2.5. Механические свойства биологических тканей митрального и трикуспидального клапанов 83
2.5.1 Схематизация механических свойств биологических тканей митрального и трикуспидального клапанов 83
2.5.2. Экспериментальные исследования механических свойств структур
предсердно-желудочковых клапанных аппаратов 88
Выводы 92
3. Основы компьютерного моделирования дилатации структур предсердно-желудочковых клапанов при хирургических операциях 97
3.1. Решение задач биомеханики методом конечных элементов 97
3.2. Сравнительный анализ точности вычислений напряженно-деформированного состояния в структурах предсердно-желудочковых клапанов 104
3.3. Исследование влияния геометрических параметров и механических свойств структур митрального клапана на напряжения и перемещения при хирургической дилатации 107
3.3.1. Определение величины допускаемого напряжения в комиссурах митрального клапана 107
3.3.2. Исследование влияния модулей упругости створок и комиссур на величину дилатированного отверстия 118
3.3.3. Исследование влияния высоты створок и комиссур на величину дилатированного отверстия 119
3.3.4. Исследование влияния толщины створок на величину дилатированного отверстия 126
3.3.5. Исследование влияния размеров фиброзного кольца на величину дилатированного отверстия ізо
3.4. Исследование влияния геометрических параметров и механических свойств структур трикуспидального клапана на напряжения и перемещения при хирургической дилатации 134
3.4.1. Исследование влияния модулей упругости створок и комиссур на величину дилатированного отверстия 134
3.4.2. Исследование влияния высоты створок на величину дилатированного отверстия трикуспидального клапана 137
3.4.3. Исследование влияния толщины створок на величину дилатированного отверстия 144
3.4.4. Исследование влияния размеров фиброзного кольца на величину дилатированного отверстия 148
3.5. Анализ напряженно- деформированного состояния в атриовентри -кулярной перегородке при дилатации фиброзных колец предсердно -желудочковых клапанов 152
3.6. Подсистема предоперационной диагностики результатов дилатации предсердно-желудочковых клапанов 159
Выводы 162
4. Клинические исследования БТС - МН — "Предсердно- желудочковые клапаны" 164
Заключение. Основные результаты работы Igo
Список литературы
- Проблемы предоперационного прогнозирования результатов хирургических операций на предсердно-желудочковых клапанах
- Геометрические параметры структур трикуспидального клапана
- Сравнительный анализ точности вычислений напряженно-деформированного состояния в структурах предсердно-желудочковых клапанов
- Исследование влияния размеров фиброзного кольца на величину дилатированного отверстия
Введение к работе
Сердечно-сосудистые заболевания являются причиной более 55% всех случаев смерти в России. Неснижающиеся показатели сердечно-сосудистой заболеваемости определяют социально-экономическую значимость этой проблемы. Мировая практика показывает: вложив дополнительные средства в здравоохранение, государство через несколько лет получает ощутимый экономический эффект от снижения заболеваемости и смертности населения. Поражения клапанов сердца составляют в современной клинической практике примерно 25% от числа всех органических заболеваний сердца.
Единственный эффективный путь устранения органического поражения клапанного аппарата- хирургический. Исходя из локализации, морфологической формы и степени поражения клапана, избирается тот или иной способ коррекции. Коррекцию клапанного стеноза предсердно - желудочковых клапанов проводят тремя совершенно различными видами хирургического лечения: комиссуротомией, протезированием и катетерной вальвулопластикой. Каждый тип операций, если о нем судить по соотношению полноценности лечебного воздействия и той цены, которой оно достигнуто (полнота и сроки восстановления функции, долгосрочность эффекта, травматичность и экономичность), обладает определенными преимуществами и недостатками.
При комиссуротомии сохраняется клапан - это основное достоинство этих операций. Недостатком является частое развитие рестеноза, ревматическая активность в послеоперационном периоде, значительная операционная травма, высокий риск митральной недостаточности и эмболических осложнений. Степень риска и стоимость протезирования клапана значительно выше, чем при комиссуротомии. Недостатки протезирования клапана: существенное нарушение биомеханики желудочка, приводящее к миокардиальной слабости, вероятности тромбоэмболии и повторных операций. Многочисленность вариантов механических протезов, а также выбор многих видов биологических тканей с
б различными принципами обработки, консервации и фиксации, свидетельствуют о сложности и многоплановости проблемы протезирования клапанов сердца. Поэтому широко ведется поиск таких кардиохирургических операций, которые максимально способствуют нормализации гемодинамики и минимально травматичны по способу вмешательства.
В последние годы широкое применение в мировой практике нашли эндова-скулярные методы лечения заболеваний сердца, осуществляемые в рамках биотехнических систем медицинского назначения (БТС - МН) - "Дилатация клапанов". Использование специального инструмента - баллонного катетера, позволило производить малотравматичные вмешательства - катетерную баллонную вальвулопластику (КБВ) на стенозированных клапанах сердца. Операции КБВ выполняются в рентгеновской операционной, оборудованной системами регистрации рентгенотелевизионного изображения и физиологических показателей сердечной деятельности, а также эхокардиографом с возможностью интраоперационного выполнения трансторакальной и чреспищеводной эхокардиографии и допплерографии. Митральная КБВ выполняется в два этапа: 1) диагностический этап - венозная и артериальная катетеризация, транссеп-тальная пункция левого предсердия, киноангиография и манометрия с целью подтверждения данных неинвазивного исследования и уточнения гемодинами-ческой характеристики порока; 2) дилатация пункционного отверстия, проведение баллона в клапан и собственно вальвулопластика.
При этом объективные трудности, существующие при проведении рентгено-хирургических интервенционных операций, не всегда позволяют планировать успех и предсказать исход технически грамотно выполненных манипуляций. Это связано с тем, что: 1) существует большое количество разных форм поражения одних и тех же клапанов и различные сочетания поражений клапанов; 2) один и тот же ревматический процесс протекает по - разному в различных организмах; 3) в момент дилатации клапана наблюдение ведется только в двумерном рентгеновском изображении и в некоторых случаях с УЗ-сканированием;
4) ни один из современных методов не позволяет измерять механические ха
рактеристики клапанных структур конкретного организма in vivo; 5) ангиогра-
фические методы, достаточно информативные для предоперационного описа
ния пораженных участков, во время рентгенохирургических операций отража
ют только состояние, в котором дилатируемые структуры находятся до и после
операции. В реализованных в клинической практике БТС - МН - "Дилатация
клапанов" отсутствует блок "Биомеханика", позволяющей проводить
предоперационную диагностику результатов интервенционных
малоинвазивных рентгенохирургических операций на предсердно желудочковых клапанах сердца.
Таким образом, актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и ввода в БТС - МН - "Дилатация клапанов" блока "Биомеханика", позволяющего проводить диагностику операций на предсердно - желудочковых клапанах сердца.
Объект исследования -митральные и трикуспидальные клапаны человеческого организма при малоинвазивных интервенционных эндоваскулярных рентгенохирургических операциях.
Предмет исследования — процессы поведения предсердно - желудочковых клапанов при баллонной дилатации, методы описания и параметры состояния для предоперационной диагностики результатов эндоваскулярных рентгенохирургических операций на митральных и трикуспидальных клапанах.
Целью работы является разработка методов предоперационной диагностики результатов эндоваскулярных рентгенохирургических операций на митральных и трикуспидальных клапанах и построение специальных БТС - МН на их основе.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:
- изучение потребностей диагностической и лечебной медицины в реализации предоперационной диагностики результатов эндоваскулярных рентгенохирур-
гических операций на митральных и трикуспидальных клапанах и построение специальных БТС - МН на их основе;
разработка компьютерных моделей и методов анализа напряжений и перемещений в предсердно - желудочковых клапанах;
экспериментальные исследования механических свойств тканей предсердно -желудочковых клапанов;
экспериментальное подтверждение и разработка рекомендаций по использованию предлагаемой БТС - МН "Предсердно - желудочковые клапаны" для предоперационной диагностики состояния митральных и трикуспидальных клапанов.
Методы исследования. В работе использованы методы компьютерного моделирования и механики твердого деформированного тела. Экспериментальные исследования механических свойств тканей клапанов выполнены in vitro на образцах, вырезанных из структур митральных клапанов, иссеченных при хирургических операциях и in vivo, путем обработки и анализа клинического материала (рентгенограмм, эхокардиограмм), полученных во 2 -ой городской многопрофильной больнице и в больнице N 4 г. Санкт Петербурга. Научная новизна результатов заключается в разработке
методов предоперационной диагностики результатов эндоваскулярных рент-генохирургических операций на митральных и трикуспидальных клапанах, позволяющих разработать блок "Биомеханика" для БТС - МН "Дилатация клапанов";
компьютерных моделей структур митральных и трикуспидальных клапанов для исследования в них напряженно - деформированного состояния при баллонной дилатации, позволяющих прогнозировать результаты рентгенохирурги-ческих операций;
методов теоретического анализа и расчета для исследования напряжений и перемещений в митральных и трикуспидальных клапанах при баллонной дилатации, позволяющих строить для них математические модели;
- методов экспериментальных исследований механических свойств тканей кла
панов in vitro и in vivo, позволяющих вводить в математические модели их
биомеханические характеристики.
Практическую ценность работы составляют:
параметрические модели для предоперационной диагностики дилатации стенозированных митральных и трикуспидальных клапанов сердца;
методики исследования напряженно-деформированного состояния при дилатации стенозированных митральных и трикуспидальных клапанов;
биотехническая система предоперационной диагностики малоинвазивных интервенционных хирургических операций на предсердно - желудочковых клапанах сердца.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на 7 всероссийских и международных научных и научно-технических конференциях, в том числе: международных конференциях "Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов" (Ульяновск, 2001 г.), Society of Biomechanics (Wroclaw, 2002 г.), по мягким вычислениям и измерениям, (Санкт-Петербург, 2002 г.); всероссийских конференциях по эндоваскулярной хирургии врожденных и приобретенных пороков сердца, коронарной и сосудистой патологии (Москва, 2002 г.), "История и тенденции развития науки на пороге XXI века" (Санкт -Петербург, 2003 г.), на 58 -ой Научно - технической конференции, посвященной Дню радио (Санкт - Петербург, 2003 г.), Биотехнические и медицинские аппараты и системы. (Махачкала. 2003 г)
Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 научных работ, из них
- 4 статьи, -1 - труды конференции, тезисы к 7 - ми докладам на международ
ных и всероссийских научно - технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 62 наименования. Основная часть работы изложена на 105 страницах машинописного текста. Ра-
^ бота содержит 90 рисунков и 20 таблиц.
В первой главе проведен анализ современного состояния исследования и коррекции предсердно - желудочковых клапанов в норме, патологии и при хирургических операциях и выявлены проблемы предоперационного прогнозирования результатов хирургических операций на предсердно - желудочковых клапанах сердца.
Проведенный анализ клинических исследований показывает, что при выборе технологии интервенционной малоинвазивной операции на предсердно - желудочковых клапанах врач не располагает необходимой информацией о характері?
ристиках элементов системы, их свойствах, приемлемом диапазоне внешних
воздействий (или максимально допустимом размере баллона), при которых клапаны сохраняют необходимые функциональные свойства. До настоящего времени не сложилось общее мнение о технологических принципах эндоваску-лярных операций при коррекции клапанных пороков, не изучены условия минимальной травматизации структур клапанных аппаратов при дилатации створок.
При малоинвазивных интервенционных рентгенохирургических операциях
- для определения величины и характера воздействия на патологическую струк-
туру при обеспечении минимально возможного повреждения клапанного аппарата сердца, необходимо располагать информацией о ее гистологических, патофизиологических, морфологических, геометрических и механических характеристиках и о процессах реконструкции органа, как следствие различных режимов воздействия на биологическую структуру при определенном физиологическом состоянии организма пациента в целом.
Математическое моделирование - метод исследования, необходимый для понимания закономерностей функционирования клапанного аппарата сердца в
А норме, патологии и при хирургических операциях и совершенствования мето-
дов ранней диагностики, как возникновения патологий, так и результатов хирургических операций. Клинические исследования не дают ответ на эти вопро-
сы: после их проведения врачи констатируют факты и на основании этих фактов рекомендуют методики коррекции клапанных пороков. Математическая модель позволяет получить ту информацию о биомеханике клапанного аппарата, которую в настоящее время нельзя получить современными средствами измерения.
Существующий комплекс методов исследования не дает адекватного диагностического обеспечения малоинвазивных интервенционных хирургических операций на предсердно - желудочковых клапанах. Недостатком реализованных в клиниках БТС - МН - "Дилатация клапанов" является отсутствие блока "Биомеханика", который может обеспечить биомеханический анализ малоинвазивных интервенционных хирургических операций на предсердно - желудочковых клапанах - определить давление в баллоне, обеспечивающее при баллонной дилатации необходимые размеры дилатируемых отверстий - и тем самым провести предоперационную диагностику результатов операций.
Для построения такого диагностического обеспечения необходимо: 1. выделение основополагающих биомеханических признаков предсердно - желудочковых клапанов; 2. создание модели поведения тканей структур, как самого ди-латированного клапана, так и прилежащих структур сердца; 3. определение на базе разработанных математических моделей границы, как механических воздействий, так и изменений геометрических параметров клапанного аппарата, направленных на коррекцию патологии; 4. прогнозирование поведения структур дилатированного при заданных внешних воздействиях клапанного аппарата.
Во второй главе рассмотрены биомеханические основы компьютерного моделирования дилатации предсердно - желудочковых клапанов: на основании имеющихся в литературе сведений изучено строение и функционирование предсердно - желудочковых клапанов; проанализирован диапазон изменения геометрических параметров структур, входящих в предсердно - желудочковые клапаны; проанализирован характер патологических изменений в структурах
клапанов и способы их коррекции; проанализирована возможность диагностики геометрических и механических параметров структур клапанных аппаратов, необходимых для построения математических моделей; получены сведениями о конструкции, геометрических и механических свойствах дилататоров, используемых для проведения малоинвазивных интервенционных рентгенохирургиче-ских операций.
Стенозирование атриовентрикулярного клапанного отверстия - это не просто уменьшение размера входного сечения, а перестройка конструкции путей притока и изменение гемодинамики вследствие морфологических изменений элементов клапана. От фиброзного кольца до папиллярных мышц образуется канал в виде усеченного конуса. Операция должна быть направлена на то, чтобы, с одной стороны, расширить отверстие и увеличить площадь его сечения, а с другой - сформировать его по-новому, сделать его элементы более гибкими, подвижными и максимально приблизить их к нормальному состоянию.
Створки предсердно - желудочковых клапанов могут иметь разную толщину, высоту, радиус фиброзного кольца, степень открытия отверстия, гибкость, подвижность, выраженность изменений подклапанных образований, фиброз и кальциноз. Вероятность разрушения комиссур и сохранения целостности створок различна при разных сочетаниях изменений створок, подклапанных структур и сращений. Поэтому, для того, чтобы судить о механизме вальвулопласти-ки при воздействии на клапан со стороны деформирующего баллона, необходимо принимать во внимание три основных фактора: реальную конструкцию патологически измененного клапанного аппарата, механические характеристики материалов и значения допускаемых напряжений.
Геометрические параметры корректируемого предсердно - желудочкового клапана можно определить в клинических условиях планиметрически, отмечая курсором необходимые отрезки и обводя курсором контуры отверстия в момент максимального диастолического раскрытия створок клапана, на двумер-
ных эхокардиограммах, снятых из парастернального доступа по длинной и короткой оси.
В литературе отсутствуют статистически достоверные сведения о модуле нормальной упругости митрального клапана и какие - либо сведения о механических свойствах патологически измененных структур предсердно - желудочковых клапанов. Для получения этих сведений необходимо провести экспериментальные исследования модулей нормальной упругости и допускаемых напряжений тканей створок и комиссур предсердно - желудочковых клапанов.
Проведенный анализ показал возможность схематизировать материал тканей структур предсердно - желудочковых клапанов при построении математических моделей и рассматривать его как однородный, изотропный и упругий и не учитывать начальные напряжения.
Экспериментальные исследования механических свойств створок клапанов и комиссур проведены на образцах, вырезанных при помощи штампа из трех иссеченных во время хирургических операций структур митральных клапанов во 2-ой городской многопрофильной больнице г. Санкт-Петербурга. Длина образца / = 10 мм, ширина t = 2 мм; толщина варьировалась в зависимости от расположения в створке места, из которого был вырезан образец. Каждая створка была подвергнута значительным патологическим изменениям и кальцифициро-вана Сразу после иссечения, структуры митрального клапана были помещены в раствор Кребса и содержались в нем до начала испытаний. Растяжение образцов проводили на модернизированной нами установке в лаборатории кафедры патофизиологии медицинского Государственного университета им. академика И.П. Павлова. Были выделены 12 образцов из створок и 4 образца включали комиссуры и их окрестности. При нагружении и разгружении образцов, кривые на диаграмме напряжения - относительные удлинения фактически совпадают. Ткань образцов створок клапанов проявляет упругие свойства.
По закону распределения случайной величины по Стьюденту, при обработке числа измерений n = 36 на образцах из створок, математическое ожидание слу-
чайной величины модуля нормальной упругости створок митрального клапана Ес = 20,6 МПа, среднеквадратное отклонение случайной величины модуля нормальной упругости -2,2 МПа. С доверительной вероятно-стью р=0,95 погрешность оценки модуля нормальной упругости комиссур митральных клапанов составляет 5%. При обработке числа измерений n = 12 образцов с комиссу-рами, математическое ожидание случайной величины модуля нормальной упругости комиссур митральных клапанов Ел= 29,5 МПа; среднеквадратное отклонение случайной величины модуля нормальной упругости - 2,52 МПа. С доверительной вероятностью р=0,95 погрешность оценки модуля нормальной упругости комиссур митральных клапанов составляет 9%.
В третьей главе разработаны основы компьютерного моделирования дила-тации структур предсердно - желудочковых клапанов при хирургических операциях и обоснованы необходимость и возможность включения в БТС — МН — "Дилатация клапанов" блока "Биомеханика", после включения которого, БТС -МН - "Дилатация клапанов" становится биотехнической системой, позволяющей проводить предоперационную диагностику результатов интервенционных малоинвазивных рентгенохирургических операций на предсердно - желудочковых клапанах сердца.
Решение задач биомеханики для тел сложной формы и неоднородной структуры требует применения численных сеточных методов. Метод конечных элементов является, вероятно, одним из наиболее эффективных методов расчета напряжений и деформаций в структурах сложной конфигурации
Компьютерные модели для исследования перемещений и напряжений, возникающих в дилатируемых при хирургических операциях структурах предсердно - желудочковых клапанов, построены при использовании параметрической программы Solid Works и программы Cosmos. Программа Solid Works предназначена для создания геометрических моделей твердых тел в среде Microsoft Windows. Программа Cosmos - для вычисления напряжений и деформаций в этих телах методом конечных элементов. Недостаток метода ко-
нечных элементов состоит в сложности получения априорных оценок проводимых вычислений. Для проверки надежности метода необходимо сопоставлять результаты вычислений с данными экспериментальных исследований, либо с результатами, полученными при использовании других методов, например, аналитических
Оценка погрешностей вычисления проведена при сравнении значений перемещений и напряжений в гибких элементах конструкций, полученных конечноэлементным методом при использовании программы Cosmos Works и аналитическими методами, а также сравнением результатов вычислений с клиническими данными. Например различия в результатах расчета экстремальных значений напряжений в полусферическом куполе, усиленном по краю фланцем, с отношением толщины купола h к радиусу R, равном 0,006, составляет 1,6%. На рис. 3 представлены зависимости расхождения значений напряжений в дилатированных створках митрального и трикуспидального клапанов от заданного числа конечных элементов.
Число введенных конечных элементов до 100 тысяч, существенно влияет на результат. Дальнейшее увеличение числа конечных элементов на результатах вычислений сказывается незначительно. Поэтому, для достижения необходимой точности, при минимальных затратах времени на вычисления напряжений и перемещений в структурах предсердно - желудочковых клапанов целесообразно задавать разбиение на 100 тысяч конечных элементов.
При использовании результатов клинических исследований (эхокардио-грамм митральных клапана до и после дилатации) в 4 - ой больнице г. Санкт -Петербурга и возможностей построенного алгоритма и программы, определены допускаемые напряжения [а\ в комиссурах митрального клапана. Во всех анализируемых малоинвазивных операциях разрушение в митральных клапанах произошло по комиссурам. Математическое ожидание -[<г\ - 1,83 МПа, среднеквадратичное отклонение - 0,292 МПа С доверительной вероятностью р=0,9
16 погрешность оценки допускаемого напряжения для материала комиссур составляет 29%.
В предпосылке о равной надежности структур митрального и трикуспидального клапанов и использовании полученных в работе значений модуля нормальной упругости и допускаемого напряжения створок и комиссур митрального клапана, вычислены значения модуля нормальной упругости и допускаемого напряжения створок и комиссур трикуспидального клапана: Е^ ІОМПа, Е^г 15МПа. Допускаемое напряжение комиссур трикуспидального клапана [^1^,= 0,46МПа.
Проведенные исследования влияния геометрических параметров и механических свойств предсердно - желудочковых клапанов на величину дилатируе-мого отверстия предопределяют необходимость, а вводимые при этом погрешности вычислений - возможность включения в БТС - МН - "Дилатация клапанов" блока "Биомеханика". После включения блока "Биомеханика", БТС - МН - "Дилатация клапанов" становится биотехнической системой, позволяющей проводить предоперационную диагностику результатов интервенционных малоинвазивных рентгенохирургических операций на предсердно желудочковых клапанах сердца.
Выполняя эхокардиографирование, врач на двумерных эхокардиограммах, снятых из парастернального доступа по длинной и короткой оси, отмечает курсором необходимые для снятия геометрических параметров отрезки и обводит курсором контуры отверстия клапана в момент максимального диастолического раскрытия створок клапана. Вычисления геометрических параметров выполняются в вычислительном комплексе рентгенохирургической операционной.
Информация о представленном к коррекции клапане передается в блок "Биомеханика". Проводятся вычисления размеров дилатированного отверстия по разработанному алгоритму при использовании программы Solid Works, предназначенной для создания геометрических моделей твердых тел в среде Microsoft Windows и программы Cosmos - для вычисления напряжений и
деформаций в этих телах методом конечных элементов. Если по результатам вычислений отверстие в подвергающемся коррекции клапане оказывается недостаточным, то следует назначить более высокое давление, либо выбрать баллон другой конструкции.
В четвертой главе приведены результаты проведенных клинических иссле-дованиий БТС - МН - "Предсердно - желудочковые клапаны". Составной биомеханической частью БТС - МН - "Предсердно - желудочковые клапаны" -блока "Биомеханика" являются таблицы, содержащие сведения о механических свойствах биологических структур, таблицы с характеристиками дилатирую-щих систем, параметрические модели митрального и трикуспидального клапанных аппаратов сердца, геометрическая программа Solid Works, программа для расчета напряженно - деформированного состояния Cosmos, алгоритмы проведения исследований и предоперационной диагностики результатов операций при использовании БТС - МН " Предсердно - желудочковые клапаны ".
Для рассматриваемых математических моделей необходим компьютер класса не ниже, чем Pentium Ш 750 МГц, с объемом оперативной памяти не менее 512 Mb и объемом жесткого диска не менее, чем 20 Gb. Расчет каждой из моделей на компьютерах подобного класса, при разбиении на 100 тысяч элементов, занимает порядка 10-20 минут. Определение давления, обеспечивающего при баллонной дилатации необходимое отверстие коррегированного клапана, выполняется в соответствии с разработанным алгоритмом. Проведено сопоставление результатов предоперационной диагностики интервенционных эндоваску-лярных хирургических операций на митральных клапанах с результатами пяти операций, проведенных в больнице №4 города Санкт - Петербурга. С доверительной вероятностью р = 0,9 погрешность прогнозируемых размеров дилатируемого отверстия по проведенным исследованиям составила 39%.
В заключении сформулированы основные результаты выполненной работы.
Проблемы предоперационного прогнозирования результатов хирургических операций на предсердно-желудочковых клапанах
Практическое внедрение и распространение КБВ метода лечения митрального стеноза затруднено из-за: 1) отсутствия общепринятых критериев отбора для рентгеноэндоваскулярного вмешательства; 2) сложности прогнозирования поведения клапанных структур и самого сердца в ответ на воздействие дилатационных инструментов; 3) непонимания принципиальной важности особенностей баллонных катетеров и соответствующей медицинской технологии для достижения максимально приемлемого результата КБВ; 4) доказательств эффективности и безопасности рентгеноэндоваскулярного способа устранения пороков трикуспидального и митрального клапанов. Важнейший вопрос - прогнозирование ожидаемого результата, его долгосрочности и вероятности рестеноза. До настоящего времени неясно, каким образом исходное состояние клапанного аппарата влияет на отдаленные результаты лечения.
Приступая к разработке хирургической технологии устранения клапанных стенозов эндоваскулярным способом [24], исходили из следующих принципов: 1) ограничение времени ишемии мозга вследствие прекращения кровотока до 15 сек; 2) гарантирование минимальной травматизации внутрисердных структур; 3) создание условий контролируемого управления положения дилататора внутри сердца; 4) возможность замены баллонного катетера без повторных хирургических манипуляций; 5) исключение тромбоэмболических осложнений; 6) минимальная трав-матичность сосудов в месте чрескожного введения дилататора.
В клинике хирургии усовершенствования врачей им. Т. А. Куприянова была разработана конструкция (рис 1.13) и созданы рабочие образцы катетерного бал лонного дилататора, отвечающего целям вальвулопластики. Этот инструмент апробирован при рентгеноэндоваскулярных операциях и применяется в клинической практике до настоящего времени. Для его изготовления использованы материалы, разрешенные к применению Управлением по внедрению лекарственных средств и медицинской техники МЗ СССР, основные из которых: силаксан ВНИИСКа им. СВ. Лебедева и тканые материалы НПО «Север». Параметры баллонов: 1) диаметры от 12 до 40мм; 2) рабочее компрессионное давление 0,4 -0,5 МПа; 3) время декомпрессии 0,5 - 2 сек. до 30% опорожения, 2 -10 сек. - до полного (в зависимости от объема баллона). Рабочий цикл баллона-дилататора представлен на рис. 1.14, его конструкция, свойства применяемых материалов и гепаринизированная поверхность исключают тромбообразование, механическое повреждение стенки сердечной камеры, эмболию. По мнению авторов [24], дилататор должен обеспечивать превышение диаметра фиброзного кольца на 25%.
Оценка степени морфологических изменений, позволяющая в клинике прогнозировать как риск КБВ, так и их результаты, осуществляется с помощью системы балльной оценки характеристик клапана по Уилкинсу (табл. 1.1). Градация степени изменений учитывает подвижность створок, их толщину, степень кальциноза, подклапанного стеноза, которые осуществляются по шкале. Максимально измененному клапану соответствует индекс Уилкинса, равный 16 баллам. В результате допплеровского исследования трансклапанного кровотока в постоянно-волновом режиме, рассчитывают максимальный и средний градиенты давления между предсердием и желудочком, площадь клапанного отверстия и оценивают наличие и тяжесть клапанной недостаточности.
Во второй юродской многопрофильной больнице г.Санкт-Петербурга и в НИИ Кардиологии им, В.А. Ллмазова в настоящее время КБВ выполняют по однобалльной методике [24] с проведением баллона через клапан, используют двуслойный катетер, имеющий короткий рабочий цикл и большой лиамегр (не менее 29 мм). Структурная схема биотехнической системы, в рамках которой проводятся эти операции, приведена на рис. 1.15. В [22, 23] проведен клинический анализ непосредственных и отдаленных (сроком до 10 лет) результатов лечения митрального стеноза методом катетерной баллонной вальвулопластики: I) изучена структура контингента больных по демографическим, клиническим, гемодинамическим и морфологическим признакам, подвергшихся митральной катетерной баллонной вальвулопластике (табл. 1.2) и выделены группы для анализа; 2) оценены гемоди-намические и клинические результаты операций и определяющие их факторы (табл. І.З. 1.4); 3) проведен анализ изменений показателей гемодинамики большого и малого кругов кровообращения в сроки до 10 лет после вмешательства и вы В результате операции площадь митрального отверстия была увеличена во всех группах больных, независимо от тяжести поражения МК (табл. 1.4). Эта таблица демонстрирует существенную разницу результата у пациентов с различным индексом Уилкинса. У всех больных площадь митрального отверстия была увеличена более, чем вдвое, и ее изменение было статистически достоверным. Однако это увеличение, в абсолютных цифрах, не привело к значительному расширению отверстия у больных с индексом Уилкинса 10.
В [25] показано, что: 1) КБВ позволяет значительно улучшить внутрисердеч-ную гемодинамику у всех категорий больных. Это приводит к уменьшению легочной гипертензии и симптомов сердечной недостаточности; 2) морфологическое состояние митрального клапана определяет непосредственный результат операции и риск развития рестеноза в отдаленном периоде.
Частота осложнений у 373 больных, прооперированных в НИИ кардиологии по поводу изолированного митрального стеноза методом КБВ, составила 10,9% с общей летальностью 1,3-%. Кривая выживаемости после КБВ приведена на рис. 1.16.
Рестенозом принято считать уменьшение площади митрального отверстия на 50% от полученной в результате МКБВ или площадь отверстия менее 1,5см2. Из всех возможных осложнений, риск рестеноза наиболее частый. Риск рестеноза максимально высок через 4-6 лет после МКБВ (рис. 1.17). К 9 - му году лишь 47,7% пациентов не имели рестеноза.
Геометрические параметры структур трикуспидального клапана
Трикуспидальный клапан, в отличие от митрального, имеет три створки: переднюю, заднюю и септальную. Они начинаются от фиброзного кольца и при помощи сухожильных хорд прикрепляются к сосочковым мышцам правого желудочка.
Кольцо трикуспидального клапана - циркулярная фиброзная структура. Оно уже и тоньше, чем кольцо митрального клапана, но, в среднем, больше по окружности (10-12,5см). Задняя створка составляет большую часть кольца- 7,5 см, передняя- 3,7 см, септальная- 3,6 см.
Септальная створка имеет характерную складку в том месте, где фиброзное кольцо проходит от задней желудочковой стенки к мембранной части перегородки. Сведения о геометрических параметрах структур трикуспидального клапана приведены в табл. 2.7 - 2.9, а в табл. 2.10 - о количестве хорд, прикрепляющихся к створкам [1,2,29].
Приведенные в литературе сведения о результатах исследований клапанов правых камер сердца крайне скудны. Структурное сходство с клапанами левых камер позволяет предположить, что характер поведения клапанов в правых камерах сердца такой же, как в левых камерах.
Какова бы ни была причина поражения клапанного узла, возникают два основных гемодинамических нарушения, которые могут быть изолированными или сочетанными друг с другом: I) стеноз - сужение клапанного отверстия, в результате чего возникает препятствие тока крови из одной полости в другую, обуславливая повышение сопротивления и давления в полости перед препятствием; 2) недостаточность - результат отсутствия замыкательной функция клапана, в результате чего возникает регургитация крови в полость, обратная нормальному току крови [32,33].
Стеноз левого атриовентрикулярного отверстия характеризуется частичным сращением передней и задней створок митрального клапана, уменьшением площади митрального отверстия и обструкцией диастолического кровотока из левого предсердия в левый желудочек. Имеются два характерных эхокардио-графических признака митрального стеноза, выявляемых при М-модальном исследовании: 1) значительное снижение скорости диастолического прикрытия передней створки митрального клапана и 2) однонаправленное движение передней и задней створок клапана. Эти признаки лучше выявляются при М-модальном исследовании из парастернального доступа по длинной оси сердца (рис. 2.10).
В результате высокого давления в левом предсердии, створки клапана во время диастолы постоянно находятся в открытом положении и, в отличие от нормы, не смыкаются после завершения раннего быстрого наполнения левого желудочка. Кровоток из левого предсердия приобретает постоянный (непрерывающийся) линейный характер. Поэтому на эхокардиограмме происходит уплощение кривой движения передней створки и снижение амплитуды волны, соответствующей систоле левого предсердия. Форма диастолического движения передней створки митрального клапана, вместо М-образной, приобретает характер П-образной (рис. 2.10, 2.11).
На рис. 2.10 и 2.11 хорошо заметно однонаправленное движение передней и задней створок клапана во время диастолы, возникающее в результате сращения створок (в норме движение разнонаправленное). При двухмерном эхокар-диографическом исследовании из парастернального доступа по длинной оси сердца наиболее характерным признаком митрального стеноза, выявляемом уже на начальных стадиях заболевания, является куполообразное диастоличе-ское выбухание передней створки митрального клапана в полость левого желудочка, в сторону межжелудочковой перегородки (рис. 2.12), которое получило название — «парусение». Такое движение начинается сразу после открытия митрального клапана и сопровождается звуком, напоминающим хлопок внезапно наполнившегося паруса, по времени совпадающим с возникновением одного из наиболее специфических признаков митрального стеноза - тона (щелчка) открытия митрального клапана. Сам митральный клапан при этом приобретает форму воронки, широкой частью расположенной в области атриовентри-кулярного кольца (рис. 2.12, б; 2.13).
На поздних стадиях заболевания, когда створки митрального клапана уплотняются и становятся ригидными, их «парусение» прекращается, но створки клапана во время диастолы располагаются под углом друг к другу (в норме они параллельны),формируя своеобразную конусовидную форму митрального клапана (рис. 2.12, в).
Двумерное эхокардиографическое исследование из парастернального доступа по длинной оси сердца позволяет выявить при митральном стенозе значительное увеличение размеров левого предсердия (рис. 2.13).
Сравнительный анализ точности вычислений напряженно-деформированного состояния в структурах предсердно-желудочковых клапанов
Используя результаты пяти клинических исследований в 4 - ой больнице г. Санкт - Петербурга и возможности посроенного алгоритма и прграммы, определим допускаемые напряжения ]а\ в комиссурах митрального клапана. Конструктивный модуль нормальной упругости применяемых баллонов Ев= 108 МПа. Во всех анализируемых малоинвазивных операциях разрушение в митральных клапанах произошло по комиссурам.
Первое исследование. На рис. 3.6 приведены эхокардиограммы митрального клапана больной К. до дилатации (рис. 3.6, а) и после дилатации (рис. 3.6, б). Высота створок клапана Нс =20 мм, длина комиссур Нк =18 мм, внутренний радиус фиброзного кольца Яф =28 мм, площадь суженного митрального отверстия S0=l,29 см2 (условный радиус г =6,4 мм), площадь отверстия после дилатации створок давлением р=0,4 МПа 8,,=3,71 см2 (условный радиус г =10,27 мм),толщина створок (hc) и комиссур (hK) 1 мм, ширина комиссур (tK) 1 мм. На рис.3.7 приведены результаты вычислений напряжений по Мизесу (рис. 3.7,а) и перемещений (рис. 3.7,6) для этого подвергнутого дилатации митрального клапана Модули нормальной упругости створок (Ес) и комиссур (ЕК) соответственно равны Ее=20 МПа, ,=25 МПа, а коэффициенты Пуассона створок (vc) и клапанов vK равны 0,4. Вычисления проведены при разбиении структур митрального клапана на сто тысяч конечных элементов.
Площадь дилатированного отверстия Sd возникает на расстоянии Н =10,32 мм от вершины конуса. До дилатации условный радиус в этом сечении г =10,27 108 мм. Допустим, что материал комиссур при дилатации проявляет упругие свойства. По значению Н определяем величину напряжения по Мизесу (рис.3.7,а), при котором происходит разрушение комиссур о?" = 1,6 МПа Допускаемое напряжение для комиссур митрального клапана [ т\ 1,6 МПа.
Второе исследование. На рис. 3.8 приведены эхокардиограммы митрального клапана больной А. до дилатации (рис. 3.8, а) и после дилатации (рис. 3.8, б). Высота створок клапана Не =25 мм, высота комиссур Нк =25 мм, внутренний радиус фиброзного кольца /?ф =28 мм, площадь суженного митрального отверстия S0=l,75 см2 (условный радиус г =7,5 мм), площадь отверстия после дилатации створок давлением р=0,4 МПа Sd=3,05 см2 (условный радиус г =9,85 мм),толщина створок (hc) и комиссур (hK) 1 мм, ширина комиссур (tK) 1 мм. На рис.3.9 приведены результаты вычислений напряжений по Мизесу (рис. 3.9,а) и перемещений (рис. 3.9,6) для этого дилатированного митрального клапана. Модули нормальной упругости створок (Ес) и комиссур (Ек) соответственно равны с=20 МПа, ,=30 МПа, а коэффициенты Пуассона створок (ve) и клапанов vK равны 0,4. Вычисления проведены при разбиении структур митрального клапана на сто тысяч конечных элементов.
Площадь дилатированного отверстия 3,05 см2 возникает на расстоянии Н =9 мм от вершины конуса. До дилатации условный радиус в этом сечении г =9,85 мм. Напряжение в этом сечении 1,7 МПа (рис.3.9,а). Допускаемое напряжение для комиссур митрального клапана [сг\ 1,7 МПа.
Третье исследование. На рис. ЗЛО приведены эхокардиограммы митрального клапана больной С. до дилатации (рис. 3.10, а) и после дилатации (рис. ЗЛО, б). Высота створок клапана Не =25 мм, высота комиссур Ик =25 мм, внутренний радиус фиброзного кольца /?ф =28 мм, площадь суженного митрального отверстия S0=l,02 см2 (условный радиус г =5,7 мм), площадь отверстия после дилатации створок давлением р=0,4 МПа 8,,=3,71 см2 (условный радиус г =10,27 мм), толщина створок (hc) и комиссур (hK) 1 мм, ширина комиссур (tK) 1 мм. На рис.3.11 приведены результаты вычислений напряжений по Мизесу (рис. 3.11,а) и перемещений (рис. 3.11,6) для этого подвергнутого дилатации митрального клапана. Модули нормальной упругости створок (с) и комиссур (Ек) соответственно равны Ес=20 МПа, Ек=35 МПа, а коэффициенты Пуассона створок (ус) и клапанов vK равны 0,4. Вычисления проведены при разбиении структур митрального клапана на сто тысяч конечных элементов. Площадь дилатирован-ного отверстия 2,99 см2 возникает на расстоянии Н =7,83 мм от вершины конуса. До дилатации условный радиус в этом сечении г =8,94 мм, приращение условного радиуса во время дилатации Дг = 1,13 мм (рис. 3.11, а). Допустим, что материал комиссур при дилатации проявляет упругие свойства. Напряжение в этом сечении 1,9 МПа (рис.3.11,6). Допускаемое напряжение для комиссур митрального клапана ]р\ 1,9 МПа.
Четвертое исследование. На рис. 3.12 приведены эхокардиограммы митрального клапана больного М. до дилатации (рис. 3.12, а) и после дилатации (рис. 3.12, б). Высота створок клапана Нс =30 мм, высота комиссур Нк =30 мм, внутренний радиус фиброзного кольца Яф =28 мм, площадь суженного митрального отверстия S0=0,88 см2 (условный радиус г =5,3 мм), площадь отверстия после дилатации створок давлением р=0,4 МПа Sd=l,69 см2 (условный радиус г =7,4 мм), толщина створок (hc) и комиссур (hK) 1 мм, ширина комиссур (tK) 1 мм. На рис.3.13 приведены результаты вычислений напряжений по Мизесу (рис. 3.13,а) и перемещений (рис. 3.13,6) для этого дилатированного митрального клапана. Модули нормальной упругости створок (с) и комиссур {Ек) соответственно равны Ес =20 МПа, Ек =30 МПа, а коэффициенты Пуассона створок (vc) и клапанов v„ равны 0,4. Вычисления проведены при разбиении структур митрального клапана на сто тысяч конечных элементов.
Исследование влияния размеров фиброзного кольца на величину дилатированного отверстия
Рассмотрим расчет напряжений и перемещений в структурах атриовентри-кулярной перегородки при дилатации фиброзных колец предсердио - желудочковых клапанов по расчетной схеме. На фиброзном кольце митрального клапана нагрузка р распределяется в начале нагружения на участке, составляющем 50% от его внутренней поверхности. При деформации фиброзного кольца и прилегающей к нему части атриовентрикулярной перегодки, участок поверхности фиброзного кольца митрального клапана, к которому прикладывается нагрузка р, увеличивается. Рассматриваемая область фиброзной пластины — круг диаметром 80 мм, жестко защемленный по наружному контуру. Диаметр фиброзного кольца аортального клапана 20 мм. Митральный клапан D-образной формы с периметром 70 мм. Толщина и ширина фиброзных колец 1 мм. Фиброзное кольцо митрального клапана расположено на расстоянии 3 мм от наружной поверхности фиброзной пластины и 8 мм от внутренней поверхности. Соответствующие параметры фиброзного кольца аортального клапана 1, 5 и 9,5 мм.
Вычисления проведены методом конечных элементов при разбиении атриовентрикулярной перегородки и фиброзных колец на 40 тысяч тетраэдальных элементов в следующем диапазоне изменения начальных приведенных модулей упругости Е10 и коэффициента Пуассона v, для фиброзной пластины ("„ ,, v„), фиброзных колец (Ек0, v,) и баллона (Еб, ve): Е - 0,376 - 1,88 МПа, v„= 0,45, Ек0= 0,376 - 1,88 МПа, v 0,4, = 470 МПа, уб= 0,35. Форма и протяженность контактных поверхностей изменяется при увеличении давления в баллоне.
На рис. 3.38 приведены результаты вычислений напряжений по Мизесу и перемещений в окрестности дилатированного митрального клапана. Графики с распределением напряжений в окрестности дилатируемых клапанов приведены на рис. 3.39. Задано следующее расположение и начало отсчета отрезков /р,/,,./ , вдоль которых рассмотрено распределение: \yiJti - линии действия проходят через оси клапанов, /у1 - на наружной поверхности фиброзной пластины, /у2 - на поверхности, проходящей параллельно наружной поверхности пластины посередине ширины фиброзного кольца, 1г1 - на внутренней поверхности пластины; начало отсчета /у„/у2 - точка на поверхности отверстия митрального клапана; /а - точка посередине участка пластины между краями отверстий клапанов, /„ - линия действия проходит в плоскости, перпендикулярной осевой плоскости клапанов на наружной поверхности пластины, начало отсчета - крайняя точка фиброзной пластины на расчетной схеме.
На рис. 3.40 приведены результаты расчета напряжений и перемещений в структурах атриовентрикулярной перегородки при дилатации фиброзных колец предсердно - желудочковых клапанов по расчетной схеме 2. Вычисления проведены при следующих геометрических параметрах структур: 1) атриовентри-кулярная перегородка: R = 65 мм; д;= 40 мм; = 42 мм; R3= 62 мм;Л4 = 38 мм; /г, = 55 мм;/г, = 25 мм;а, = 20 мм; а2 = 25 мм; а4 = 28 мм; а5 = 7 мм; а6=3 мм.; ,=5мм; Ь2=\6 мм; ,==120 мм; ЪА =26 мм; ЪЬ=\Ъ мм; Ь6 =20 мм; Л„=20 мм; 2) отверстия клапанов:га =12,5 мм; =12,5 мм; гл=12,5 мм, г„=20 мм; ам= 20мм; Ьм= 17 мм; Ъ= 27 мм; ат= 23 мм; bm=25 мм, a = 16 мм; 3) расположение в атриовентрикулярной пластине фиброзных треугольников и сухожилий артериального конуса в соответствии с рис. 2.8, 2.9; 4) фиброзные кольца: hm= 5мм; hM=4 мм; hMb= 5мм; hm- 5 мм; h = 8 мм; hm 20 мм; ширина и толщина 1 мм. При этом заданы следующие механические свойства каждой і-ой структуры (модуль нормальной упругости Ей коэффициент Пуассона У): 1) миокарда в систолу Емс = \ЬЛПа, в диастолу Еид =0,2МПа, vttc=vJU ,= 0,45; 2). Фиброзных треугольников и сухожилия артериального конуса Ес =5МПа, у = 0,4; 3). Фиброзных колец =5МПа, v. =0,4. Вычисления проведены методом конечных элементов при разбиении атриовентрикулярной пластины и фиброзных колец на 100 тысяч тетраэдальных элементов. Результаты вычислений напряжений по Мизесу и перемещений при дилатации митрального и трикуспидального клапанов гибким баллоном в зоне фиброзных колец приведены на рис. 3.40, 3.41.
Проведенные исследования влияния геометрических параметров и механических свойств предсердно - желудочковых клапанов на величину дилатируе-мого отверстия предопределяют необходимость, а вводимые при этом погрешности вычислений - возможность включения в БТС - МН - "Дилатация клапанов" блока "Биомеханика" (рис. 3.42). После включения блока "Биомеханика", БТС — МН - "Дилатация клапанов" (рис. 1.14) становится биотехнической системой (рис. 3.43), позволяющей проводить предоперационную диагностику результатов интервенционных малоинвазивных рентгенохирургических операций на предсердно - желудочковых клапанах сердца.
Выполняя эхокардиографирование, врач, на двухмерных эхокардиограммах снятых из парастернального доступа по длинной и короткой оси, отмечает курсором необходимые для снятия геометрических параметров отрезки и обводит курсором контуры отверстия клапана в момент максимального диастолического раскрытия створок клапана. Вычисления геометрических параметров выполняются в вычислительном комплексе рентгенохирургической операционной.
Информация о представленном к коррекции клапане передается в блок "Биомеханика". Проводятся вычисления размеров дилатированного отверстия по разработанному в п. 3 алгоритму при использовании программы Solid Works, предназначенной для создания геометрических моделей твердых тел в среде Microsoft Windows и программа Cosmos - для вычисления напряжений и деформаций в этих телах методом конечных элементов. Если по результатам вычислений отверстие в подвергающемся коррекции клапане оказывается недостаточным, то следует назначить более высокое давление, либо выбрать баллон другой конструкции.
