Анализ гемодинамики желудочков сердца при наличии постинфарктной аневризмы межжелудочковой перегородки

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России

Анализ гемодинамики желудочков сердца при наличии постинфарктной аневризмы межжелудочковой перегородки

А.А. Голядкина, А.В. Полиенко, Л.Р. Хайдарова,

Е.А. Номеровская, К.М. Морозов

aagramakova@mail.ru

Аннотация

Исследование направлено на изучение вопросов возникновения, формирования и хирургического лечения постинфарктных аневризм левого желудочка сердца человека. На основе данных компьютерной томографии построены модели желудочков сердца. С использованием трехмерного конечно-элементного моделирования проведен анализ гемодинамики с учетом напряженно-деформированного состояния стенок желудочков сердца при наличии постинфарктной аневризмы межжелудочковой перегородки.

постинфарктный аневризма томография трехмерный

Введение

Среди многочисленных причин патологических состояний миокарда (сердечной мышцы) первое место занимает ишемическая болезнь сердца, которая, в свою очередь, может приводить к инфаркту миокарда. Нередко (в 10-34% случаев) инфаркт миокарда осложняется развитием постинфарктной аневризмы [1, 2]. В подавляющем большинстве случаев аневризма сердца образуется в стенке его левого желудочка (ЛЖ). Формирование аневризмы связанно с выраженным изменением геометрии ЛЖ, увеличением его объемов, массы миокарда, нарушением насосной функции. Аневризма в большинстве случаев развивается после обширного инфаркта миокарда, сопровождающегося некрозом мышечной ткани и замещением ее рубцовой. Особо выделяют аневризму межжелудочковой перегородки, при которой происходят важные гемодинамические изменения не только в ЛЖ, но и в правом желудочке (ПЖ) сердца, поскольку его полость частично заполняет выпирающая в него аневризма. В большинстве случаев данная патология требует незамедлительной хирургической коррекции с реконструкций ЛЖ, а также реваскуляции миокарда [3, 4].

1. Материалы и методы

Построение моделей желудочков сердца осуществлялось по данным компьютерной томографии с использованием программного пакета 3D Slicer и системы автоматизированного проектирования SolidWorks. Данные компьютерной томографии были предоставлены Клиникой аортальной и сердечно-сосудистой хирургии ГБОУ ВПО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России». В результате были построены модели желудочков сердца человека и соответствующие им объемы крови (рис. 1).

Рис. 1 Этапы построения моделей желудочков сердца человека

Численный эксперимент был проведен в расчетном комплексе Ansys Multiphysics, который позволяет решать широкий класс задач механики сплошной среды, используя метод конечных элементов. В качестве граничных условий предполагалось, что узлы, принадлежащие элементам зоны клапанного аппарата, жестко закреплены, т.е. наложено ограничение по степеням свободы. На стенке желудочков ставилось условие равенства скоростей частиц жидкости, прилегающих к соответствующим частицам стенки. Кровь предполагалась однородной, несжимаемой и ньютоновской жидкостью с заданными плотностью кг/м3 и динамической вязкостью Па•с. Материал стенок предполагался нелинейным гиперупругим. Был проведен анализ моделей материала стенки, соответствующей графикам зависимости напряжение-деформация, полученных в процессе натурных экспериментов. В результате при численном эксперименте нами была использована 3-х параметрическая модель Mooney-Rivlin, с определенными константами Па, Па, Па. Граничные и начальные условия были наложены исходя из клинической картины и были определены с использованием данных магнито-резонансной и компьютерной томографий и ультразвукового исследования.

Численный анализ моделей желудочков проведен по фазам сердечного цикла (СЦ). При анализе диастолической фазы СЦ на внутренние поверхности ЛЖ и ПЖ было наложено давление. При проведении численного анализа систолической фазы СЦ на внешнюю поверхность моделей желудочков были наложены перемещения, а на жидкость, на выходе в сосуды, задавалось давление функцией по времени.

2. Результаты

Были рассмотрены три модели желудочков сердца: в норме, при ишемии и наличии постинфарктной аневризмы межжелудочковой перегородки. Результаты конечно-элементного моделирования желудочков сердца были проанализированы с точки зрения определения влияния гемодинамических усилий на образование и разрыв постинфарктных аневризм. Стоит отметить, что при планировании хирургического лечения практикующих специалистов интересует анализ кровотока, и поэтому особое внимание было уделено оценке конечно-диастолического объема и фракции выброса желудочков сердца при различных патологических состояниях межжелудочковой перегородки. Фракции выброса (ФВ) желудочков сердца показывает, какая часть конечно-диастолического объема крови выбрасывается из желудочков во время систолы в аорту. Расчет фракции выброса осуществляется по формуле:

,

где УО - ударный объем (количество крови, выбрасываемой желудочком в аорту при каждом сокращении), КДО - конечно-диастолический объем крови.

При ишемии межжелудочковой перегородки не выявлены явные гемодинамические изменения по сравнению с нормой, поскольку давление со стороны правого желудочка компенсирует давление потока в ЛЖ. Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что минимальные значения эквивалентных напряжений наблюдаются в зоне ишемии, высокие - на границе патологической зоны с миокардом в норме.

В модели желудочков сердца при наличии диффузной аневризмы межжелудочковой перегородки высокие значения модуля вектора перемещения и эквивалентных напряжений стенки достигаются на границе образования аневризмы, что может привести к увеличению ее объема и изменению формы. При рассмотрении модели с мешковидной аневризмой наблюдается истончение стенки в устьи аневризмы, что может приводить, по медицинской статистике, к разрыву стенки в данной области [1, 4]. Выявлено, увеличение конечно-диастолического объема ЛЖ, и прямо пропорциональное уменьшение данного показателя в ПЖ, поскольку его полость частично заполнила выпирающая в него аневризма. Фракция выброса желудочков не превосходит 60% от нормы для ПЖ, и 57% для ЛЖ. График зависимости изменения объема крови, изгоняемого ЛЖ в аорту, при наличии аневризматического мешка межжедудочковой перегородки в сравнении с нормой, представлен на рисунке 2.

Рис. 2 График изменения объема крови, изгоняемой ЛЖ в аорту, в норме (--) и при наличии аневризматического мешка МЖП диффузного (--) и мешковидного (--) типов

Верификация биомеханических моделей проведена на основе сопоставления с клинической картиной. Проведено сравнение данных практической хирургии значений фракции выброса с результатами конечно-элементного анализа моделей желудочков сердца. Выявлено, что погрешность составляет не более 10%. Данные погрешности обусловлены введенными упрощениями в моделях и физиологическими особенностями организма, которые пока невозможно внести в виртуальную модель.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №14-01-31383-мол_а.

Литература

1. Бокерия Л.А. Ишемическое ремоделирование левого желудочка (методологические аспекты, вопросы диагностики и лечения) // М.: Изд-во НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН, 2002, 152 с.

2. Бокерия Л.А. Хирургическое лечение постинфарктной аневризмы сердца: прошлое, настоящее и будущее // Анналы хирургии, 2002, №3, с. 23-31.

3. Белов Ю.В. Хирургическое ремоделирование левого желудочка при постинфарктных аневризмах // Грудная и сердечно-сосудистая хирургия, 2000, № 3, с. 68-72.

4. Белов Ю.В. Постинфарктное ремоделирование левого желудочка. От концепции к хирургическому лечению // М.: ДеНово, 2002, 194с.

Размещено на Allbest.ru