Биомеханика левого желудочка сердца с постинфарктными аневризмами тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.08 ВАК РФ

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского»

На правах рукописи

04201361475

Голядкина Анастасия Александровна

БИОМЕХАНИКА ЛЕВОГО ЖЕЛУДОЧКА СЕРДЦА С ПОСТИНФАРКТНЫМИ АНЕВРИЗМАМИ

Специальность 01.02.08 - биомеханика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -кандидат физико-математических наук, доцент Кириллова Ирина Васильевна

Саратов-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 13

1.1. АНАТОМО- ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕРДЦА.........14

1.1.1. Анатомия сердца..........................................................................................14

1.1.2. Патологические состояния стенки левого желудочка..............................17

1.1.3. Хирургическая реконструкция....................................................................19

1.2. ПОСТРОЕНИЕ ГЕОМЕТРИИ ИЗУЧАЕМОГО ОБЪЕКТА...........................23

1.3. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДЛЯ ПОСТАНОВКИ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ..................................................................................................29

1.3.1. Определение изменения давления кровотока в полостях желудочков в диастолическую фазу сердечного цикла..............................................................29

1.3.2. Определение поля перемещений стенок желудочков сердца в систолическую фазу сердечного цикла................................................................31

ГЛАВА 2. БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ 35

2.1. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ..............................................36

2.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТКАНЕЙ ЖЕЛУДОЧКОВ СЕРДЦА ПРИ РАСТЯЖЕНИИ..........................................................................................................42

2.3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИОКАРДА ПРИ СЖАТИИ....................49

2.4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ЗАПЛАТ.............................52

2.5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.....................................................................................56

ГЛАВА 3. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СТЕНКИ ЛЕВОГО ЖЕЛУДОЧКА В ДИАСТОЛИЧЕСКУЮ ФАЗУ СЕРДЕЧНОГО ЦИКЛА..........................................................................................................................57

3.1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕЛЕЙ........................................58

3.2. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

СТЕНОК ЛЕВОГО ЖЕЛУДОЧКА В НОРМЕ.......................................................62

3 3. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СТЕНОК ЛЕВОГО ЖЕЛУДОЧКА ПРИ ПАТОЛОГИЧЕСКОМ ИЗМЕНЕНИИ МИОКАРДА...............................................................................................................64

3.4. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СТЕНКИ ЛЕВОГО ЖЕЛУДОЧКА ПРИ ХИРУРГИЧЕСКОМ РЕМОДЕЛИРОВАНИИ............................................................................................76

3.5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.....................................................................................93

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ФРАКЦИИ ВЫБРОСА ЛЕВОГО ЖЕЛУДОЧКА В СИСТОЛИЧЕСКУЮ ФАЗУ СЕРДЕЧНОГО ЦИКЛА 94

4. К ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕЛЕЙ........................................95

4.2. ФРАКЦИЯ ВЫБРОСА ЛЕВОГО ЖЕЛУДОЧКА В НОРМЕ.........................99

4.3. ФРАКЦИЯ ВЫБРОСА ЛЕВОГО ЖЕЛУДОЧКА ПРИ ПАТОЛОГИЧЕСКОМ ИЗМЕНЕНИИ МИОКАРДА...........................................101

4.3.1. Ишемическое поражение стенки левого желудочка..............................101

4.3.2. Аневризмы стенки левого желудочка......................................................104

4.4. ФРАКЦИЯ ВЫБРОСА ЛЕВОГО ЖЕЛУДОЧКА ПРИ ХИРУРГИЧЕСКОМ РЕМОДЕЛИРОВАНИИ СТЕНКИ.........................................................................112

4.5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ...................................................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................122

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 125

ВВЕДЕНИЕ

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 до- и 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. Чернышевского; включены 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 09-01-00804-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 твердо