Обоснование и применение сверхэластичных литоэкстракторов в комплексном лечении холангиолитиаза

Рис. 6 Весовые потери никелида титана (нитинола) в желчи при долговременных испытаниях ()

Для анализа в модельных экспериментах НДС желчных протоков при внутрипросветных вмешательствах были изучены механические свойства стенки желчного протока человека с предварительным гистологическим исследованием аутопсийного материала, взятого для испытаний. Патологических изменений и поражений в исследованных сегментах не обнаружено, что указывало на правомерность их использования для определения их упругих свойств.

Подобные измерения на органах билиарной системы человека были проведены впервые. В результате опытным путём были получены кривые зависимостей напряжение-деформация в продольном и кольцевом направлении, где и - компоненты деформации (рис. 1, 2), и - соответствующие им напряжения. Кривые были подвержены значительным индивидуальным колебаниям, оказались существенно нелинейными и сдвинутыми по отношению друг к другу по оси деформаций. Из относительного положения кривых следует, что общий желчный проток обладает анизотропными пассивными механическими свойствами, причем легче деформируется и податливее в продольном направлении (от проксимального к дистальному отделу), чем в кольцевом. Численно диаграммы были описаны экспоненциальной функцией вида , а коэффициенты и найдены с помощью функции genfit MATHCAD 13.0. Данный способ аппроксимации оказался эффективен и показал высокую точность. Упругие модули гепатикохоледоха и определялись дифференцированием соответствующих регрессионных зависимостей (рис. 7). В результате в продольном направлении установлено: кПа и кПа (коэффициент достоверности регрессии 0,99), в кольцевом - кПа и КПа (коэффициент достоверности регрессии 0,98), соответственно. Упругие модули общего желчного протока учитывались далее на препроцессорной стадии компьютерного моделирования патогенного фактора билиарной боли.

Рис. 7 Дифференциальные упругие модули Юнга общего желчного протока в продольном (--) и кольцевом (--) направлениях

Установленная анизотропия биомеханических свойств стенки общего желчного протока может быть связана со сложным механизмом транзита желчи через холедох в двенадцатиперстную кишку. Также отметим, что установленное деформационное поведение желчных путей характерно для биологических проточных систем (артерий, уретры, мочеточника и др.), органов желудочно-кишечного тракта (пищевода и кишечника), резервуаров и обеспечивает им пластичность и прочность. Оно соответствует модели Кельвина-Фойгта вязкоупругого тела и свидетельствует о том, что пассивные (под действием внешнего воздействия) механические свойства желчных протоков обусловлены растяжением образующих соединительную ткань стенки протоков волокон коллагена и эластина.

Мы изучили наличие мышечной и соединительной ткани в стенке желчного пузыря и системе желчных внепечёночных протоков. Были взяты желчный пузырь, желчный проток, общий желчный проток у мужчин и женщин в возрасте от 40 до 60 лет при жизни не страдавшими заболеваниями печени или желчевыводящих путей. Всего было исследовано 65 случаев, время от момента смерти до вскрытия составляло от 12 до 24 часов. В результате проведенных исследований желчного пузыря подтверждены данные литературы о наличии в его стенке мышечной оболочки, представленной продольными и поперечными гладкомышечными волокнами. Более тонкий мышечный слой определялся в стенке пузырного протока и супрадуоденального отдела общего желчного протока. Основу стенки этих отделов желчных путей составляет хорошо выраженный соединительнотканный каркас, образованный густой сетью переплетенных коллагеновых и эластиновых волокон, проходящих в различных направлениях. Единичные или собранные в отдельные группы волокна разбросаны случайным образом, в то же время значительная часть проходят продольно, косо или образует спиральное расположение. Эти данные согласуются с данными литературы о наличии соединительнотканного опорного остова из коллагеновых и эластиновых волокон в полых органах и подтверждают результаты проведенных механических испытаний, что именно эти структурные элементы определяют параметры пассивных биомеханических свойств желчных протоков. При этом очевидно, что сложная архитектоника соединительнотканного каркаса определяет анизотропию механической функции.

Целью следующего этапа исследования явился сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния желчных протоков и риска превышения болевого порога (негативный исход) при манипуляциях литоэкстракторами из сверхэластичного нитинола и медицинских сталей. Вычисления проведены на примере стриктурно измененного протока. При внутрипросветных вмешательствах на желчных протоках и дилатации их стенок рабочей частью литоэкстракторов величина механические напряжения и деформации выше физиологического уровня являются функциональными раздражителями и первоначально вызывают болевые ощущения. При определенных значениях и длительности вследствие “передеформации” они могут привести к нарушению целостности слизистой и других оболочек желчных протоков, значительным механическим повреждениям, образованию в дальнейшем стриктур и перфорациям в ходе вмешательств. Такие вмешательства, ведущие к патологическим изменениям стенки протоков, идентифицировались нами как травмирующие.

При численном анализе НДС напряжения и деформации в стенке протока рассчитывали следующим образом. Напряжения в стенке принимались равными интенсивности напряжений, характеризующей общее напряжённое состояние в точке и вычислялись по формуле

, (4)

где - главные напряжения. Расчет деформаций проведен по А. Треска, основываясь на общих свойствах тензоров второго ранга (К.В. Соляник-Красса, 1976): интенсивность деформаций определялась аналогично эквивалентным напряжениям

, (5)

здесь - главные деформации. В качестве критериев травматизма желчных протоков при их дилатации в ходе вмешательств были выбраны напряжения и контактные давления. Прогностическим фактором болевого синдрома и травматических повреждений являлось выполнение неравенства , где - среднее давление, вычисленное по данным E. Gaensler (1951), A. Csendes et al. (1979) и X. Luo et al. (2007). Ввод корзины от первого касания до полного проникновения в проток осуществлялся заданием дискретных перемещений на торцах корзины, то есть перемещение описывали функцией

, (6)

где . Таким образом, корзина перемещалась квазистатически “ступеньками” по 0,7 мм. В качестве желчных путей были рассмотрены стриктурно измененные желчные протоки (как отмечалось выше, желчный проток не идеальный тонкостенный цилиндр с постоянным диаметром), на которых травматизм вмешательств заведомо максимален.

Для численного анализа НДС были разработаны физическая и геометрическая модели. При построении физических моделей и получения достоверных результатов использовали физико-механические свойства структурных компонентов моделей. Рабочие модели строились с учетом симметрии. Окончательно модели получились слоистыми - корзинка, проток и околопротоковая ткань (рис. 8) и довольно сложными, но приемлемыми для расчёта.

Рис. 8 Конечно-элементные модели корзинки, протока в области стриктуры и сопредельных околопротоковых тканей

Внешняя толстостенная коаксиальная трубка имитировала упругую механически изотропную среду - смежные мягкие ткани гепатобилиарной связки и окружающие проток жировую клетчатку с определенными эффективными свойствами - модулем упругости Юнга =1-5 МПа и коэффициентом Пуассона =0,45-0,49. Таким образом, в моделях мы учитывали воздействие околопротоковой среды на напряженно-деформированное состояние стенки протока. Конусообразно сужающаяся тонкостенная трубка переменного сечения моделировала собственно желчный проток в области стриктуры. Это две важные механические компоненты желчного русла. Третьим компонентом моделей служила непосредственно сетчатая корзинка с витьём на конце, представляющая собой металлические прутики из тонкой проволоки (бранши), особым образом соединенные между собой (рис. 9, 2). Количество бранш в проксимальной части и петель в дистальной части корзинки определяется размерами, формой и месторасположением инородного тела в протоке и могло быть любым (рис. 9, 1).

Рассматривался также вариант с фиксированным внешним воздействием от окружающих мягких тканей, т.е. реальное действие смежных с протоком тканей заменяли приложением фиксированной нагрузки “вручную”, постоянной по всей поверхности протока. В качестве параметров использовали также толщину стенок и диаметр протоков. Тонкостенная и толстостенная трубки были смоделированы при помощи трехмерных 3D “солид” элементов. При задании граничных условий их торцы жёстко закрепляли по контуру (точечное закрепление не дало желаемых результатов). Геометрические модели корзинок строились на основе сегментированных, кусочно-линейных сплайнов импортом из точных чертежей конструкций. Для моделирования нелинейного взаимодействия между браншами корзины и внутренней стенкой протоков использованы контактные элементы типа “поверхность-поверхность”. Взаимодействие осуществлялось через контактные элементы.

Расчет реализован численно методом конечных элементов. Тип конечных элементов - гексаэдры. Общее число степеней свободы (размерность задачи) составило, например, для корзинки-ловушки 3х6 с тремя браншами и одной петлей на каждой бранше - 99108 (то есть 33036 узлов). Выбранная размерность задачи являлась компромиссом между возможностями 32-битной вычислительной платформы на основе Intel архитектуры (предельный размер адресного пространства Workspace ANSYS 1,7 Гб) и необходимостью детального анализа контактного взаимодействия между браншами корзины и поверхностью протока. Анализ НДС представлял собой определение механических напряжений (контактных давлений) и деформаций в точках исследуемой модели на всех этапах введения рабочей части корзинки - начала введения, прохождения сужения и положения в узкой части протока. В качестве материала рабочей части литоэкстракторов рассматривалось два варианта исполнения - никелид титана (нитинол) Ti-50,8% Ni и чистое железо Fe - основа специальных медицинских сталей.

В результате расчета на всех этапах внутрипросветного движения литоэкстракторов получены графики деформаций и напряжений, выбранных в качестве критериев, а также поля механических напряжений и деформаций (рис. 10). Негладкий характер графиков объяснялся недостаточно мелкой сеткой в области контакта (вынужденное решение).

Рис. 10 Характерное распределение полей деформаций в стенке протока и внепротоковой ткани. Положение корзинки в области сужения t=26

Сравнительный анализ количественных различий в величине пиковых контактных давлений, действующих между браншами корзинки и стенкой протока для литоэкстракторов, выполненных из Ti-50,8% Ni и сталей показал следующее. Пиковые значения давлений сверхэластичных браншей из никелида титана на стенку желчного русла в 2,0-6,5 раз ниже (p?0,01), чем браншей из сталей (рис. 11), а неоднородность интрамуральных напряжений в стенке протоков меньше (в 1,5-3,5 раза). При равенстве всех параметров из 128 рассчитанных компьютерных моделей принятый в численном эксперименте болевой порог (негативный исход), принятый по данным литературы в 200 мм.рт.ст. превышался реже для технического оснащения из сверхэластичного нитинола, чем из медицинских сталей.

Рис. 11 Контактные давления браншей на стенку протоков в зависимости от материала, типа рабочей части литоэкстракторов и эффективных упругих свойств околопротоковых тканей

Абсолютный риск (вероятность) возникновения болевого синдрома AR составил соответственно 0,156 и 0,797 (табл. 3), абсолютное снижение риска - “терапевтическая польза” (по мнению большинства врачей, основной показатель различия между применяемыми вмешательствами) ARR=64,1%.

Таблица 3

Таблица сопряженности для расчета рисков превышения порога болевой чувствительности

Отношение рисков или относительный риск RR составило 0,196 (95%ДИ 0,117-0,321), снижение относительного риска превышения болевого порога в случае применения сверхэластичных литоэкстракторов RRR - 80,4% (95%ДИ 67,9%-88,3%). Показатель NNT (Р. Флетчер и соавт., 2004) составил 1,56 (95%ДИ 1,33-2,04). Установлено также, что конструктивные особенности рабочих частей сверхэластичных литоэкстракторов, обусловленные количеством бранш у многобраншевых зондов, обладают рядом преимуществ в виде более равномерного и однородного распределению давлений через контактные элементы, что является прогностическим фактором снижения частоты и тяжести повреждений слизистой оболочки желчных протоков и развития холангита в клинике.

Выполненные расчёты показали, что сверхэластичные литоэкстракторы с низким уровнем упругих свойств отличаются от традиционных корзинок Дормиа меньшим уровнем контактных давлений типа “поверхность-поверхность” и соответственно меньшей вероятностью болевого синдрома и травматизации протоков при внутрипросветных манипуляциях. Механическая совместимость литоэкстракторов из TiNi-сплавов по данным компьютерного моделирования достоверно выше, чем аналогичных литоэкстракторов из сталей. Таким образом, на основании модельных экспериментов получено биомеханическое обоснование применения инструментария нового поколения для лечения холангиолитиаза - сверхэластичных литоэкстракторов из материала с памятью формы на основе TiNi-сплавов (никелида титана Ti-50,8% Ni).

Данные выводы мы рассматривали в качестве косвенных критериев оценки механического воздействия вмешательств на билиарную систему, но истинные доказательства безопасности и эффективности сверхэластичности инструментария были получены только при анализе клинических результатов лечения 103 больных хроническим калькулезным холециститом, холедохолитиазом. Для достижения поставленной цели мы использовали следующие неоперативные методы удаления камней: эндоскопическую папиллодилатацию (ЭПД), эндоскопическую папиллосфинктеротомию (ЭПСТ), чрезфистульную, чрездренажную литоэкстракцию, а также интраоперационные методы (чрезпузырное удаление конкрементов и путем холедохолитотомии). Неоперативным вмешательствам были подвергнуты 85% (табл. 4).

Эндоскопическая папиллодилатация применена в нашей клинике для удаления конкрементов из холедоха у 17 больных, из них у 12 с помощью литоэкстракторов, рабочая часть которых была выполнена из биосовместимого сверхэластичного сплава на основе никелида титана Ti-50,8 ат.% Ni (основная группа), а у 5 пациентов с использованием сталистых петель Дормиа (группа сравнения).

После эндоскопической ретроградной холангиографии дилатацию выполняли с помощью катетера с баллоном с последующей ревизией желчных путей и извлечением конкрементов корзинкой экстракторов. Для оценки полноты санации желчных путей использовали ретроградное контрастирование протоков в конце вмешательства. Полная санация желчных путей достигнута у всех 17 больных, но в 15 наблюдениях конкременты удалось извлечь после баллонной папиллодилатации, а 2 больным потребовалось выполнение папиллотомии (нерасправление баллона вследствие рубцово-измененных тканей БДС).

Таблица 4

Распределение пациентов по методам лечения и группам наблюдения

Также в 2-х случаях отмечались сложности в проведении инструментов для ревизии вследствие миграции конкрементов из терминального отдела холедоха после удаления баллона. Применения литотрипсии не потребовалось ни в одном случае. Несмотря на проведение комплексной профилактической терапии в послеоперационном периоде осложнения после эндоскопической папиллодилатации в виде острого панкреатита развились в 2 случаях: легкой степени выраженности у 1 пациента основной группы и у 1 больного группы сравнения (средней степени), что потребовало проведения дополнительной консервативной терапии в течение 3 дней, приведшей к полному выздоровлению. Для купирования острого панкреатита средней степени на следующие сутки после баллонной папиллодилатации потребовалось выполнение неотложной эндоскопической папиллосфинктеротомии и вирсунготомии, после чего явления острого панкреатита спали. Осложнений, в соответствии с классификацией (P.B. Cotton et al., 1991) отмечено не было.

Таким образом, ЭПД является относительно безопасным и щадящим методом для бескровного удаления камней при холангиолитиазе. Тем не менее, как видно из вышеизложенного, литоэкстракция жесткими петлями из медицинских сталей оказалась для тканей БДС более травматичной. В случае необходимости проведения жёстких петель в раскрытом состоянии через большой дуоденальный сосочек упругие режущие проволоки могут опасно ранить ткани в этой области. Механическое воздействие во всех случаях затрагивает устье главного панкреатического протока, тем самым, создавая риск травматизации тканей, возникновение постманипуляционного отека и панкреатита.

Литоэкстракцию при эндоскопической папиллосфинктеротомии применили у 38 больных. Из них в основную группу (больные, у которых для извлечения желчных камней ретроградно применяли сверхэластичные никель-титановые литоэкстракторы с памятью формы со сгущением браншевой корзинки на дистальном конце 3х6, 4х8 и 4х12) вошли 20 больных холедохолитиазом, группа сравнения включала 18 пациентов.

Литоэкстракция с помощью сверхэластичных петель проводилась без технических трудностей у всех 20 больных. В 3 случаях не удалось свободно провести гибкий катетер сверхэластичного литоэкстрактора в инструментальный канал фиброхоледохоскопа. Для его канализации каждый раз требовалось несколько попыток. Технические трудности возникли при длине катетера 1800 мм вследствие недостаточной ригидности сверхэластичных литоэкстракторов, извитости пищеварительной и желчной систем. В этом случае дополнительную жесткость литоэкстракторам придавали, используя “управляемые” термомеханические свойства никелида титана увеличивать свою жесткость с повышением температуры. С этой целью вводили (с помощью шприца или обычного катетера) в инструментальный канал холедохоскопа физиологический раствор, подогретый до 45-50 ⁰C, не допускающий ожога слизистой оболочки протоков. Это значительно повышало упругость катетера в транспортном положении и облегчало катетеризацию литоэкстрактора в инструментальный канал холедохоскопа и терминальный отдел холедоха.

В 5 случаях из 18 извлечь конкременты из просвета холедоха обычной жесткой корзиной Дормиа из стали не представлялось возможной ввиду ограниченной управляемости последней и пониженных манипуляционных возможностях. Как правило, они возникали при невозможности проведения захваченного корзинкой конкремента через терминальный отдел общего желчного протока. В одном из клинических наблюдений конкремент был захвачен и низведён в инфрадуоденальную часть холедоха, где произошло его ущемление. Несмотря на то, что корзину неоднократно открывали и сдвигали проксимальнее, это не приводило к освобождению корзины от камня и не позволило избежать решения отрезать проксимальный конец струны корзинки Дормиа и экстренного оперативного вмешательства. В экстренном порядке больная была оперирована. При ревизии выявлены признаки отека тканей БДС после проведенных дополнительных к ЭПСТ эндоскопических манипуляций. Корзинка Дормиа смещена в проксимальном направлении и впоследствии удалена. Так эндоскопические манипуляции сталистой корзинкой Дормиа завершились производством сложного хирургического вмешательства.

Изучение интенсивности болевого синдрома у больных, подвергнутых литоэкстракции в сочетании с ЭПД и ЭПСТ, не производилось в связи с трудностями разделения механического воздействия на ткани периампулярной зоны баллоном при дилатации, папиллотомом или браншами литоэкстракторов.

При чрезфистульном, чрездренажном удалении резидуальных камней у 33 пациентов введение катетера производилось под рентгенотелевизионным контролем, а петля вводилась в закрытом положении. Было удалено множество различных по строению и размерам конкрементов. Захват камня осуществлялся продвижением рабочей части корзинки вдоль и за него, раскрытием экстрактора и последовательными ротационными и возвратно-поступательными движениями вокруг оси до надёжного захвата. Дизайн рабочей части корзинки при эффективной литоэкстракции должен соответствовать максимальной эффективности улавливания и захвата камня. Поэтому выбор конкретной конструкции зондов Дормиа и сверхэластичных петель для надежного захвата и эвакуации конкрементов складывался из нескольких факторов и зависел в основном от формы и размера камней, их локализации, степени фиксации и соотношения между диаметром протока и величиной камней. Корзинка-ловушка была такой формы, чтобы захваченный камень можно было хорошо удерживать. На третьем завершающем этапе, когда камень попадал в петлю, он начинал двигаться вместе с ней и плавно без насилия извлекался наружу. К трудно удаляемым камням относились конкременты в узком месте желчных протоков, в терминальном отделе холедоха. Между стремлением захватить камень любого размера и формы и при движении не потерять его петлей Дормиа казалось бы, возникало некоторое противоречие. Оно было связано с необходимостью решать одним инструментом две разные на первый взгляд, взаимоисключающие друг друга задачи: повышение “уловистости” и надёжности тракции. Кроме того, захватывание крупных камней, камней в узких местах и фиксированных в стенку протоков требует перед улавливанием обойти конкремент и постепенно раскрыть корзинку-ловушку дистальнее его. Этим, казалось бы, противоречивым требованиям в полной мере отвечали сверхэластичные литоэкстракторы из сплава с памятью формы на основе никелида титана с минимальным числом браншей в проксимальной части, сгущением браншевой сетки на дистальном конце и атравматичной направляющей оливой с закругленной формой. Литоэкстракторы с таким рабочим концом легко скользят по внутренней поверхности желчных путей, не травмируя их. Это облегчает проведение вмешательств на желчных, дренажных и фистульных путях. У 9 из 20 пациентов основной группы камни были удалены с первой попытки, в то время как в группе сравнения у 3 больных из 13 (p?0,05). В случае применения никель-титановых петель уменьшалось не только число попыток захвата и объем манипуляций, но и вероятность того, что при тракции камни выпадали из петли (2 случая в основной группе и 4 в группе сравнения). При многократном повторе попыток и манипуляций при плотно сидящем в протоке камне возможны плохо заживляющиеся повреждения слизистой оболочки и образование рубцовых стриктур. В одном случае произошло подслизистое внедрение жесткой петли Дормиа из стали. Более мягкие сверхэластичные петли из нитиноловой проволоки не создавали таких опасностей и имели высокую степень захвата. В результате меньше травмировались окружающие ткани. Из недостатков использования СЭ литоэкстракторов можно отметить, что они хуже открываются в тесных местах и в желчных протоках с патологически уплотненными стенками. Поэтому прогностическим фактором эффективной литоэкстракции в этих случаях мы считали наличие свободного пространства, достаточного для полного раскрытия корзинки-улавливателя. При отсутствии требуемой пропорции между размерами камня и калибром общего желчного протока осуществлялось выведение конкремента в максимально расширенный сегмент (в 3 случаях).

В случае применения петель Дормиа из медицинских сталей при визуальном контроле лечебного эффекта и диагностике сопутствующих постманипуляционных изменений слизистой оболочки протоков практически во всех наблюдениях отмечались признаки холангита различной степени выраженности, несмотря на проводимую антисептическую терапию. Среди больных в основной группе травматические повреждения слизистой оболочки были незначительными или отсутствовали. Учитывая “механическую” близость TiNi-сплавов к мягким биологическим тканям и известные регенераторные возможности слизистой, можно полагать, что повреждения слизистого слоя при внутрипросветных интервенциях СЭ петлями оставались, как правило, без стойких последствий.

При вмешательствах имело место то или иное воздействие на стенку желчных путей, ее значительная дилатация, иногда повреждение целостности структуры тканей, что приводило к болевому синдрому у пациентов. Висцеральная, иногда сильная боль возникала при быстром нарастании контактных давлений и деформаций до уровня пороговых значений. Приступ таких болей носил характер желчной колики, чаще отмечался и был интенсивнее у пациентов группы сравнения - 2,46±0,57 баллов (р?0,05) по пятибалльной шкале, литоэкстракция у которых производилась жесткими и стальными петлями Дормиа. После окончания желчной колики часто длительно удерживалась тупая боль с характерной иррадиацией, вероятно связанной с повреждением слизистой желчных протоков инструментом. У больных в основной группе болевой синдром (негативный исход) был менее интенсивным - 1,30±0,29 баллов, как правило, более кратковременным и отсутствовал у 16 пациентов. Абсолютный риск (частота) боли у респондентов основной группы составил 0,20, в группе сравнения 0,769 (р?0,05) (табл. 5).

Таблица 5

Таблица сопряженности для расчета рисков возникновения болевого синдрома

Отношение рисков RR составило 0,26 (95%ДИ 0,128-0,592), показатель эффективности (“терапевтическая польза”) ARR=56,9% (95%ДИ 23,0-78,4). Снижение относительного риска (RRR) возникновения болевого синдрома при использовании сверхэластичных литоэкстракторов относительно литоэкстракторов из сталей составило 74,0% (95%ДИ 40,8%-87,2%). Показатель NNT (Р. Флетчер и соавт., 2004) - 1,78 (95%ДИ 1,28-4,35). При этом “объём” премедикации, особенности проведения анестезиологического пособия и собственно неоперативного вмешательства в исследуемых группах были сопоставимы. Следует отметить, что относительная частота возникновения болевого синдрома при клиническом применении сверхэластичных литоэкстракторов вошла в 95%ДИ относительного риска, полученного при компьютерном моделировании превышения болевого порога (0,117-0,321). Т.е. статистически значимо относительные риски RR не отличались друг от друга (рис. 12).

Рис. 12 Отношение рисков (точечная оценка и ДИ) возникновения болевого синдрома при использовании сверхэластичных литоэкстракторов и литоэкстракторов из сталей при компьютерном моделировании и клинических наблюдениях - чрезфистульном, чрездренажном удалении желчных конкрементов

Более широкий доверительный интервал статистически обработанных клинических данных обусловлен меньшим размером групп, чем при моделировании.

Полученное с помощью методов доказательной медицины клиническое подтверждение выводов компьютерного моделирования дает право констатировать, что:

а) СЭ инструментарий из TiNi-сплавов снижает риск болевого воздействия на билиарное русло и менее “болетворный” при удалении резидуальных и рецидивных желчных камней;

б) патогенным фактором билиарной боли при внутрипросветных вмешательствах на желчных путях является механическое воздействие на желчное русло.

Подводя итог данному разделу работы, посвященному применению бескровных методов, можно с уверенностью сказать, что неоперативное удаление желчных камней биосовместимыми сверхэластичными литоэкстракторами является высокоэффективным и малотравматичным способом лечения холангиолитиаза. СЭ литоэкстракторы несут меньшую механическую нагрузку на желчевыводящие пути, ткани и органы гепатопанкреатодуоденальной зоны увеличивают процент успешных результатов, позволяют избежать ряда осложнений и расширяют показания к применению литоэкстракции. На основании клинического материала установлено, что гибкие рабочие части сверхэластичных экстракторов меньше травмируют стенку желчных путей и фистульного хода, сохраняют тканевую структуру протоков, свищей и практически не вызывают развитие в них воспалительных процессов. Использование гибких сверхэластичных литоэкстракторов из никелида титана (нитинола) при бескровном удалении единичных и множественных камней привел к повышению надежности захвата, удержания и тракции конкрементов при минимальном травматизме.

Результаты по бескровному удалению конкрементов, показавшие большую эффективность и безопасность применения биосовместимых сверхэластичных литоэкстракторов по сравнению с петлями Дормиа с рабочей частью из сталей привели к заключению использовать СЭ литоэкстракторы при оперативном лечении желчнокаменной болезни.

Во время оперативного вмешательства у 15 больных без риска для их здоровья удалить конкременты традиционными способами не удавалось из-за большой величины камней (более 1,5 см), наличия дивертикулов в холедохе (4), в которых “прятались” конкременты, или вследствие ущемления камней в кармане Гартмана (5) и в устье общего желчного протока (6). Во всех этих случаях мы применяли для удаления конкрементов только сверхэластичные литоэкстракторы с максимально возможными просветами между минимальным количеством бранш в проксимальной части.

Рис. 13 Использование литоэкстракции атравматичными петлями с разреженной браншевой сеткой в проксимальной части у больных с сопутствующими заболеваниями позволило сохранить желчный пузырь и избежать ряда грозных осложнений (1). Удаление конкремента из терминального отдела общего желчного протока с помощью сверхэластичного экстрактора при открытой холедохолитотомии (2)

Для удаления конкрементов корзина заводилась проксимальнее камня и открывалась. Захват конкремента производился путем маневрирования корзиной-ловушкой с сетчатой структурой браншей в дистальной части, после захвата конкремента он удалялся из желчных путей. Транспузырное удаление конкрементов из желчного пузыря (рис. 13, 1), ущемившихся в кармане Гартмана, было вынужденным и предпринято у 5 очень тяжелых больных с сопутствующими заболеваниями, у которых имелась одышка в покое, с целью сохранения желчного пузыря для возможного выполнения холецистостомии. Также нами использовались сверхэластичные корзинки-улавливатели у 2 больных при открытой холедохотомии в тех наблюдениях, где имелось ущемление конкремента в терминальном отделе общего желчного протока (рис. 13, 2). Результаты интраоперационного удаления конкрементов оказались во всех случаях успешными и подтвердили эффективность использования СЭ литоэкстракторов в лечении холангиолитиаза.

Параметры КЖ являются наиболее достоверными критериями проведенного лечения (И.В. Ярема, Н.В. Гамгия, 2006). Оценка гастроинтестинального индекса КЖ у всех пациентов основной группы и группы сравнения до, через 1, 6 и 12 месяцев после операции показала, что применение описанных методов лечения больных холангиолитиазом достоверно повышает уровень качества жизни после операций. При этом очевидно значительное преимущество уровня GIQLI у пациентов основной группы после литоэкстракции конкрементов из желчных путей с помощью сверхэластичного инструментария (табл. 6).

Таблица 6

Гастроинтестинальный индекс качества жизни (M±m)

Данное преимущество наблюдается в течение всего периода наблюдения после операции и особенно выражено в первый месяц в “физической сфере”. Наглядно изменение гастроинтестинального индекса больных проиллюстрировано также на диаграмме (рис. 14).

Рис. 14 Динамика гастроинтестинального индекса качества жизни GIQLI в основной группе и группе сравнения до операции, через 1, 6 и 12 месяцев

Изучение параметров качества жизни позволяет, таким образом, не только оптимизировать оценку результатов лечения больных ЖКБ, но и сравнить эффективность литоэкстракции сверхэластичными петлями и традиционными Дормиа из медицинских сталей.

На пациентах обеих групп, подвергнутых неоперативному удалению камней, был проведен анализ осложнений. На основании клинического материала установлены факторы, определяющие эффективность литоэкстракции из внепеченочных желчных протоков эндоскопически, через наружный дренаж или свищевой ход. Осложнения, выявленные в процессе лечения, были подразделены на интра- и послеоперационные. К основным интраманипуляционным опасностям и осложнениям относили местные ишемии, микротравмы и ранения стенок протоков, нарушение целостности фистульного хода, отклонения инструментов от нужного направления и их подслизистое внедрение, перфорации, крово- и желчеистечения в брюшную полость, ущемление инструмента с камнем в терминальном или другом отделе холедоха, поломки петли в просвете протоков. В качестве послеманипуляционных осложнений рассматривались температурная реакция на проводимые манипуляции, инфекционно-воспалительные осложнения, острый холангит, отёк тканей, внутрипротоковая гипертензия, спазм сфинктера Одди, папиллит, панкреатит и стойкие последствия в виде образования рубцовых стриктур желчных протоков. Применение СЭ литоэкстракторов привело к существенному снижению частоты осложнений, составившей 5,8%, в то время как при использовании литоэкстракторов из медицинских сталей (p?0,05) частота осложнений была равна 16,7%. Грозных осложнений с подтеканием желчи или крови в брюшную полость не наблюдалось в обеих группах. Летальных исходов, связанных с методиками неоперативного удаления камней также не было.

Анализ клинического материала показал, что развитие осложнений прямым образом связано с проявлением болевого синдрома во время вмешательства. Так, при чрезфистульном, чрездренажном удалении конкрементов развитие послеоперационных осложнений наблюдалось у 35,7% больных, перенесших ощущение боли во время вмешательства, и лишь у 5,3% (р?0,05) у пациентов без регистрации болевого синдрома. Более того, отмечалась положительная корреляционная связь (r=0,39; p?0,05) между болевым синдромом и развитием осложнений. Наличие боли также оказывает влияние на КЖ больного после хирургического вмешательства. Оказалось, что величина GIQLI через месяц после операции у больных с развитием болевого синдрома во время вмешательства составила 101,1±0,7 и была ниже, чем у пациентов, не испытавших чувство боли (104,0±0,9; p?0,05).

Таким образом, степень механического воздействия на стенки желчного протока во время удаления конкрементов определяется упругими свойствами литоэкстракторов и играет важную роль в развитии интра- и послеоперационных осложнений, оказывает влияние на КЖ больных холангиолитиазом после вмешательств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы создана электронная база данных по применению новых материалов в медицине, в том числе гепатологии и билиарной хирургии. При создании базы данных применена система IRBIS, рекомендованная Международной ассоциацией пользователей и разработчиков электронных библиотек и новых информационных технологий ЭБНИТ. Для экспорта описаний и полных текстов в базу данных совместно с ГПНТБ России была разработана программа HTMTEXT. На основании информационного поиска была предварительно выбрана перспективных группа материалов на основе никелида титана (нитинола) с программируемыми механическими свойствами - эффектом памяти формы и сверхэластичности. С целью уточнения состава на выращенных монокристаллах были исследованы деформационные и упругие свойства никель-титановых сплавов. В качестве материала рабочей части литоэкстракторов выбран бинарный сплав с химическим составом Ti-50,8% Ni и температурой проявления сверхэластичных свойств в диапазоне 15-60 ⁰C, включающем в себя интервал температур тканей и органов человека. Установлена высокая коррозионная стойкость и биохимическая совместимость никелида титана Ti-50,8% Ni в агрессивных средах и желчи, в том числе в условиях значительной пластической деформации и длительных испытаний.

Получены деформационные кривые общих желчных протоков, которые аналитически представлены экспоненциальными зависимостями. Исследованы упругие свойства холедоха и определены его дифференциальные упругие модули в продольном и кольцевом направлении. Выявленная существенная нелинейность и анизотропия упругих свойств желчных протоков, по всей видимости, вызвана сложной архитектоникой соединительнотканных коллагеносодержащих и эластиносодержащих морфологических структур, составляющих их стенку и определяющих пассивные механические свойства. Кроме того, упругая анизотропия холедоха может быть обусловлена сложным механизмом доставки пузырной желчи в двенадцатиперстную кишку и желудочно-кишечный тракт.

Разработаны компьютерные модели внутрипросветных вмешательств на билиарной системе литоэкстракторами с различными характеристиками рабочей части. В качестве параметров были использованы данные, полученные при изучении упругих свойств стенки желчного протока. Выполнен численный анализ патогенного фактора билиарной боли, определены параметры напряжений и деформаций при вмешательствах, в том числе их значения по отношению к болевому порогу. На основании данных компьютерного моделирования был разработан комплекс биомеханически совместимых атравматичных и эффективных литоэкстракторов из никелида титана (нитинола) Ti-50,8% Ni с повышенной эластичностью, надежностью захвата и удержания.

В результате клинических наблюдений установлены следующие преимущества биосовместимых сверхэластичных литоэкстракторов из никелида титана (нитинола) с памятью формы и сетчатой структурой рабочей части на дистальном конце по сравнению с петлями Дормиа из медицинских сталей:

а) при внутрипросветных манипуляциях рабочие захватывающие части конструкций из TiNi-сплавов оказывают минимальное механическое воздействие на билиарный тракт, в меньшей степени дилатируют желчные протоки и, в результате, менее болезненны;

б) их сверхэластичные свойства являются очевидным полезным качеством, так как позволяют преодолевать множественные изгибы желчного русла и другие анатомические особенности желчного дерева, особенно в условиях резко ограниченного пространства;

в) при вводе в магистральные, узкие и извилистые желчные протоки, область стриктур и зону БДС петли из никелида титана лучше копируют внутренний рельеф органов, легче принимают форму искривлений и меньше травмируют структуру окружающих тканей, их применение снижает частоту и тяжесть осложнений;

г) при локализации желчнокаменных конкрементов в обтурированных протоках петли мягко деформируют просвет органа, проникают за камень, захватывают конкремент почти всегда с первой попытки, за счёт формы рабочей части хорошо удерживают и атравматично низводят его наружу;

д) благодаря таким положительным физико-механическим качествам Ti-50,8% Ni, как эластичность и управляемость, а также в связи с высокой рентгеноконтрастностью нитинола, возникала возможность для нетравматичного и эффективного проведения инструмента в область БДС и во внутрипеченочные протоки.

Используемые в принятых методах лечения желчнокаменной болезни традиционные улавливатели Дормиа из медицинских сталей недостаточно эффективны и универсальны, их применение небезопасно, чревато болевыми проявлениями и различными осложнениями. По своим механическим свойствам литоэкстракторы из сталей значительно отличаются от свойств биологических тканей, на которые они воздействуют, более ригидны и травматичны, могут опасно ранить ткани (особенно в узких местах, например в области периампулярной зоны), вызвать перфорацию стенки желчного хода, двенадцатиперстной кишки или свищевого хода, работа с ними сопряжена с большими техническими трудностями и меньшими манипуляционными возможностями.

Следует отметить оптимальный дизайн и целесообразную форму дистальной и проксимальной части улавливателей сверхэластичных петель:

а) максимально возможные просветы между минимальным количеством бранш в проксимальной части позволяют окружить камень и повышают надежность захвата корзинкой при любых размерах, форме и локализации камней;

б) сгущение браншевой сетки на дистальном конце зонда повышает надежность захвата, удержание и облегчает тракцию конкрементов при минимальной травме;

в) дополнительные ячейки внутри петель на дистальном конце защищают ткани, улучшают изоляцию удаляемых камней и конкрементов от нежной слизистой оболочки протоков и фистульных каналов, при этом эффективнее очищают протоки от множественных мелких камней, желчного песка, замазки и сладжей;

г) наличие направляющей с оливой на конце позволяет атравматично завести корзинку практически за любой камень.

Кроме того:

а) сверхэластичные петли идеально сохраняют первоначальную форму даже после многократного использования;

б) инструменты легко приводятся в рабочее состояние, особенно в магистральных желчных протоках;

в) длина гибкого катетера сверхэластичных литоэкстракторов до 1800 мм позволяла осуществлять практически любой тип эндоскопического вмешательства на желчных путях, а ручка - легкие и эргономические действия одной рукой.

На основании данных компьютерного моделирования, анализа операций и течения послеоперационного периода у пациентов основной и группы сравнения определена роль экзогенного механического воздействия на билиарную систему в развитии болевого синдрома и осложнений. Выявлено, что при всех использованных в работе типах доступа методы бескровного, а также интраоперационного удаления желчных конкрементов, микролитов и сладжей биосовместимыми сверхэластичными петлями из никелида титана (нитинола) Ti-50,8% Ni с памятью формы несут меньшую механическую нагрузку на ткани, желчные пути и органы гепатопанкреатодуоденальной зоны, снижают частоту и интенсивность болевого синдрома, вероятность различных осложнений во время и после операций. Патофизиологически и клинически обосновано, что применение биомеханически совместимых сверхэластичных литоэкстракторов из TiNi-сплавов расширяют показания к применению механических методов в лечении холангиолитиаза, способствует снижению травматичности, повышает эффективность лечения и качество жизни.

Выводы

1. Среди всех сверхэластичных сплавов с памятью формы никелид титана (нитинол) является материалом, наиболее совместимым с биологическими тканями вследствие своего деформационного поведения и низкого уровня упругих свойств. При этом Ti-50,8% Ni проявляет свойства сверхэластичности и памяти формы в интервале от 15 до 60 ⁰С, включающем в себя диапазон температур тканей и органов человека.

2. Никелид титана Ti-50,8% Ni даже в условиях значительной деформации в агрессивных средах и желчи обладает выраженными антикоррозийными свойствами, что делает его материалом, пригодным для применения в билиарной хирургии и гепатологии.

3. Пассивные упругие свойства желчных путей анизотропны по типу биологических проточных систем и отражают механические свойства морфологических структур, составляющих стенку протоков. При внешнем воздействии деформации желчных путей обусловлены растяжением коллагеновых и эластиновых волокон, образующих соединительнотканный каркас. Упругие модули желчных протоков в продольном и кольцевом направлении могут быть описаны с помощью уравнений экспоненциальной регрессии и с численными коэффициентами и .

4. На компьютерных моделях установлено, что использование конструкций литоэкстракторов из нитинола снижает значения контактных давлений на стенки желчных протоков в 2,0-6,5 раз (p?0,01) и уменьшает относительный риск болевого синдрома при внутрипросветных манипуляциях на 80,4% (95%ДИ 67,9%-88,3%) по сравнению с литоэкстракторами из медицинских сталей.

5. Снижение частоты болевого синдрома при удалении резидуальных и рецидивных камней чрезфистульно, чрездренажно сверхэластичными литоэкстракторами по сравнению с литоэкстракторами из медицинских сталей составляет 74,0% (95%ДИ 40,8%-87,2%).

6. При неоперативном удалении желчных камней сверхэластичными литоэкстракторами из TiNi-сплавов тяжесть и частота осложнений ниже (p?0,05), а качество жизни в послеоперационном периоде выше (p?0,01), чем у больных, литоэкстракция у которых выполнялась традиционными инструментами из медицинских сталей.

7. При неоперативном и интраоперационном удалении конкрементов из желчных путей сверхэластичные экстракторы обладают существенно большими техническими возможностями, чем петли Дормиа из сталей, повышают выполнимость литоэкстракции и эффективность комплексного лечения холангиолитиаза.

8. Механические повреждающие факторы, определяемые уровнем биомеханической совместимости литоэкстракторов, играют существенную роль в развитии билиарной боли и различных осложнений при лечении холангиолитиаза, оказывают влияние на качество жизни больных после операции.

Практические рекомендации

1. Эффективная литоэкстракция конкрементов должна проводиться с учетом соответствия размеров и геометрии рабочей части литоэкстракторов диаметру камня. Для удаления крупных желчных камней целесообразно использовать сверхэластичные литоэкстракторы из никелида титана с рабочей частью 3х6; малых конкрементов - 4х8 с плетением сетки на дистальном конце; для удаления микролитов, сладжей и желчной замазки - 3х12, 4х16 и наиболее густой браншевой сеткой.

2. При захвате крупных камней, камней в узких местах и фиксированных в стенку протоков, когда требуется перед улавливанием обойти конкремент дистальнее его, необходимо использовать литоэкстракторы с направляющей атравматичной оливой.

3. Для уменьшения травматизма тканей при неправильной и угловатой форме конкрементов с острыми гранями наибольший размер камня или его выступающая часть должны разместиться вдоль продольной оси литоэкстрактора, при этом требуется повтор манипуляций до правильного захвата.

4. При патологически уплотненных стенках желчных протоков рекомендуется применение сверхэластичных литоэкстракторов с максимальным диаметром катетера (6 Fr) и максимальным развиваемым усилием при раскрытии, либо традиционных литоэкстракторов из сталей.

5. Для придания сверхэластичным литоэкстракторам из TiNi-сплавов в транспортном или рабочем состоянии дополнительной жесткости достаточно струйного введения (с помощью шприца, распыляющего или обычного катетера) в инструментальный канал холедохоскопа, наружный дренаж или свищевой ход физиологического раствора, подогретого до 45-50 ⁰С. Для придания катетеру и рабочей части литоэкстракторов большей гибкости и эластичности их следует несколько охладить.

6. Сверхэластичный инструментарий из TiNi-сплавов может быть использован многократно при условии его стерилизации стандартными методами.

7. С целью получения более точной и надежной информации о показателях качества жизни пациента и подсчета индекса качества жизни GIQLI целесообразно применять дифференциальный подход, учитывающий удельный вес отдельных составляющих.

8. Для более детального анализа напряженно-деформированного состояния желчных протоков при внутрипросветных вмешательствах (компьютерного моделирования факторов билиарной боли) следует применять многопроцессорные рабочие станции и вычислительные кластеры.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых перечнем ВАК РФ при соискании ученой степени доктора наук

1. Аномалии упругих свойств монокристаллов TiNi-TiFe / В.Н. Хачин, С.А. Муслов, В.Г. Пушин, Ю.И. Чумляков // Доклады Академии наук СССР. 1987. Т. 295, № 3. С. 606-608.

2. Микроструктура и физические свойства сплавов системы Ti₅₀Ni_50-xFe_x с эффектами памяти формы. Сообщение II. Упругие свойства / В.Г. Пушин, В.Н. Хачин, Л.И. Юрченко, С.А. Муслов, Л.Ю. Иванова, А.Ю. Соколова // Физика металлов и металловедение. 1995. Т. 79, вып. 4. С. 70-76.

3. Моделирование и анализ напряженно-деформированного состояния стенки желчных протоков при эндобилиарных вмешательствах / И.В. Ярема, С.А. Муслов, В.Н. Хачин // Эндоскопическая хирургия. 2006. № 2. С. 161.

4. Математическая модель внутрипросветных малоинвазивных вмешательств на полых органах с применением традиционных и биологически совместимых сверхэластичных материалов с памятью формы на основе NiTi / И.В. Ярема, С.А. Муслов // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2006. Т. 142, № 12. С. 698-700.

5. Малоинвазивные технологии в медицине: новые корзинки Дормиа / С.А. Муслов, И.В. Ярема, С.В. Хачин // Альманах клинической медицины. 2006. Т. XII. С. 153.

6. Особенности внутрипросветных неинвазивных вмешательств на желчных протоках и разработка литоэкстракторов на основе биосовместимых сверхэластичных материалов с памятью формы / С.А. Муслов, В.Н. Хачин, И.В. Ярема, С.В. Хачин // Технологии живых систем. 2006. Т. 3, № 3. С. 24-32.

7. Применение материалов с заданными свойствами и компьютерного моделирования в разработке инструментария для лечения желчно- и мочекаменной болезни / С.А. Муслов, И.В. Ярема, В.Н. Хачин, С.В. Хачин // Вестник Российской Военно-медицинской академии. 2007. № 1(17). С. 785-786.

8. Структура и механические свойства холедоха / И.В. Ярема, С.А. Муслов // Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. 2007. № 1. С. 22-23.