Информационное обеспечение предоперационного прогнозирования состояния сосудов в системе "артериальные кровеносные сосуды"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Информационное обеспечение предоперационного прогнозирования состояния сосудов в системе «артериальные кровеносные сосуды»

Специальность: 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

кандидата технических наук

Кривохижина Оксана Владимировна

Санкт-Петербург - 2007

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Бегун П.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Коротков К.Г.

кандидат физико-математических наук, профессор Смольников Б.А.

Ведущая организация - ЦНИИ Робототехники и технической кибернетики

Защита диссертации состоится “07” ноября 2007 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан “ 04” октября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Юлдашев З.М.

компьютерный артерия геометрический кровеносный

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Данные Минздравмедпрома и Госкомстата Российской Федерации свидетельствуют о том, что среди причин смерти населения в последние годы первое место занимают болезни системы кровообращения (БСК). Наиболее распространенные заболевания кровеносных сосудов - атеросклероз и аневризмы. Атеросклероз является основным фактором, поражающим сосуды головного мозга, экстракраниальные сосуды, коронарные сосуды и сосуды других органов. В связи с этим, основными задачами в этой области являются ограничение и снижение заболеваемости, а при развитии патологии - проведение эффективного лечения.

На протяжении последних 10-15 лет артериальные аневризмы головного мозга стали объектом пристального внимания невропатологов и нейрохирургов многих стран мира. Это объясняется, прежде всего, тем, что артериальные аневризмы являются одной из наиболее частых причин опасных для жизни, нередко смертельных внутричерепных кровоизлияний, развивающихся обычно у физически здоровых людей молодого и среднего возраста.

Рентгенохирургия кровеносных сосудов - новой направление в медицине, сформировавшееся в последние три десятилетия. Один из эффективных путей снижения частоты осложнений при этих операциях - применение внутрисосудистых протезов-стентов.

В настоящее время в литературе отсутствуют исследования по биомеханическому взаимодействию дилатированных сосудов и стентов - это не позволяет прогнозировать результаты рентгенохирургических операций.

При выборе технологии интервенционной малоинвазивной операции врач не располагает необходимой для прогнозирования точного результата операции информацией о характеристиках элементов системы, их свойствах, диапазоне внешних воздействий на сосуды, при которых они сохраняют необходимые функции. Он может руководствоваться только предшествующим опытом и опираться на свою интуицию. Отсутствие необходимого информационного обеспечения объясняется тем фактом, что до настоящего времени у врачей не сложилось общего мнения о технологии проведения интервенционно-хирургических операций.

Таким образом, необходимо разработать методы предоперационного прогнозирования: 1) результатов коррекции стенозированных артерий в общем случае неравномерного профиля с криволинейными сегментами; 2) критического состояния аневризм.

Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и внедрения в клиническую практику биомеханического метода предоперационного прогнозирования состояния артериальных кровеносных сосудов до операции и в результате коррекции.

Объект исследования - биотехническая система «Артериальные кровеносные сосуды», позволяющая проводить предоперационное прогнозирование состояния кровеносных сосудов до операции и после нее.

Предмет исследования - информационное и методическое обеспечение биотехнической системы предоперационного прогнозирования состояния артериальных кровеносных сосудов до коррекции и в ее результате.

Цель работы: создание биомеханического метода предоперационного прогнозирования состояния артериальных сосудов до и в результате коррекции.

Задачи исследования. Для разработки такого метода необходимо решить следующие задачи:

1. Построить компьютерные модели дилатации стенозированных артерий в общем случае неравномерного профиля с криволинейными сегментами для исследования влияния их геометрических параметров и механических свойств на напряженно-деформированное состояние сосуда.

2. Построить компьютерные модели стентирования стенозированных артерий в общем случае неравномерного профиля с криволинейными сегментами для исследования влияния их геометрических параметров и механических свойств на напряженно-деформированное состояние биотехнической системы «стент-сосуд».

3. Построить компьютерные модели артериальных сосудов, пораженных аневризмой, и исследовать их напряженно-деформированное и критическое состояние в зависимости от геометрических параметров и механических свойств.

4. Информационное обеспечение биотехнической системы «Артериальные кровеносные сосуды», позволяющее прогнозировать критическое состояние аневризм и результаты эндоваскулярных рентгенохирургических операций при дилатации и стентировании кровеносных сосудов.

Методы исследования. В работе использованы следующие методы: методы компьютерного моделирования, механики твердого деформированного тела и теории оболочек.

Научная новизна результатов заключается в том, что:

1) предложенный алгоритм исследований напряжений и перемещений в стенках кровеносных сосудов и атеросклеротических бляшек позволяет строить для них компьютерные модели;

2) построенные компьютерные модели стентирования стенозированных артериальных кровеносных сосудов неравномерного профиля с криволинейными сегментами позволяют исследовать напряженно-деформированное состояние биотехнической системы «стент-сосуд»;

3) построенные компьютерные модели артериальных кровеносных сосудов с аневризматическими образованиями позволяют исследовать их напряженно-деформированное и критическое состояние в зависимости от геометрических параметров и механических свойств;

4) предложенный метод, построенный на основе биомеханического компьютерного моделирования и анализа состояния сосудов по данным клинических топографических, ангиографических и эхокардиографических исследований, позволяет прогнозировать критическое состояние аневризм и результаты эндоваскулярных рентгенохирургических операций при дилатации и стентировании артериальных сосудов.

Практическую ценность работы составляют:

1) методики исследования напряженно-деформированного состояния стенок артериальных кровеносных сосудов человеческого организма в норме, патологии и при хирургических операциях;

2) компьютерные модели для предоперационного прогнозирования результатов дилатации и стентирования стенозированных артериальных кровеносных сосудов в общем случае неравномерного профиля с криволинейными сегментами и бляшками разной степени развития и определения критического состояния аневризм;

3) информационное обеспечение биотехнической системы «Артериальные кровеносные сосуды», позволяющее прогнозировать критическое состояние аневризм и результаты эндоваскулярных рентгенохирургических операций при дилатации и стентировании артериальных кровеносных сосудов.

Внедрение результатов. Результаты работы внедрены: 1) в клиническую практику, что позволило повысить точность прогнозирования результатов эндоваскулярных операций и определения критического состояния аневризм; 2) в учебный процесс: лабораторная работа «Компьютерное моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния в кровеносных сосудах» в разделе методического пособия «Содержательные модели и моделирование конструкций» авторов Бегуна П.И., Кривохижиной О.В., Лебедевой Е.А., Смирновой М.Ю. и подтверждаются актами о внедрении.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на 9 всероссийских и международных научных и научно-технических конференциях, в том числе: 59-ая научно - техническая конференция, посвященная Дню радио. (СПб-2004); Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Биомедсистемы-2004 (Рязань-2004); всероссийская научно-техническая конференция «Наука - Производство - Технологии - Экология» (Киров-2005); «Юбилейная 60-я Научно-техническая конференция, посвященная 110-летию изобретению радио» (СПб-2005); «IV научно-практическая конференция. Планирование и обеспечение подготовки кадров для промышленно-экономического комплекса региона» (СПб-2005); «V международный симпозиум «Электороника в медицине, мониторинг, диагностика, терапия» (СПб-2006)»; VIII всероссийская конференция по биомеханике «Биомеханика-2006» (Н.Новгород-2006); VII международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии - ФРЭМЭ-2006» (Владимир-2006); Политехнический симпозиум «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» (СПб- 2006); Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям «SCM'2007» (СПб-июнь 2007).

Научные положения, выносимые на защиту:

1) алгоритм исследований напряжений и перемещений в стенках кровеносных сосудов и атеросклеротических бляшках, позволяющий строить для них компьютерные модели;

2) компьютерные модели стентирования стенозированных артериальных кровеносных сосудов неравномерного профиля с криволинейными сегментами, позволяющие исследовать напряженно-деформированное состояние биотехнической системы «стент-сосуд»;

3) компьютерные модели артериальных кровеносных сосудов с аневризматическими образованиями, позволяющие исследовать их напряженно-деформированное и критическое состояние в зависимости от геометрических параметров и механических свойств;

4) алгоритм проведения исследований, позволяющий прогнозировать критическое состояние аневризм и результаты эндоваскулярных рентгенохирургических операций при дилатации и стентировании артериальных сосудов;

5) состав и функции основных компонентов системы информационного предоперационного прогнозирования состояния артериальных кровеносных сосудов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из них - 4 статьи (3 статьи, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК), 5 работ - в трудах и материалах научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 42 наименования. Основная часть работы изложена на 106 страницах машинописного текста. Работа содержит 210 рисунков и 5 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследования, определены цели и задачи работы, объект и предмет исследования, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния исследований артериальных кровеносных сосудов в норме, патологии и во время хирургических операций и выявлены проблемы предоперационного прогнозирования результатов хирургических операций на артериальных кровеносных сосудах.

Широкий диапазон возможных методов коррекции патологий делает актуальной проблему создания методики выбора путей рационального хирургического воздействия. Во всех принципиальных направлениях рассмотренных проблем: медицинских, технических и фундаментальных - неотъемлемой частью является моделирование артериальных кровеносных сосудов на основе биомеханики. Проведенный анализ показывает, что ранее построенные модели артериальных кровеносных сосудов имеют общие несовершенства: без обоснования вводятся упрощенные формы, не учитывается неоднородность и нелинейность механических характеристик стенок сосудов и их начальные напряжения, также не учитываются патологические процессы, протекающие в органах, которые значительно изменяют механические свойства тканей.

Существующий комплекс методов исследования не дает адекватного диагностического обеспечения для кардиохирургии. Недостатком является отсутствие системы предоперационного прогнозирования результатов рентгенохирургических операций на артериальных сосудах и определения критического состояния аневризм. Следовательно, невозможно обоснованно осуществить выбор технологии проведения операции, обеспечить минимальную травматичность стенок сосуда и минимальный риск возникновения рецидива.

Во второй главе рассмотрены биомеханические основы компьютерного моделирования состояния патологически измененных артериальных кровеносных сосудов до и после коррекции.

При использовании единичных экспериментальных исследований (M.J. Thubrikar) неоднородности, ортотропии и гиперупругости на различных участках стенок артериальных сосудов (рис. 1 - 3) проведен анализ влияния этих характеристик на напряженно-деформированное состояние в кровеносных сосудах.

Построены две модели аневризмы булавовидной формы (рис.1). В первой модели введены допущения: 1) материал аневризмы однородный, изотропный; 2) модуль нормальной упругости постоянный Е=4,66 МПа; 3) коэффициент Пуассона н =0,49; 4) внутреннее давление систолическое р =120 мм рт.ст.; 5) аневризма жестко закреплена в верхнем конце; у нижнего конца запрещены радиальные перемещения. Во второй модели, в отличие от первой, учитываются усредненные гиперупругие свойства материала передней (1), задней (2) и боковой (3) частей стенки аневризмы (рис.1, б). При вычислении в программе COSMOSWorks, модели аневризмы разбиты соответственно на 50 и 70 тысяч тетраэдальных конечных элементов. Проведены вычисления при увеличении гидростатического давления от 0 до 120 мм рт.ст. с шагом 20 мм рт.ст. На рис.1,в,г приведены эпюры, характеризующие прибавление напряжений при увеличении гидростатического давления от 100 до 120 мм рт.ст.

Построены две модели сегмента аорты (рис.2). В первой модели введены допущения: 1) материал дуги аорты однородный, сплошной, гиперупругий, изотропный; 2) входной конец аорты жестко фиксирован, на выходном конце нет радиальных перемещений. Вторая содержательная модель отличается от первой в пункте 1: материал стенки аорты ортотропный (окружной и продольный модули упругости заданы в соответствии с рис.2,б).

Принята пошаговая нагрузка от 0 до 120 мм рт.ст. (шаг 20 мм рт.ст.). За исходные геометрические размеры сегмента аорты приняты размеры, полученные по данным эксперимента, проведенного при давлении 40 мм рт.ст. При вычислении в программе COSMOSWorks модели дуги аорты разбиты на 60 тысяч конечных элементов. На рис.2,в,г приведены эпюры, характеризующие прибавление напряжений для сегмента дуги аорты по первой (в) и второй (г) моделям, при увеличении гидростатического давления от 100 до 120 мм рт.ст.

Экстремальное значение результирующего напряжения по Мизесу 1,079 МПа. Разница в результатах вычислений по первой и второй моделям 6%. В реальном диапазоне давлений ортотропия стенки аорты незначительно влияет на НДС.

аб

вг

Рис. 1. Геометрическая схема аневризмы (а), механические свойства (б) и эпюры, характеризующие прибавление напряжений при увеличении гидростатического давления от 100 до 120 мм рт.ст

аб

вг

Рис.2. Геометрическая схема аорты (а); зависимости модулей упругости стенки аорты от гидростатического давления: 1-продольный модуль упругости, 2- осредненный изотропный модуль упругости, 3 - окружной модуль упругости (б); эпюры, характеризующие прибавление напряжений при увеличении гидростатического давления от 20 до 120 мм рт.ст. по первой модели (в), по второй модели (г)

При построении моделей подвздошной артерии (рис.3,а) выполнены следующие условия: 1) за исходные геометрические параметры взяты их величины, полученные в результате измерений, при давлении 80 мм рт.ст.; 2) углы перехода от основной к выходящей артерии сглажены; 3) в местах перехода от основной артерии к выходящей толщина увеличена в два раза; 4) вычисления проведены при давлении 40 мм рт.ст. соответствующем разнице давлений в систолу и диастолу; 5) сегмент жестко закреплен на конце первого участка, концы второго и четвертого участков свободные. Одновременный учет гиперупругих и ортотропных свойств (рис.3, в) в модели приводит к существенным различиям при вычислении напряжений по сравнению с моделью, построенной при допущении изотропной гиперупругости стенки сосуда (рис.3, б).

аб

вг

Рис.3. Геометрическая схема (а) и зависимости осредненного (б), окружного -1 и продольного -2 модулей упругости от гидростатического давления (в) и эпюры прибавлений напряжений в подвздошной артерии в диапазоне от 120 до 140 мм рт.ст.

Модель рассчитана по шагам от 20 до 140 мм рт.ст. Прибавления напряжений в диапазоне от 120 до 140 мм рт.ст. при вычислении по модели, учитывающей одновременно гиперупругие и ортотропные свойства, приведены на рис.3,г. Экстремальное значение результирующего напряжения по Мизесу 0,214 МПа. Результаты этих вычислений расходятся с результатами вычислений по модели, построенной при допущении изотропной гиперупругости стенки сосуда, на 51 % (0,44 МПа).

На рис.4 приведена геометрическая схема модели матричного стента. При построении моделей для исследования напряженно-деформированного состояния в стентах, развертываемых дилатирующим баллоном, введены следующие допущения: 1) материал стента однородный и изотропный; 2) начальные напряжения в стенте отсутствуют; 3) поверхностная нагрузка распределена равномерно; 4) стент деформируется баллоном in vitro. Для достижения необходимой точности, при минимальных затратах времени на вычисления напряжений и перемещений в структурах стента, целесообразно задавать разбиение на 20 тысяч конечных элементов.

На рис.5,а,б представлены эпюры перемещений и напряжений стента с размерами: а=0,3 мм, b = 0,22 мм, L_ст=8,03 мм, h_ст = 0,1 мм, диаметр баллона D=0,8 мм, давление в баллоне р=0,6МПа, модуль нормальной упругости стента Е_ст=2?10¹¹ Па, коэффициент Пуассона н=0,28.

При дилатации стент испытывает упругие и пластические деформации. По напряженному состоянию стента определяются величина и характер деформации (диаграмма условных напряжений стали 316L приведена на рис.6, б). Величина упругого относительного удлинения определяет последействие стента.

На рис.6,в представлены зависимости перемещений (1) стента (рис.6,а) в сравнении с результатами других авторов (2) от внешнего сжимающего давления со следующими параметрами стента: а=0,3 мм, b =0,22; c=1,7 мм; е =7,84 мм; d= 0,14 мм, f =0,22 мм, D_СТ =1,37 мм, h_СТ=0,1мм.



Рис.4. Схема геометрической модели матричного стента

Выполнено построение содержательных и компьютерных моделей баллонного стентирования при коррекции артерии. При построении модели стентирования стенозированных артериальных кровеносных сосудов (геометрическая схема приведена на рис.7,а) приняты следующие допущения: а) для стенозированной артерии: 1) материалы стенок сосуда и бляшек однородные, изотропные, с конструктивными модулями упругости , и конструктивными коэффициентами Пуассона , ; 2) неосесимметричная бляшка ранней стадии развития находится на поверхности интимы и не проникает в медию; 3) сосуд жестко защемлен по торцам на расстоянии 5L_б от торца бляшки (решение по Сен-Венану); б) для стента (рис.4): 1) материал стента однородный и изотропный; 2) начальные напряжения в стенте отсутствуют; 3) поверхностная нагрузка при дилатации распределяется равномерно по внутренней поверхности стента.

Алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния при стентировании сосудов имеет следующие особенности:

1. Для выделения зоны сохранения сосудом функциональных упругих свойств, стенка сосуда разбита на 10 концентрических слоев равной толщины.

аб

Рис.5. Эпюры перемещений (б) и напряжений (в) стента

а

б в

Рис.6. Схема геометрической модели матричного стента (а), диаграмма условных напряжений материала стента (б), зависимости перемещения стента от внешнего сжимающего давления р: 1- вычисления в программе COSMOSWorks, 2- вычисления, проведенные другими авторами (F. Etave et all)

Упругие свойства сохраняют слои, удаленные от оси кровеносного сосуда дальше слоя, в котором возникающие напряжения по Мизесу у?[у]_ф, [у]_ф - допускаемые физиологические напряжения. 2. Подбирается давление баллона таким образом, чтобы радиальное перемещение стента равнялось (R_с·1,05) по рекомендациям эндоваскулярных хирургов. 3. При дилатации стент испытывает упругие и пластические деформации. По напряженному состоянию стента определяются величина и характер деформации (рис.6,б). Величина упругого относительного удлинения определяет последействие стента. 4. Проводится анализ напряженного состояния в каждом из 10-ти слоев сосуда и определяется, на каком слое напряжение не превышает допустимого физиологического. 5. В программе SolidWorks сосуд перестраивается заново таким образом, чтобы можно было приложить нагрузку к внутренней стенке первого из слоев, сохранивших упругие свойства. 6. Определяется давление, при котором слой, сохранивший свои упругие свойства, лишается напряженного состояния. Это то усилие, с которым стенка сосуда действует на стент. 7. Суммарное упругое последействие стента складывается из упругого последействия самого стента и перемещения стента, вызванного упругостью дилатированного сосуда.

аб

Рис.7. Схема геометрической модели стентирования стенозированного сосуда (а) и геометрическая схема расположения неосесимметричной бляшки: R_бл- внутренний радиус неосесимметричной бляшки, R_с-радиус сосуда, е - эксцентриситет бляшки (б)

При проведении вычислений используется метод конечных элементов. Модель разбита на 200 тысяч тетраэдальных конечных элементов.

В работе произведено сопоставление результатов вычислений с клиническими данными. При стентировании внутренней сонной артерии с осесимметричной бляшкой (длина сегмента L_сос=30 мм, L_бл=4,3 мм, D_сос=6 мм, D_отв=2,58 мм, h_ст=1,53 мм), давление в баллоне р =1,6 МПа. После стентирования - диаметр отверстия 3,96 мм. В результате проведенных вычислений по разработанному алгоритму, диаметр стентированного отверстия 5,26 мм, (упругое последействие стента 0,52 мм). Погрешность расчета 32,8 %.

Содержательная модель мешотчатой аневризмы построена при следующих допущениях: 1) материал аневризмы однородный, изотропный; 2) стенка аневризмы однослойная, с конструктивным модулем упругости и конструктивным коэффициентом Пуассона ; 3) аневризма находится на изогнутом сегменте однослойного сосуда с однородными изотропными свойствами материала стенки: конструктивный модуль нормальной упругости сосуда , коэффициент Пуассона ; 4) протяженность сегмента сосуда в 10 раз превышает наибольший линейный размер основания аневризмы . На рис. 8 приведены эпюры напряжений и перемещений для сегмента сосуда с мешотчатой аневризмой при следующих геометрических и механических параметрах: = 100мм, = 7 мм, = 1,6 мм, =20мм, =5мм, =2мм, =0,85МПа, =2,2МПа, Др=1,6?10⁴ Па (Др - разность между давлением в систолу и диастолу). Экстремальное значение напряжения в аневризме по Мизесу =6,028· 10⁵ Па, допускаемое напряжение [] =6·10⁵ Па, следовательно, аневризма находится в критическом состоянии.

абв

Рис.8. Геометрическая схема содержательной модели сосуда с мешковидной аневризмой: , - длина и диаметр сегмента сосуда, - толщина стенки сосуда, - наибольший линейный размер основания аневризмы, - высота аневризмы, - толщина стенки аневризмы, R - радиус кривизны сосуда (а); эпюры напряжений (б) и перемещений (в)

В третьей главе проведены исследования и получены зависимости напряженно-деформированного состояния (типа рис.9) от механических свойств и геометрических параметров биологических объектов: 1) при дилатации коронарных артерий, внутренних сонных артерий и аорты; 2) при стентировании коронарных артерий, внутренних сонных артерий и аорты; 3) в сонных внутренних артериях с аневризматическими образованиями.

а б

в г

Рис.9. Зависимости экстремальных напряжений (а,б) и перемещений (в,г) при дилатации прямых (а,в) и криволинейных (б,г) сегментов внутренних сонных артерий с неосесимметричным расположением бляшки от радиуса бляшки (модули нормальной упругости Е: 1-2,55 МПа; 2-1,7 МПа; 3-0,85 МПа; 4-0,425 МПа; 5-0,28 МПа)

1. Исследования дилатации внутренних сонных артерий:

При изменении модуля нормальной упругости бляшки в диапазоне от 0,28 до 2,55 МПа напряжение увеличивается в 1,1 раза в прямом сосуде и в 1,2 раза в криволинейном, а перемещение уменьшается в 9 раз в прямом и в 5,2 раза - в криволинейном.

При увеличении стенозированного отверстия в диапазоне от 0,87мм до 3мм, при модулях упругости от 0,85 МПа и до 2,25 МПа, напряжение увеличивается соответственно от 1,05 до 1,6 раза в прямом сосуде, от 1,05 до 1,8 раза- в криволинейном; перемещение увеличивается от 3,5 до 7 раза в прямом сосуде и от 6,6 до 13 раз - в криволинейном.

При увеличении длины бляшки в диапазоне от 5мм до 30мм, при модулях упругости от 0,85 до 2,25 МПа, напряжение увеличивается от 1,05 до 1,1 раза в прямом сосуде и от 1,05 до 1,2 раза - в криволинейном; перемещение в прямом сосуде существенно не изменяется, а в криволинейном - уменьшается от 1,3 до 1,01 раза.

2. Исследования стентирования коронарных артерий, внутренних сонных артерий и аорты:

При увеличении радиуса бляшки в дилатируемой внутренней сонной артерии от 0,4 до 1 мм, при толщине стента от 0,1 до 0,17 мм, перемещение стента, вызываемое: 1) упругим последействием кровеносного сосуда - уменьшается соответственно от 1,38 до 1,6 раза; 2) упругим последействием самого стента - уменьшается от 1,61 до 1,56 раза; 3) упругим последействием кровеносного сосуда и самого стента после дилатации - уменьшается от 1,42 до 1,47 раза.

При увеличении радиуса бляшки в дилатируемой коронарной артерии от 0,7 до 2 мм, при толщине стента от 0,1 до 0,17 мм, перемещение стента, вызываемое: 1) упругим последействием кровеносного сосуда - уменьшается соответственно от 2 до 2,1 раза; 2) упругим последействием самого стента - уменьшается от 2,1 до 2,08 раза; 3) упругим последействием кровеносного сосуда и самого стента после дилатации уменьшается от 1,2 до 1,7 раза.

При увеличении радиуса бляшки в дилатируемой аорте от 2,5 до 9 мм, при толщине стента от 0,1 до 0,17 мм, перемещения стента вызваемое: 1) упругим последействием кровеносного сосуда- уменьшается соответственно от 4,1 до 4,8 раза; 2) упругим радиальным перемещением самого стента - уменьшается от 3,5 до 3,3 раза; 3) упругим последействием кровеносного сосуда и самого стента после дилатации уменьшается от 3,7 до 5,6 раза.

3. Исследование внутренних сонных артерий с аневризматическими образованиями:

При изменении модуля упругости аневризмы в диапазоне от 0,28 МПа до 2,55 МПа напряжение увеличивается в 2 раза, перемещение уменьшается в 2 раза. Критическое состояние аневризмы не выявлено.

При изменении высоты аневризмы от 5 мм до 8 мм напряжение увеличивается в 1,5 раза, а перемещение увеличивается в 1,7 раза. При модулях упругости аневризмы Е_а=0,28 МПа, Е_а=0,425 МПа, Е_а=0,85 МПа напряжение не превышает опасного. При модулях упругости Е_а=1,70 2,55 МПа, при высоте аневризмы от 6,5мм и выше, возникает опасное напряжение.

При изменении толщины стенки аневризмы от 0,9 мм до 2 мм напряжение уменьшается в 1,4 раза, а перемещение уменьшается 1,5 раза. При модулях упругости Е_ан=0,28 - 0,85 МПа напряжение не превышает опасного. Однако, при модулях упругости Е_ан >1,7 МПа, при толщине стенки меньше 1,5мм возникает опасное напряжение.

В четвертой главе рассмотрены вопросы создания и практического применения системы предоперационного прогнозирования состояния артериальных кровеносных сосудов. Предложена структура аппаратно-программного комплекса информационного обеспечения состояния артериальных кровеносных сосудов (рис. 10).

Составной биомеханической частью нового информационного обеспечения являются таблицы, содержащие сведения о механических свойствах биологических структур в норме и патологии, компьютерные модели артериальных кровеносных сосудов, программа SolidWorks, программа для расчета напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов COSMOSWorks, алгоритмы проведения исследований состояния артериальных кровеносных сосудов и предоперационного прогнозирования результатов операций при использовании системы предоперационного прогнозирования.

В системе информационной поддержки предоперационного прогнозирования состояния сосудов при дилатации, врач на ангиограммах отмечает курсором необходимые геометрические параметры в сегментах сосудов с патологическими образованиями. Величины геометрических параметров автоматически определяются в системе «ангиостар». Информация о представленных к коррекции структурах передается в систему предоперационного прогнозирования. По базе данных механических свойств задаются свойства исследуемого объекта в соответствии с введенными клиническими данными пациента. Выбирается модель сегмента стенозированного кровеносного сосуда и проводится анализ напряженно-деформированного состояния. Подбирается такое давление, при котором размеры дилатируемого отверстия находятся в пределах установленных клинической практикой.

Результаты прогноза состояния сосуда при разных давлениях выводятся на печатающее устройство или на накопитель информации.

Проведены сопоставления результатов предоперационной диагностики интервенционных эндоваскулярных хирургических операций на артериальных кровеносных сосудах с результатами операций, проведенных в ГМПБ №2 и в 122 Медсанчасти г. Санкт-Петербурга при баллонной дилатации и стентировании артериальных кровеносных сосудов.

На рис.11 приведены ангиограммы правой коронарной артерии до дилатации и после установки стента. При анализе заданы следующие геометрические и механические свойства: длина сегмента коронарной артерии L_сос=30 мм, длина бляшки L_бл=4,5 мм, внутренний диаметр сосуда D_сос=3,8 мм, диаметр стенозированного отверстия D_отв=2,38 мм, толщина стенки сосуда h_ст=1 мм, модуль нормальной упругости сосуда Е_сос=2,1 МПа, модуль нормальной упругости бляшки Е_бл=1,9 МПа, бляшка осесимметричная. При стентировании давление в баллоне р=2,5 МПа. После стентирования диаметр отверстия 2,8 мм. В результате проведенных вычислений (рис.11) по разработанному алгоритму, диаметр стентированного отверстия 3,65 мм (упругое последействие стента 0,08 мм). Погрешность предоперационной диагностики составляет 30,4% .

Рис.10. Схема взаимодействия основных компонентов системы предоперационного прогнозирования состояния структур

абв

Рис.11. Ангиографическое изображение сегмента стенозированной правой коронарной артерии больного (63 года) до дилатации (а), после установки стента (давление в баллоне 2,5 МПа) и эпюра перемещений стентированного сосуда

С доверительной вероятностью р=0,9 погрешность прогнозируемых размеров дилатируемого отверстия по проведенным исследованиям составила 34,4 %.

Основные результаты работы

1. Построены компьютерные модели дилатации стенозированных артерий в общем случае неравномерного профиля с криволинейными сегментами и проведены исследования влияния их геометрических параметров и механических свойств на напряженно-деформированное состояние сосуда.

2. Построены компьютерные модели стентирования артерий в общем случае неравномерного профиля с криволинейными сегментами и исследованы влияния их геометрических параметров и механических свойств стенозированных сосудов на напряженно-деформированное состояние биотехнической системы «стент-сосуд».

3. Построены компьютерные модели артериальных сосудов, пораженных аневризмой, и исследованы зависимости от их геомеричексих параметров и механических свойств.

4. Разработан метод, позволяющий прогнозировать критическое состояние аневризм и результаты эндоваскулярных рентгенохирургических операций при дилатации и стентировании артериальных кровеносных сосудов.

Заключение

На основании комплексных клинических исследований решена актуальная проблема: создано информационное обеспечение, позволяющее проводить предоперационное прогнозирование состояния артериальных кровеносных сосудов и, как следствие, влиять на исход рентгенохирургических операций. Достоверность полученных результатов подтверждена согласованностью с клиническими данными и с результатами других авторов.

Публикации по теме диссертации

1. Кривохижина, О.В. Определение критического состояния истинных мешотчатых аневризм в криволинейной внутренней сонной артерии /О.В. Кривохижина // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета). Сер. «Биотехнические системы в медицине и экологии». 2005. - №1. - С.51-52

2. Кривохижина, О.В. Компьютерное моделирование и исследование развития аневризм в дегенеративно-измененной стенке кровеносного сосуда и определение критического состояния аневризмы мозговой артерии /П.И. Бегун, О.В. Кривохижина // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета). Сер. «Биотехнические системы в медицине и экологии». 2005.-№2. - С.79-82

3. Кривохижина, О.В. Блок «Биомеханика» в биотехнических системах медицинского назначения для предоперационной диагностики рентгенохирургических операций на сосудах организма /О.В. Кривохижина // Юбилейная 60-я Научно-техническая конференция, посвященная 110-летию изобретению радио: материалы конф. СПбГЭТУ «ЛЭТИ».- СПб, апрель 2005 г. - С.-Петербург, 2005. - С.208-209

4. Кривохижина, О.В. Компьютерное моделирование и исследование напряжений и перемещений в истинных мешотчатых аневризмах /П.И. Бегун, О.В. Кривохижина// Вестн. Северо-западного регионального отделения АМТН. 2005. - №8. - С.370-375

5. Кривохижина, О.В. Компьютерное моделирование и биомеханический анализ критического состояния коррекции структур сосудистой системы /П.И. Бегун, О.В. Кривохижина, В.К. Сухов// Информационно-управляющие системы. Сер. Управление в медицине и биологии. 2005. - № 6. - С.51-56

6. Кривохижина, О.В. Моделирование дилатации стенозированных кровеносных сосудов /О.В. Кривохижина// Биомеханика-2006: материалы VIII Всеросс. конф. по биомеханике. Нижний Новгород, май 2006 г. - С.51-52

7. Кривохижина, О.В. Компьютерное моделирование и анализ пригодности стентов для реконструкции стенозированного сосудистого русла /О.В. Кривохижина// Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета). Сер. «Биотехнические системы в медицине и экологии» 2006.-№1. - С.43-45

8. Кривохижина, О.В. Диагностика поведения патологически-измененных сосудов при хирургических операциях /О.В. Кривохижина// Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии - ФРЭМЭ 2006: матер. VII междунар. научн.-техн. конф. - Владимир, август 2006 г. - С.62-64

9. Кривохижина, О.В. Биомеханический анализ результатов реконструкции артериальных сосудов с бляшками разной степенью развития и аневризм различной формы /О.В. Кривохижина// Молодые ученые - промышленности северо-западного региона: матер. Политехнического симпозиума. СПб, сентябрь 2006 г. - С.82-83

Размещено на Allbest.ru

...