Биофизические принципы функционирования артериовенозных мальформаций головного мозга

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора медицинских наук

Биофизические принципы функционирования артериовенозных мальформаций головного мозга

Специальность: Нейрохирургия

На правах рукописи

А.Б. Таланов

Москва 2009г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Артериовенозные мальформации (АВМ) головного мозга являются одной из основных причин внутричерепных кровоизлияний, что определяет социальное и медицинское значение этого заболевания. Внимание к АВМ обусловлено также их связью с рядом фундаментальных проблем формирования и функционирования сосудистой системы.

За последние несколько десятилетий взгляды на мальформации головного мозга сильно изменились. Точка зрения, утверждающая безусловно врожденный характер заболевания, подвергается пересмотру. Появились многочисленные факты, указывающие на возможность появления АВМ в постэмбриональном периоде, а также свидетельства значительного изменения свойств мальформации с течением времени.

В результате эволюции АВМ происходят существенные изменения риска кровоизлияния. Риск кровоизлияния из бессимптомной мальформации составляет менее 1 % в год (Stapf C., 2008), риск рецидива достигает 6 - 33 % в течение ближайшего года после кровоизлияния, затем происходит его постепенное снижение; мальформации, впервые проявившиеся негеморрагическими симптомами, имеют риск кровоизлияния - 2 - 3% в год (Forster D.M. et al., 1972; Graf C.G. et al., 1983; Fults D., Kelly D.L., 1984; Brown R.D. et al., 1988; Mast H. et al., 1997; Ondra S.L. et al., 1990; Yamada S. et al., 2007). Попытки определить связь между анатомо-функциональными характеристиками АВМ и риском кровоизлияния дают противоречивые результаты, причины изменений риска кровоизлияния остаются непонятными.

Современная медицина располагает несколькими методами лечения АВМ головного мозга: хирургическим, эндоваскулярным и радиохирургическим. Точное сопоставление угрозы здоровью и жизни при естественном течении мальформации с опасностью осложнений, которые могут возникнуть при проведении лечебных мероприятий, является необходимым условием успешного лечения. Реализация такого подхода требует ясного понимания не только закономерностей естественного течения, но также - закономерностей течения заболевания во время и после лечебного воздействия.

Представления о патогенезе осложнений, связанных с лечением АВМ головного мозга, заметно различаются. Эффективность предложенных ранее способов прогнозирования и предупреждения осложнений признается не всеми исследователями. Неопределенность риска кровоизлияния и отсутствие надежных критериев определения риска осложнений существенно затрудняют принятие тактических решений. Оказание помощи при некоторых видах АВМ остается серьезной проблемой (Heros R.C. et al., 1990; Nussbaum E.S. et al., 1995; Han P.P. et al., 2003).

Главной причиной смертности и инвалидизации при церебральных АВМ являются впервые возникшие кровоизлияния. До эпизода геморрагии мальформация, как правило, ничем себя не проявляет. В этой связи наиболее серьезные успехи в решении проблемы кровоизлияний ожидаются в направлении превентивного лечения бессимптомных АВМ. Решение этой задачи требует детального изучения закономерностей не только клинического, но и доклинического течения болезни.

Перечисленные обстоятельства указывают на необходимость изучения закономерностей функционирования АВМ, которые определяют как естественное течение болезни, так и возникновение осложнений, связанных с проведением лечебных мероприятий.

Патофизиологическую сущность АВМ составляет шунтирование - прямой сброс крови из артерий в вены. Являясь биофизическим процессом, который подчинен точным математическими соотношениями, шунтирование дает уникальную возможность использовать для изучения мальформации методы теоретического исследования. В условиях, когда нет достоверных данных о сроках инициирования мальформации и когда из-за опасности кровоизлияния резко ограничены возможности клинического наблюдения, теоретический анализ должен рассматриваться как полноправный способ изучения заболевания.

Цель исследования

Основываясь на биофизических принципах функционирования сосудистой системы, определить закономерности функционирования и клинического течения артериовенозных мальформаций головного мозга.

Задачи исследования

1. Провести теоретическое изучение изменений системной и локальной гемодинамики, вызванных артериовенозной мальформацией головного мозга.

2. Исследовать возрастную динамику системного и церебрального артериального давления - основного гемодинамического параметра, определяющего течение мальформации.

3. Изучить клинические особенности артериовенозной мальформации в зависимости от возраста больных, ее функционально-анатомических и структурных характеристик.

4. Оценить влияние гемодинамических осложнений на результаты лечения артериовенозных мальформаций головного мозга.

5. Исходя из закономерностей функционирования мальформаций, разработать подход к прогнозированию и предупреждению наиболее тяжелых форм гемодинамических осложнений.

Научная новизна исследования.

Разработана концепция фазовых изменений гемодинамики, которая объясняет разнонаправленные изменения свойств мальформаций, а также помогает раскрыть закономерности возникновения тяжелых осложнений, связанных с их лечением. Согласно выдвинутой концепции, при возникновении и дальнейшем усилении артериовенозного шунтирования давление в сосудах мальформации первоначально растет, достигает максимума и затем постепенно снижается. Вместе c давлением фазовые изменения претерпевают другие параметры системной и локальной гемодинамики, а также клинические характеристики мальформации, включая риск кровоизлияния.

Впервые в клинической практике проведено сравнительное изучение возрастных особенностей артериального давления у больных с артериовенозными мальформациями головного мозга и у больных с нормальным циркуляторным состоянием. Установлено, что функционирование мальформации может сопровождаться ростом церебрального и системного артериального давления. Подъем давления зафиксирован у детей с мальформациями. Повышение давления отмечено также в афферентных артериях мальформаций малого размера. Обнаруженные факты подтверждают концепцию фазовых изменений гемодинамики.

Установлено, что изменения церебрального венозного давления инициируют механизмы, приводящие к сонаправленным изменениям артериального давления как на системном, так и на локальном уровне. В нормальном состоянии эти механизмы обеспечивают поддержание стабильных градиентов перфузионного давления. У больных с мальформациями их действие способствует появлению положительной обратной связи между церебральным венозным и артериальным давлением, что создает условия для фазовых гемодинамических сдвигов.

Получены экспериментальные данные, подтверждающие значение венозной гипертонии в патогенезе артериовенозных мальформаций. Дано объяснение стабильному состоянию сосудистого русла, подчиняющегося принципу постоянного напряжения сдвига; и нестабильности сосудов при увеличении их калибра. Установлено, что наряду с венозной гипертонией существенную роль в инициировании мальформации могут играть изменения артериального давления, утрата контроля за тонусом сосудов микроциркуляторного русла и изменения реологических свойств крови.

В единой системе анатомо-функциональных и структурных характеристик показаны и объяснены возрастные различия мальформаций, выделены признаки, позволяющие оценивать риск первичных и рецидивных кровоизлияний.

Идентифицированы и теоретически обоснованы прямая и обратная связь между размером мальформации и риском кровоизлияния. Установлено, что наименьший размер имеют бессимптомные мальформации, далее по мере увеличения размера следуют артериовенозные мальформации, проявившиеся одиночными кровоизлияниями, мальформации с рецидивами кровоизлияний и мальформации с негеморрагическими симптомами.

Представлены систематизированные данные о влиянии гемодинамических осложнений на исходы лечения артериовенозных мальформаций. Показана ведущая роль гемодинамических расстройств в общей структуре осложнений.

Основываясь на изучении биофизических закономерностей движения крови и соответствующих изменений напряжений в стенках сосудов, питающих мальформацию, выделены признаки, характеризующие риск возникновения тяжелых гемодинамических осложнений. Показано, что такой критерий, как сумма радиусов афферентных артерий артериовенозной мальформации, наилучшим образом отражает степень риска гемодинамических расстройств типа синдрома прорыва.

Практическая значимость

Результаты работы дают возможность оценивать динамику риска кровоизлияния из артериовенозной мальформации, что необходимо для выбора адекватной лечебной стратегии. Учет выделенных в ходе исследования критериев риска гемодинамических осложнений позволяет прогнозировать и предупреждать их возникновение, способствуя тем самым улучшению результатов лечения.

Анализ свойств бессимптомных мальформаций показал возможность проведения в отношении большинства из них радикального превентивного лечения. Данный факт имеет принципиальное значение для планирования лечебных мероприятий, направленных на борьбу со спонтанными внутричерепными кровоизлияниями.

Непосредственный клинический эффект дает учет обозначенных в данном исследовании признаков, характеризующих риск первичных и рецидивных кровоизлияний.

Результаты исследований применяются в клинической практике ГУ «НИИ нейрохирургии им. акад. Н. Н. Бурденко» РАМН, Региональном сосудистом центре ОГУЗ «Ивановская областная клиническая больница», МУЗ «Клиника Ивановской государственной медицинской академии». Материалы диссертации используются в лекционных курсах и на практических занятиях на кафедрах нейрохирургии ГОУ ДПО «Российская медицинская академия последипломного образования Росздрава», неврологии и нейрохирургии ГОУ ВПО «Ивановская государственная медицинская академия Росздрава».

Положения, выносимые на защиту

1. У больных с артериовенозными мальформациями церебральная и системная гемодинамика испытывают последовательные фазовые изменения. По мере усиления артериовенозного шунтирования давление в сосудах мальформации сначала растет, а затем, после достижения максимума, постепенно снижается. Вместе с гемодинамическими сдвигами фазовые изменения претерпевает клиническая картина заболевания.

2. Гемодинамические расстройства являются основной причиной осложнений, возникающих при проведении плановых лечебных мероприятий по поводу мальформаций головного мозга, включая случаи неблагоприятных исходов.

3. Риск возникновения осложнений гемодинамического типа может быть характеризован биофизическими параметрами мальформации. Критерием риска наиболее тяжелых форм послеоперационных гемодинамических осложнений, при прочих равных условиях, является сумма радиусов афферентных артерий, пропорциональная напряжениям, возникающим в стенках питающих сосудов.

Апробация работы

Апробация диссертации состоялась 22 мая 2009 г. на заседании проблемной комиссии «Нейрохирургическое лечение сосудистой патологии головного мозга» ГУ «НИИ нейрохирургии им. акад. Н. Н. Бурденко» РАМН.

Основные материалы диссертации доложены на I Съезде нейрохирургов России (Екатеринбург, 1995), VII Конгрессе Балтийской нейрохирургической ассоциации (Вильнюс, 1997), XI Европейском конгрессе по нейрохирургии (Копенгаген, 1999), XII Мировом конгрессе по нейрохирургии (Сидней, 2001), III Съезде нейрохирургов России (Санкт-Петербург, 2002), XIV Мировом конгрессе по нейрохирургии (Бостон, 2009), итоговых научных конференциях НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко (1998, 2000, 2003).

По материалам исследования опубликовано 15 научных работ, включая рецензированную монографию, два изобретения и 4 статьи в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации для публикации основных научных результатов докторских диссертаций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, иллюстрирована 15 рисунками и 17 таблицами. Библиографический список включает 197 работ, из них 18 - отечественных и 179 - зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материалы и методы исследования

Основу теоретического анализа составили физические и биофизические закономерности: соотношение Пуазейля - Гагена, принцип минимальных энергетических потерь (Murray C.D., 1926), принцип ауторегуляции мозгового кровотока. Для оценки реологических эффектов, связанных с появлением артериовенозного шунта, использована двухфазная модель кровотока, построенная на основе уравнения Навье - Стокса. При изучении механизмов гемодинамических осложнений применена формула Лапласа, позволяющая оценивать изменения напряжений в сосудистой стенке.

Особенности гемодинамических изменений, установленные в ходе теоретического исследования, свидетельствовали о существенном влиянии на системное и мозговое кровообращение механизмов, возбуждаемых изменениями церебрального венозного давления. Справедливость этого предположения проверена экспериментальным путем.

Клинический материал был образован несколькими группами больных. Основную группу составили 273 больных с АВМ головного мозга (табл. 1). Группа была сформирована проспективно из больных, поступавших в хирургические отделения НИИ нейрохирургии в период с января 1996 г. по сентябрь 2002 г. В этой группе изучены анатомо-функциональные, возрастные и структурные особенности АВМ, проведен анализ результатов лечения. Часть больных этой же группы последовательно отбирались для изучения возрастных особенностей церебрального и системного артериального давления.

Интраоперационные измерения церебрального и системного артериального давления проведены у 27 больных, оперированных по поводу АВМ больших полушарий. В большинстве случаев давление измерялось дважды - до и после удаления мальформации. Контрольную группу составили 17 больных с другими, главным образом, опухолевыми заболеваниями, которые были оперированы в НИИ нейрохирургии в тот же период времени. Отбор больных в обеих группах проводился с учетом ряда жестких критериев, что было необходимо для устранения погрешностей измерений, а также исключения влияния на результат исследования сопутствующих заболеваний и патологических состояний.

Изучение вопросов патогенеза, клиники и прогноза гемодинамических осложнений проведено в крупной ретроспективной серии из 486 больных, оперированных в НИИ нейрохирургии в период с января 1980 г. по сентябрь 2002 г. Для оценки значимости признаков АВМ, характеризующих риск гемодинамических осложнений, использована контрольная группа, которую составили 20 больных с благоприятным течением операции и послеоперационного периода.

Более подробные сведения о больных, способах лечения и методах исследования приведены в соответствующих разделах работы, что сделано для сохранения их логической структуры и лучшего восприятия материала.

артериовенозный шунтирование мозг церебральный

Таблица 1. Общая характеристика 273 больных с 280 АВМ головного мозга

Демографические данные
	Средний возраст	23,9 ± 13,3
	Мужчины / Женщины	165 / 108
	Дети / Взрослые	85 / 188
Клинические проявления
Кровоизлияния из АВМ	231
	Однократные	165
	Рецидивирующие	66
Эпилепсия	30
Неврологический дефицит	6
Головная боль	3
Кровоизлияния из сочетанной аневризмы	4
АВМ, проявившиеся клинически	270
Супратенториальные	246
Полушарные	184
Глубинные	62
Кровоснабжаемые только «длинными» артериямиb	131
Кровоснабжаемые «короткими» артериямиc	115
Субтенториальные	24
Мозжечка	17
Ствола	7
Тип АВМ
Плексиформные	261
Фистульные	9
Бессимптомные АВМ	10
Множественная и сочетанная патология	N (М/Ж)
Множественные АВМ	6 (5/1)
Сочетание АВМ с аневризмой	14 (10/4)
Сочетание АВМ с ПТАd	1 (1/0)

a C учетом множественных АВМ

b «Длинные» артерии - артерии конвекситальных и медиальных отделов полушарий.

с «Короткие» артерии - перфорирующие, ворсинчатые, базальные и инсулярные.

d ПТА - персистирующая тригеминальная артерия

Фазовые изменения гемодинамики при артериовенозных мальформациях головного мозга.

Как правило, при изучении гемодинамики АВМ используется принцип Пуазейля - Гагена и гидродинамические эквиваленты законов Ома. Предполагается, что артериовенозный шунт вызывает снижение давления в афферентных артериях и повышение давления в дренирующих венах. Закономерным следствием шунтирования считаются обкрадывание мозгового кровотока и снижение регуляторных способностей резистивных сосудов мозга.

Несмотря на очевидные причинно-следственные связи, концепция гипотонии с расстройствами ауторегуляции не всегда находит клинические подтверждения. У значительного числа больных с АВМ ауторегуляторные механизмы остаются сохранными. Более того, сосудистая система мозга с артериовенозным шунтом может проявлять гиперактивность в ответ на фармакологические стимулы, что трудно объяснить исходя из концепции гипотонического состояния. Согласно результатам ряда исследований, существует возможность «обкрадывания» кровотока из самой АВМ в направлении функционально активных областей мозга.

Хорошо известно, что АВМ с высоким уровнем давления в афферентных артериях имеют более высокий риск кровоизлияния, при этом, как правило, сообщается о негативной зависимости уровня давления от размера АВМ. В этой связи кажутся парадоксом данные о том, что невысокий риск кровоизлияний имеют как большие, так и малые мальформации (Karlsson B. et al., 1997).

Из многочисленных наблюдений следует, что анатомические, гемодинамические и клинические свойства АВМ могут со временем меняться. Существенную роль при этом играют возрастные изменения сердечно-сосудистой системы, а также обратные влияния фистулы на системную гемодинамику.

Перечисленные факты свидетельствуют о том, что артериальное давление и другие гемодинамические параметры у больных с АВМ могут варьировать в широких пределах, а риск кровоизлияния - испытывать циклические изменения.

Несоответствие между теоретическими представлениями о функционировании АВМ и клиническими данными может быть устранено, если допустить, что гемодинамические характеристики АВМ, а вместе с ними и риск кровоизлияния, претерпевают последовательные фазовые изменения. Данный вопрос имеет принципиальное клиническое значение, поскольку именно риск кровоизлияния определяет стратегию лечения АВМ.

Приведенные ниже теоретические выкладки содержат сведения о том, как функционирует АВМ головного мозга, если за основу приняты не только гидродинамические, но также биофизические принципы. Для того чтобы сохранить целостное представление о предмете исследования и передать клиническое значение изучаемых вопросов, материал представлен достаточно подробно.

Рассмотрим небольшой участок сосудистой сети. Один из ее сегментов примем за афферентную артерию. Будем считать, что кровоток в афферентной артерии имеет постоянное напряжение сдвига. Отметим, что эта особенность соответствует реальным условиям функционирования сосудистой системы.

Напряжение сдвига представляет собой удельную силу трения, с которой движущаяся кровь действует на эндотелий сосудов. Величина напряжения сдвига определяется произведением вязкости крови на производную скорости течения вдоль перпендикулярного к потоку направления :

Для сосуда цилиндрической формы справедливо равенство:

,

где и - радиус и длина сосудистого сегмента, - градиент давления, приложенный к его концам. Левая часть равенства представляет собой силу, которая обеспечивает течение жидкости, правая - силу сопротивления, которая возникает в результате вязкого трения. Из формулы следует:

Приняв условие прилипания (условие равенства нулю скорости на стенках сосуда) и выполнив интегрирование скорости по площади поперечного сечения потока, получаем закон Пуазейля - Гагена:

где - объемная скорость кровотока. Выражая через , имеем также:

Несложно показать, что сосудистая система, адаптированная к единой величине напряжения сдвига, функционирует в условиях минимальных энергетических затрат и имеет минимально возможный для данных гемодинамических условий объем. Выполнение этого принципа означает также, что сосуды совершают деление пропорционально кубам их радиусов.

Преобразуем изучаемую сеть в соответствии с правилом Тевенина. Согласно этому правилу, любая электрическая или гидродинамическая цепь может быть сведена к двум элементам - источнику давления и источнику сопротивления. Применим к этой цепи закон Ома:

где - сопротивление афферентной артерии, - сопротивление окружающей сосудистой сети, и - объемная скорость кровотока и падение давления в этой сосудистой области. Для простоты будем сначала считать системное давление постоянной величиной.

Благодаря действию ауторегуляции кровоток в мозговой ткани поддерживается на постоянном уровне. В условиях постоянного кровотока и стабильного питающего давления сопротивление сосудистой сети может считаться постоянной величиной.

Используя формулы объемного кровотока и сопротивления сегмента артерии , получим:



где - интересующее нас церебральное давление, - системное артериальное давление, и - радиус и длина афферентной артерии, и - напряжение сдвига и вязкость крови соответственно.

Дифференцируя последнее выражение по и исследуя на экстремумы, находим, что церебральное давление имеет максимум. Соответствующие значения и равны

;

Итак, зависимость давления от калибра артерии представляет собой бимодальную функцию, имеющую максимум. Поскольку риск кровоизлияния из АВМ, а также риск возникновения симптомов ишемии мозговой ткани пропорциональны уровню внутрисосудистого давления, фазовые изменения давления одновременно указывают на возможность фазовых изменений клинической картины заболевания.

Для АВМ с несколькими афферентными артериями формулы примут вид:

;

;

где - число афферентных артерий. Отсюда следует, что с увеличением числа афферентных артерий АВМ (и соответственно ее размера) максимальное значение давления достигается при меньших значениях радиусов артерий. Само значение максимума давления при множественном кровоснабжении должно быть меньше. Делая циклические подстановки, получаем:

; и

Скорость изменения калибра сосудов, кровоснабжающих АВМ, может быть характеризована некоторой средней величиной. Основанием для этого суждения являются закономерности адаптации сосудистой системы к напряжению сдвига.

Как уже было отмечено, для любого сосуда справедливо равенство , где переменными величинами являются сила , создаваемая градиентом давления, радиус сосуда и его длина . Если рост тела прекратился, длину можно считать постоянной величиной.

Считать длину постоянной можно с известной долей условности. Даже после завершения процессов роста организма она может увеличиваться из-за усиления извитости сосудов. Очевидно, изменение длины кровеносного русла, а также любые другие изменения сердечно-сосудистой системы, связанные с индивидуальными особенностями развития и старения, могут оказывать существенное влияние на скорость изменений характеристик АВМ.

Суть процесса адаптации к напряжению сдвига состоит в поддержании сосудистым руслом такой анатомической формы, при которой уровень удельной силы трения, действующей на внутреннюю поверхность сосудов, остается постоянной величиной. Источниками внешних силовых воздействий, способных стимулировать изменение калибра отдельно взятого сосуда, могут быть изменения формы других сосудов и/или изменения системного давления. Уровень последнего определяется перфузионным давлением в области мозговых регуляторных центров, которое в свою очередь также зависит от анатомических особенностей сосудистого русла (см. также раздел о взаимодействии гемодинамических реакций). Это значит, что адаптация к напряжению сдвига является единым биологическим процессом, в основе которого лежат изменения линейных характеристик сосудистого русла. Очевидно, процесс роста (и «обратного роста») тканей, образующих сосудистую стенку, имеет некоторую среднюю скорость. Тогда должна существовать связь между временем адаптации и степенью изменения калибра сосудов.

Следовательно, величину радиуса афферентной артерии можно оценить как произведение средней скорости его изменений на время : и . С учетом этих соотношений могут быть преобразованы формулы, имеющие переменную . В частности, формула церебрального давления примет вид:

Время достижения максимума давления будет определяться выражением



Заметим, что понятие скорости применимо не только к естественному течению болезни, но и к изменениям, обусловленным лечебными мероприятиями. Например, определенную среднюю скорость может иметь процесс облитерации сосудов АВМ после лучевого воздействия.

Связь между давлением и временем функционирования АВМ позволяет отметить ряд особенностей ее течения. С увеличением числа афферентных артерий АВМ (и ее размера) сокращается период времени, в течение которого давление достигает максимума, при этом величина самого максимума уменьшается (рис. 1). Высокое сопротивление сосудистой сети, окружающей АВМ, также уменьшает период достижения максимального давления и его абсолютную величину. При большой длине афферентных артерий время достижения максимума увеличивается, а степень подъема давления уменьшается (рис. 2). Другими словами, наиболее значительный подъем давления следует ожидать при минимальном числе источников кровоснабжения, малом сопротивлении окружающей сосудистой сети и малой длине афферентных артерий. Наиболее быстро давление должно достигать максимальных значений при множественном кровоснабжении, большом сопротивлении сосудистой сети и малой длине афферентных артерий.

Поскольку клинические проявления АВМ зависят от уровня внутрисосудистого давления, перечисленные закономерности должны определять динамику течения болезни, и в том числе - возрастные особенности АВМ.

Для АВМ со значительным артериовенозным сбросом необходимо учесть изменения системной гемодинамики.

Действие фистулы на пассивную сосудистую систему легко оценить, используя гидродинамические эквиваленты законов Ома. Шунтирование должно приводить к усилению общего кровотока и пропорциональному снижению системного давления. Здесь также обнаруживается несоответствие клиническим и экспериментальным данным, которые свидетельствуют о том, что изменения системной гемодинамики могут иметь разнонаправленный характер.

Обычно артериовенозное шунтирование приводит к увеличению сердечного выброса и объема циркулирующей крови, при этом системное периферическое сопротивление, как сообщают литературные источники, может уменьшиться, оставаться нормальным и даже повыситься.

Функционирование фистулы может сопровождаться системной артериальной гипертензией. Повышенное давление чаще регистрируется при АВМ, которые проявились кровоизлияниями, реже - при АВМ без кровоизлияний. Среди больных, у которых кровоизлияний не было, гипертония выявляется реже, чем обычно встречается в популяции. Реакция системного давления имеет возрастные особенности, причем повышение давления отмечается в основном у больных молодого возраста.

Появление артериовенозного шунта приводит к изменению общего церебрального сосудистого сопротивления. Поскольку геометрия сосудистой системы мозга и АВМ подчиняется принципу постоянства напряжения сдвига, сопротивление мозга (вместе с АВМ) можно рассматривать как функцию тока через АВМ.

Эта зависимость выражается дифференциальным уравнением вида

где - сопротивление мозга с АВМ, шунтирующей ток крови , - коэффициент пропорциональности. Решение уравнения дает экспоненциальную зависимость

,

где - сосудистое сопротивление мозга без АВМ.

Теперь можно составить уравнение для системного давления:

где - суммарный кровоток через мозг и АВМ, - мозговой кровоток и- системное давление при отсутствии АВМ. Перейдя к относительным величинам, имеем



С учетом выражения для системного давления формула церебрального давления может быть преобразована к виду

Если АВМ кровоснабжается крупными афферентными артериями, последний член равенства можно опустить, а сопротивление сосудистой сети вблизи АВМ считать пропорциональным общему сопротивлению сосудов мозга, тогда

где - ток через интересующую афферентную артерию, - коэффициент, зависящий от ее расположения. Переходя к относительному давлению, находим

Изменения давления в афферентных артериях АВМ показаны на графике.

Клиническое значение, в том числе в связи с влиянием на риск кровоизлияния, может иметь мощность потока крови . Выражения мощности для отдельных афферентных артерий и АВМ в целом легко получить из приведенных выше формул давления и кровотока. Очевидно, все эти выражения, как и функции давления, будут иметь свойства бимодальных функций вида .

Риск кровоизлияния, определяемый мощностью потока крови, также должен представлять собой бимодальную функцию. В качестве примера приведем наиболее простой случай, когда АВМ имеет одну афферентную артерию, а связь между риском кровоизлияния и мощностью является прямо пропорциональной. Функция риска кровоизлияния может быть записана в виде

где - коэффициент пропорциональности. Если АВМ имеет несколько афферентных артерий, общий риск кровоизлияния может быть определен путем сложения рисков, соответствующих каждому источнику кровоснабжения. Заметим, что интегралы функций риска дают еще одну характеристику АВМ - вероятность кровоизлияния за определенный период.

Закономерности изменений системного давления позволяют оценить динамику общего периферического сопротивления. Представив общий объемный кровоток как сумму системного кровотока и кровотока через АВМ , имеем следующее выражение для общего периферического сопротивления:

Поскольку механизмы ауторегуляции действуют во всех органах и тканях, системный кровоток допустимо считать постоянной величиной. Тогда общее периферическое сопротивление можно рассматривать как функцию единственной переменной . Данная функция также является бимодальной, что объясняет как повышенный, так и пониженный уровень общего периферического сопротивления при артериовенозном шунтировании.

Таким образом, концепция фазовых гемодинамических изменений дает теоретическое обоснование ряду особенностей клинического и, что не менее важно, доклинического течения АВМ, а также помогает объяснить многочисленные патофизиологические феномены, о которых шла речь в начале данного раздела.

Вопросы, касающиеся изменений анатомических, гемодинамических и клинических свойств АВМ, приобретают особое значение в связи с возможностью возникновения АВМ в постэмбриональном периоде. Так называемые de novo АВМ начинают эволюционировать в условиях уже сформированных нервной и сердечно-сосудистой систем, поэтому любые изменения их характеристик сразу становятся доступны для клинического наблюдения и лечебного воздействия.

Реологические эффекты артериовенозного шунтирования.

Изучение механизмов регулирования кровотока при физиологических и патологических состояниях невозможно без понимания физических закономерностей движения крови.

Точно описать движение такой сложной среды, как кровь, в состав которой входят многочисленные клеточные элементы и высокомолекулярные соединения, практически невозможно. Поэтому при теоретическом изучении кровотока используют ряд допущений и упрощений. Согласно одному из таких допущений, кровь рассматривается как сплошная вязкая среда.

Для решения задач, связанных с движением сплошных вязких сред, используется уравнение Навье - Стокса. Один из вариантов записи этого уравнения имеет вид

,

где - скорость, - давление, - вязкость, - плотность среды. Движение жидкости должно также подчиняться принципу непрерывности и условию равенства нулю скорости на границе раздела сред. Для стационарного течения по трубе кругового сечения уравнения имеют точное решение, известное как закон Пуазейля - Гагена.

Закон Пуазейля - Гагена выполняется лишь в том случае, если инерционные эффекты, возникающие при движении жидкости, пренебрежимо малы. Такое течение еще называют ламинарным, ползущим или пуазейлевым. При появлении инерционных явлений поток теряет устойчивость и становится турбулентным. Устойчивость ламинарного течения характеризует число Рейнольдса (Re):

Одновременно эта величина отражает соотношение инерционных и вязкостных членов уравнения Навье - Стокса.

Многочисленными экспериментами установлено, что если число Re меньше 400, то течение устойчиво; если превышает 2000 - становится турбулентным. В условиях нормального циркуляторного состояния практически во всех участках сосудистого русла кровоток остается ламинарным.

Гемодинамические сдвиги, связанные с появлением турбулентных течений, отмечаются в основном при АВМ большого размера. Доказано, что для крупных сосудов, питающих АВМ, число Re может существенно превышать порог устойчивости ламинарного течения.

Переход к турбулентному течению характеризуется появлением нелинейных и периодических связей между давлением и кровотоком. Следствием этого являются относительное снижение скорости кровотока в сосудах АВМ, увеличение градиентов давления, а также шумы и вибрация. В результате воздействия турбулентного потока на сосудистую стенку могут возникнуть аневризмы, частота которых растет вместе с увеличением размера АВМ.

Гораздо меньше известно о реологических эффектах, которые должны иметь место на начальных этапах функционирования АВМ. С уменьшением калибра сосудов, по мере приближения к капиллярам, происходит падение внутрисосудистого гематокрита и вязкости крови (эффекты Фареуса и Фареуса - Линдквиста соответственно). Поскольку АВМ является дефектом дистальных отделов сосудистого русла, появление шунта должно сопровождаться обратными изменениями вязкости и гематокрита. Однозначно определить, каким образом изменятся гемодинамические характеристики сосудистого сегмента при увеличении его калибра, достаточно трудно: с одной стороны, рост вязкости крови должен повышать сопротивление, с другой - сопротивление должно падать за счет увеличения радиуса сосуда. Оценка гемодинамического эффекта, обусловленного этими изменениями, необходима для понимания закономерностей течения АВМ.

Многочисленные наблюдения за кровотоком в микроциркуляторном русле позволяют рассматривать кровь в дистальных отделах сосудистого дерева как двухфазную среду. Действительно, движение крови в мельчайших сосудах сопровождается ее разделением на две компоненты - жидкую и клеточную. Жидкая компонента представлена плазмой, занимающей периферические отделы сосуда. Клеточная компонента образована форменными элементами крови, главным образом эритроцитами, которые располагаются в центральной части сосуда. Поток имеет устойчивый характер и представляет собой перемещение центрального клеточного массива, окруженного коаксиальной оболочкой из плазмы. Причинами радиальной миграции эритроцитов являются инерционные эффекты, в том числе эффекты, связанные с пульсирующим характером кровотока. Очевидным фактором, способствующим формированию клеточного агрегата, являются силы межклеточного взаимодействия.

С учетом перечисленных особенностей движения крови построена двухкомпонентная модель кровотока. Уравнение движения жидкой компоненты найдено путем точного решения уравнения Навье - Стокса. Скорость движения клеточной фазы принималась постоянной, равной максимальной скорости течения. Соотношение объемных скоростей движения плазмы и клеточной компоненты определено из соображений максимальной эффективности потока в целом. Опуская выводы, приведем выражения основных гемодинамических параметров

и

Для сравнения, при однофазном потоке с постоянным напряжением сдвига, выражения тех же параметров имеют вид

и

где - сопротивление сосуда, имеющего радиус и длину , - объемный кровоток, - перепад давления на концах сосуда, и - вязкость плазмы и вязкость крови соответственно, - напряжение сдвига.

Анализ приводит к следующим заключениям:

1) Появление артериовенозного шунта сопровождается повышением давления. Используя приведенные выше формулы, легко показать, что при значениях вязкости крови и вязкости плазмы 4,5 и 1,5 единицы соответственно (взяты нормальные средние величины) сосуд оказывает двухкомпонентному потоку в 1,3 раза большее сопротивление. Из этого следует, что при возникновении шунтирования, главным образом на уровне мелких артерий и артериол, происходит уменьшение градиентов давления. Последнее означает, что вместе с усилением кровотока и увеличением калибра сосудов в фистуле и в близлежащем микрососудистом русле происходит повышение давления.

2) Важной особенностью двухкомпонентного потока является наличие дополнительной силовой составляющей, действующей вдоль продольной оси сосуда. Эта сила может быть важным фактором устойчивости потока, поскольку известно, что сосудистое русло, подчиняющееся только лишь принципу постоянного напряжения сдвига, нестабильно и имеет тенденцию к спонтанному образованию артериовенозных фистул. При усилении тканевого кровотока, а также в условиях низкого перфузионного давления, когда разделение крови на ее компоненты (т.н. сепарирование) становится менее выраженным, действие осевой силы ослабевает. Данный фактор может быть одной из причин нестабильности сосудистой сети и появления артериовенозной фистулы.

3) Двухкомпонентный поток по сравнению с обычным пуазейлевым течением имеет более высокую эффективность.

Взаимодействие гомеостатических реакций

Теоретический анализ гемодинамических сдвигов, вызванных церебральной АВМ, указал на бимодальные изменения артериального давления и других параметров кровообращения. Необходимым условием таких изменений должно быть взаимодействие церебральных и системных гомеостатических реакций, а именно - ауторегуляции мозгового кровотока и адаптации церебральных сосудов к напряжению сдвига с одной стороны и механизмов управления системной гемодинамикой - с другой.

Изменения гемодинамики, как показали теоретические модели, должны происходить в условиях положительной связи между системным и церебральным артериальным давлением. Такую закономерность трудно объяснить исходя из общепринятых концепций регулирования давления, которые, как известно, основаны на принципе отрицательной обратной связи. Именно так функционируют центральные механизмы регулирования давления, а также миогенные и метаболические механизмы управления локальной гемодинамикой. С учетом этих обстоятельств было высказано предположение, что существенную роль в обеспечении перфузионного гомеостаза должны играть реакции, связанные с изменениями церебрального венозного давления.

Задача данного этапа исследования состояла в том, чтобы оценить характер и взаимосвязь гемодинамических реакций, вызываемых изменениями церебрального венозного давления.

В исследовании приняли участие 16 добровольцев из числа здоровых лиц молодого и среднего возраста (8 мужчин и 8 женщин от 18 до 38 лет, в среднем - 27 лет). Изменения церебрального венозного давления были стимулированы путем дозированной компрессии шейных вен. Компрессия осуществлялась с помощью манжеты, соединенной с манометром. Давление в манжете повышалось до 20 мм рт. ст. и удерживалось на этом уровне в течение минуты. Необходимо отметить, что повышение давления, вызванное компрессией шейных вен, находилось в пределах физиологических колебаний церебрального венозного давления. Подобные изменения давления возникают во время обычных физических нагрузок, вовлекающих дыхательные мышцы и мышцы брюшного пресса. Клинические эксперименты, проведенные другими исследователями, свидетельствуют об удовлетворительной переносимости повышения венозного давления вплоть до 40 мм рт. ст.

Системная реакция на изменения церебрального венозного давления отслеживалась путем повторных измерений давления в плечевой артерии и частоты сердечных сокращений.

Локальная гемодинамическая реакция изучались путем регистрации изменений калибра сосудов микроциркуляторного русла конъюнктивы. Для этих целей использована щелевая лампа Carl Zeiss LSL 532 s (Германия), снабженная CCD-видеокамерой MSV 800 (Израиль). Размер поля обзора составил 1040 780 мкм, увеличение системы - около 60. Освещение производилось галогеновой лампой с голубым светофильтром.

Изучение реакций сосудистого русла произведено у 12 добровольцев из 16 (в 4 случаях исследование провести не удалось из-за плохой переносимости яркого света). У каждого из 12 испытуемых были записаны изменения сосудов от 1 до 5 полей конъюнктивы. Всего были исследованы 87 пар артериальных и венозных сегментов.

Объектом анализа были изменения систолического, диастолического, пульсового, среднего артериального, перфузионного давления и пульса, а также изменения радиусов артерий и вен в трех сериях измерений: до, во время и после компрессии.

Среднее артериальное давление рассчитывали по формуле Хикэма:

Pmean = Pmin + 1/3 Ppulse

где Pmean - среднее давление, Pmin - диастолическое (минимальное) давление и Ppulse - пульсовое давление, определяемое как разница между систолическим и диастолическим давлением. Перфузионное давление принимали равным разности между средним артериальным давлением и давлением в яремных венах. Уровень давления в яремных венах во время компрессии считали равным давлению в турникете (20 мм рт. ст.), вне компрессии - 0, что соответствует физиологической норме давления в венах шеи.

Статистический анализ проведен с помощью парного t-теста и регрессий. Результат считался значимым при p < 0,05.

Системная реакция. Повышение церебрального венозного давления, вызванное дозированной компрессией шейных вен, привело к подъему систолического, диастолического и среднего артериального давления, а также к увеличению частоты сердечных сокращений (рис. 4). После прекращения компрессии артериальное давление снизилось, причем все его характеристики (за исключением пульсового давления) достигли более низкого уровня, чем первоначальный. Частота сердечных сокращений уменьшилась. Перфузионное давление в условиях компрессии шейных вен становилось ниже, а после прекращения компрессии увеличилось, не достигнув, однако, исходных значений. Пульсовое давление в ходе исследования значимо не менялось.

Установлены следующие особенности системной реакции в ответ на изменения церебрального венозного давления: 1) положительная связь между артериальным и венозным давлением, 2) относительно низкий порог (по сравнению с реакцией на повышение внутричерепного давления), 3) способность действовать в области отрицательных величин венозного давления, 4) однонаправленные изменения артериального давления и пульса.

Локальная реакция. Гемодинамические изменения, инициированные компрессией шейных вен, сопровождались достоверными изменениями калибра сосудов микроциркуляторного русла. Подъем церебрального венозного давления вызывал увеличение радиусов как вен, так и артерий, снижение давления приводило к уменьшению радиусов сосудов.

Связь системной и локальной реакций. Одно из известных выражений напряжения сдвига имеет вид



где - напряжение сдвига, - градиент давления в рассматриваемом сосудистом сегменте, - его длина. Поскольку длина артерий и вен одинакова, справедливо равенство:

,

где и - градиенты давления в артерии и вене, и - их радиусы соответственно. Для того чтобы упростить дальнейшее изложение, назовем величину в скобках артериовенозной переменной.

Если реакции, возникающие в ответ на изменение венозного давления, действуют в направлении поддержания гомеостаза (поддержания транскапиллярного градиента давления), между артериовенозной переменной и перфузионным давлением должна существовать линейная связь. Эту связь легко показать, применив последнее выражение к дистальным отделам сосудистого русла:

В данном выражении - транскапиллярный градиент, - давление, питающее участок сосудистого русла, состоящий из артериолы, капилляров и венулы. Поскольку предполагается постоянной величиной, - константа, артериовенозная переменная должна иметь линейную связь как с давлением, питающим данный участок, так и с системным перфузионным давлением.

Анализ экспериментальных данных указал на достоверный характер связи между перфузионным давлением и средними величинами артериовенозной переменной (R = 0,42, p < 0,05, рис. 6). Свободный член регрессионного уравнения был значимым (p < 0,0005).

Проведенное исследование позволяет характеризовать церебральное венозное давление как физиологический параметр, определяющий функционирование важнейших гомеостатических механизмов. Изменения церебрального венозного давления, вызванные дозированной компрессией вен шеи, сопровождались реакциями системной гемодинамики и микрососудистого русла. Реакции были координированы и направлены на поддержание перфузионного гомеостаза.

Связь между перфузионным давлением и артериовенозной переменной (равной сумме обратных радиусов артерии и вены) получена исходя из условия постоянства напряжения сдвига в сосудистой системе. Поскольку артерии и вены имеют разные диаметры, должны отличаться и профили скорости движения крови.

Относительную стабильность напряжения сдвига в условиях изменяющегося профиля скорости можно объяснить реологическими эффектами кровотока в мелких сосудах (см. предыдущий раздел).

При стабильном уровне перфузионного давления каждому сечению сосудистого русла соответствует условие которое отвечает закону Лапласа.

Это значит, что в процесс регулирования кровотока и давления, помимо механизмов адаптации к напряжению сдвига, вовлечены механизмы, контролирующие напряжение сосудистой стенки. Известно, что сосудистое русло, адаптированное только лишь к напряжению сдвига, нестабильно. В условиях изменяющегося профиля скорости поддержание определенного, вероятнее всего, минимального уровня напряжения сосудистой стенки становится фактором стабильности сосудов.

Нашла подтверждение гипотеза о патогенетической связи аномалий венозной системы с АВМ головного мозга. Очевидно, нарушения формирования венозного русла, сопровождающиеся локальным повышением венозного давления, способны вызвать дилатацию сосудов микроциркуляторного русла. Увеличение калибра сосудов должно приводить к изменениям реологических свойств крови и, видимо, если подъем венозного давления превышает физиологические значения, - к снижению местных возможностей регулирования кровотока. При этом подъем артериального давления, обусловленный как местной, так и центральной реакцией на повышение венозного давления, становится дополнительным фактором, усиливающим нестабильность сосудов. Указанный каскад изменений, вызванных венозной гипертонией, способен привести к образованию артериовенозной фистулы.

Важно заметить, что повышение локального венозного давления, вызванное шунтированием, должно оказывать патологическое воздействие не только на саму фистулу, но и на окружающее ее сосудистое русло, способствуя тем самым расширению территории поражения.

Опираясь на экспериментальные данные и результаты представленного теоретического анализа, можно выделить факторы, способствующие образованию АВМ. Этими факторами являются рост венозного и/или артериального давления, а также недостаточность механизмов, контролирующих напряжение сосудистой стенки. Определенную роль, очевидно, могут играть и изменения реологических свойств крови. Вопрос о том, может ли АВМ возникнуть под действием каждого из перечисленных факторов в отдельности (и каковы в этом случае должны быть выраженность и продолжительность воздействия) или несколько факторов должны оказывать влияние одновременно, требует специального изучения.

Возрастные изменения артериального давления у больных с артериовенозными мальформациями головного мозга.

Риск внутричерепного кровоизлияния является главной характеристикой АВМ, определяющей подходы к ее лечению. Установлено, что риск кровоизлияния зависит от ряда анатомических и гемодинамических факторов: размера АВМ, ее локализации, анатомических особенностей афферентных артерий и дренирующих вен, уровня внутрисосудистого давления, наличия сочетанных аневризм и др. Известно также, что риск кровоизлияния может со временем меняться.

Изменению риска кровоизлияния могут способствовать локальные и системные гемодинамические сдвиги. К такому заключению легко прийти, если принять во внимание ряд известных фактов. Во-первых, с возрастом происходит значительное физиологическое увеличение кровяного давления, прирост которого в период от рождения до преклонного возраста может составить 100% и более. Поскольку АВМ кровоснабжается артериями, регуляторные способности которых ограничены, такое существенное изменение давления должно оказывать воздействие на течение АВМ. Во-вторых, существует обратное влияние АВМ на системную гемодинамику Изменения системного артериального давления, возникающие в связи с функционированием АВМ, также должны сказываться на ее клиническом течении. В-третьих, локальная гемодинамика, и в частности давление в афферентных артериях, зависит от размера АВМ. Поскольку размер может со временем меняться, следует ожидать соответствующих изменений гемодинамических и клинических характеристик мальформации.

Объяснение сложным взаимоотношениям основных анатомических, гемодинамических и клинических свойств АВМ дает концепция фазовых изменений гемодинамики. Согласно этой концепции, локальные и системные гемодинамические сдвиги (а вместе с ними - изменения анатомических и клинических характеристик АВМ) имеют закономерный взаимосвязанный характер.

С учетом перечисленных обстоятельств анализ возрастных особенностей гемодинамики, и в первую очередь - изменений системного и церебрального артериального давления, рассматривался как важный источник данных о функционировании мальформаций головного мозга.

Церебральное давление измерялось в корковых артериях больших полушарий, системное давление - в лучевых артериях.

Возраст больных с АВМ (n = 27) варьировал от 7 до 58 лет и составил в среднем 29 ± 15 года (здесь и далее указано среднее значение и стандартное отклонение). В группе было 16 пациентов мужского пола и 11 - женского, 6 детей и 21 взрослый. В 19 случаях первым клиническим проявлением АВМ были кровоизлияния, в 7 - приступы эпилепсии, в одном - фокальный неврологический дефицит. Мальформации имели размер от 2 до 5 см (3,3 ± 0,9 см).

...