Введение

Тромбоз глубоких вен нижних конечностей представляет собой распространенное заболевание, приводящее к серьезным последствиям, включающим тромбоэмболию легочной артерии, посттромботическую болезнь, хроническую венозную недостаточность [1—3]. В современных условиях, характеризующихся растущей для каждого индивида вероятностью оказаться под действием факторов риска, таких как гиподинамия, ожирение, хирургические вмешательства и травмы, проблема тромбозов приобретает особую значимость [4—6].

Моделирование и оценка влияния тромбоза на венозную гемодинамику играют важную роль в изучении механизмов, способствующих развитию хронических нарушений венозного оттока [7—10]. Исследования в данной сфере могут способствовать созданию более эффективных методов диагностики и лечения, а также разработке профилактических мер, направленных на снижение заболеваемости и повышение качества жизни пациентов.

Применение современных технологий моделирования, включая компьютерную (КТ) и магнитно-резонансную томографию (МРТ), гидродинамическое моделирование, способствует более точной оценке изменений кровотока. Это создает новые возможности для индивидуализированного подхода к лечению и реабилитации пациентов с заболеваниями венозной системы [11—13]. Исследование и оценка влияния тромбоза глубоких вен на венозную гемодинамику не только представляет собой значимую научную задачу, но и имеет важное практическое значение, способствуя улучшению клинических результатов и повышению качества медицинской помощи.

Цель исследования — изучить влияние тромбоза нижней полой вены (НПВ) на параметры кровотока с использованием конечно-элементного моделирования на основе данных ультразвукового исследования.

Материал и методы

Для исследования гемодинамических изменений при окклюзиях была применена методика компьютерного моделирования в среде SolidWorks Flow Simulation (Dassault Systemes, Франция). Выбор инструмента был обусловлен его способностью решать задачи гидродинамики в условиях сложной геометрии, включая трехмерную реконструкцию венозного русла на основе данных КТ и МРТ, анализ ламинарного и турбулентного режимов течения крови с учетом реологических параметров (вязкость, плотность), визуализацию зон стаза, градиентов давления и касательных напряжений на стенках сосудов при разных вариантах стеноза (50—100%).

Объектом исследования стала венозная система нижних конечностей при тромбозе НПВ. Методика компьютерного моделирования позволила создать трехмерные модели глубоких и подкожных вен нижних конечностей на основе клинических и инструментальных данных, полученных при обследовании пациентки, перенесшей острый подвздошно-бедренный тромбоз. Использовали результаты оценки состояния венозной системы нижних конечностей с помощью КТ-ангиографии и исследования на магнитно-резонансном томографе в отделении Центра МРТ-диагностики «Магнесия» (Тюмень). Интерпретацию сосудистых снимков, проводили с помощью программы Micro Dicom.

Для выполнения исследования планировали создать детализированную 3D-модель сосудов нижних конечностей в среде SolidWorks, смоделировать разные варианты окклюзии тромботическими массами в НПВ при сужении 30%, 50% и 80% от просвета и исследовать их влияние на изменение линейной скорости и линий тока крови, провести сравнительный анализ изменений скорости и характера движения крови при вариациях просвета НПВ.

Геометрическую модель сосуда строили в программе SolidWorks на основе данных инструментального обследования пациентки. В полученной геометрический модели проводили исследование движения потока жидкости в венозном русле с помощью модуля SolidWorks Flow Simulation. Алгоритм моделирования гемодинамики в SolidWorks Flow Simulation был следующим:

1. Создавали файл исследования в программе SolidWorks Flow Simulation с помощью специальной команды Flow Simulation Project Wizard/Create New и присваивали ему имя Project_1.

2. Проводили настройку параметров симуляции для Project_1. Выбирали систему единиц SI (m-kg-s) для согласования с биомедицинскими стандартами. Использовали анализ Internal (моделирование потока внутри замкнутой геометрической структуры — венозного русла). Для оптимизации вычислительных ресурсов при использовании вычислительного алгоритма исключали нерелевантные полости с помощью активации параметра Exclude cavities without flow condition.

3. Вводили параметры реологических свойств крови с помощью команды Fluids/Non-Newtonian Liquids. В качестве рабочей среды для моделирования выбирали модель потока Blood.

4. По завершении настройки параметров система Flow Simulation автоматически формировала конфигурацию проекта со всеми заданными параметрами исследования и необходимыми данными для проведения анализа.

При моделировании гемодинамики: а) использовали кровь в качестве текучей среды; б) поверхность, контактирующую с текучей средой, считали «идеально изолированной» — взаимодействие частиц крови со стенкой не учитывали в анализе; в) поскольку геометрические параметры модели были получены по данным КТ-ангиографии, форма и размеры модели сосудов соответствовали состоянию вен пациентки в момент проведения исследования, без учета колебаний диаметров вены и ее сечения при дыхании, в одном статическом положении — лежа; г) скорость кровотока в НПВ считали равной 23,4±1,3 см/с [14].

Результаты

Результат моделирования кровотока в вене со свободным просветом представлен на рис. 1 в виде изображения траекторий потока. Траектории потока представляют собой цветные линии, визуализирующие изменение скорости в разных частях моделируемого потока, движущегося по венозному руслу. Цвет линии соответствует численному значению скорости (м/с), сами значения скоростей приведены на шкале слева. Такая визуализация позволяет оценить не только изменения скорости потока, но и картину поведения потока — в каких зонах он завихряется, ускоряется или замедляется. Аналогично можно проанализировать и зоны высокого или низкого давления. Для разных параметров (скорости, давления) строили отдельные визуализации траекторий с последовательной нумерацией (Траектории потока 1).

Рис. 1. Скорость потока крови в нижней полой вене со свободным просветом.

Результаты исследования скорости и поведения потока при сужении 30%, 50% и 80% от просвета в НПВ представлены на рис. 2—4. Исследование указанных параметров при прогрессирующем сужении НПВ (30%, 50% и 80% от просвета) выявило закономерные изменения в характеристиках кровотока. Анализ данных показал, что существует прямая корреляция между сужением просвета вены и выраженностью гемодинамических нарушений. Даже при сужении 30% от сосудистого просвета наблюдали изменения в системе кровотока, что свидетельствует о высокой чувствительности венозной гемодинамики к структурным изменениям сосуда.

Рис. 2. Скорость потока крови при стенозе 30% от просвета.

Рис. 3. Скорость потока крови при стенозе 50% от просвета.

Рис. 4. Скорость потока крови при стенозе 80% от просвета.

Последовательное увеличение процента стеноза приводило к прогрессирующему ухудшению показателей кровотока. Особенно значимым является то, что при сужении до 80% от просвета скорость кровотока снижалась более чем в 2 раза по сравнению с показателями при стенозе 30% от просвета.

При анализе полученных данных было выявлено, что гемодинамическая значимость сужения просвета имеет прямую корреляцию с процентом окклюзии. При стенозе в диапазоне 50—70% от просвета наблюдали значительное снижение скорости кровотока с формированием зон турбулентности и повышением сопротивления. Умеренные изменения скорости и характера движения кровотока регистрировали при сужении просвета до 30% от нормального диаметра. Таким образом, можно предположить, что сужение более 70% от исходного диаметра просвета повышает риск развития полной окклюзии сосуда за счет снижения скорости и появления зон турбулентности, которые еще сильнее ухудшают движение крови по руслу.

Следующим этапом было проведение исследования напряженно-деформированного состояния стенки вены с тремя вариантами сужения просвета и выполнение сравнительного анализа результатов по построенным графическим зависимостям. Для исследования напряженно-деформированного состояния стенки оценивали два параметра — напряжение в стенке и перемещение стенки. Напряжение в стенке позволяет оценить, насколько сильно материал стенки нагружается внутренними силами при воздействии внешней силы, а перемещение позволяет выявить, насколько стенка смещается относительно своего исходного положения. Оценка этих параметров вместе позволяет проанализировать, насколько стенка деформируется и велика ли вероятность ее разрушения (при достижении предельной прочности).

На рис. 5—8 представлены результаты исследования напряженно-деформированного состояния НПВ при частичной окклюзии с разным процентом сужения просвета. Расчеты напряжений и перемещений проводили на построенной ранее геометрической модели вен пациентки. Результаты расчета представлены в виде трехмерных эпюр — распределений напряжений в модели, рассчитанных по формуле Мизеса (эквивалентных, не зависящих от положения модели в пространстве), и распределений перемещений в модели (результирующее перемещение). Числа на шкале соотносятся с определенным цветом, которым обозначены зоны соответствующих значений напряжений (шкала von Mises, МПа) и значений перемещений (шкала URES, мм).

Рис. 5. Напряжение (а) и перемещение (б) в нижней полой вене при сужении 30% от просвета.

Рис. 6. Напряжение (а) и перемещение (б) в нижней полой вене при сужении 50% от просвета.

Рис. 7. Напряжение (а) и перемещение (б) в нижней полой вене при сужении 80% от просвета.

Рис. 8. Зависимость напряжений в нижней полой вене от сужения просвета.

При увеличении стеноза с 30% до 80% от просвета НПВ были зафиксированы следующие изменения механических параметров: напряжения возросли на 15%, перемещения — на 8%. Количественные значения данных параметров представлены на рис. 8, 9.

Рис. 9. Зависимость перемещений в нижней полой вене от сужения просвета.

Наиболее выраженные изменения наблюдали при сужении 80% от просвета НПВ. При увеличении длины окклюзии с 10 мм до 20 мм происходило значительное повышение давления, оказывающее влияние на всю протяженность ответвлений венозного русла. Скорость кровотока существенно возрастала, что создавало турбулентность кровотока на всей протяженности после зоны окклюзии. Турбулентность кровяного потока представлена на рис. 10.

Рис. 10. Турбулентность кровотока в нижней полой вене при сужении 80% от просвета.

Обсуждение

Наблюдаемое увеличение механических напряжений и перемещений при сужении с 30% до 80% просвета НПВ свидетельствует об ухудшении функциональных характеристик венозной системы. Рост напряжений может указывать на повышенную нагрузку на стенки сосуда, особенно в зонах около стеноза. Это, в свою очередь, может приводить к необратимой деформации стенки с изменением ее структуры на фоне изменения геометрии и эластичности стенок вен, усиления сопротивления кровотоку.

Полученные изменения подчеркивают зависимость механических свойств системы от геометрии просвета, иными словами, измененная с точки зрения механических свойств стенка вены в отличие от нормальной стенки в ответ на воздействие будет вести себя по-другому.

Турбулентные завихрения оказывают комплексное негативное воздействие на сосудистую систему. Они создают дополнительное гидродинамическое давление на сосудистую стенку, вызывают сдвиговые напряжения, повреждающие эндотелий, нарушают нормальное распределение кровотока и снижают эффективность оксигенации тканей. Этот каскад изменений повышает риск развития ишемических и тромбоэмболических осложнений.

Стенотическое поражение НПВ разной степени выраженности является патологией, существенно влияющей на гемодинамику венозного кровотока. По результатам проведенного исследования установлено, что разные варианты стеноза оказывают существенное влияние на гемодинамику НПВ. Обструкция сосудистого просвета вызывает повышение гидродинамического сопротивления, сопровождающееся увеличением давления в системе НПВ. Такое повышение давления оказывает негативное влияние на коллатеральные сосуды и ответвления НПВ.

При достижении сужения 80% и более от просвета наблюдается переход ламинарного кровотока в турбулентный. Характерно, что непосредственно после прохождения места сужения поток сохраняет ламинарное ядро с максимальной исходной скоростью кровотока, которое впоследствии разрушается под воздействием увеличивающихся турбулентных завихрений.

Полученные данные подчеркивают необходимость своевременной диагностики стенотических поражений НПВ, регулярного мониторинга гемодинамических показателей и проведения профилактических мероприятий для предотвращения повторного тромбообразования.

Заключение

Сужение просвета НПВ и протяженность сужения просвета оказывают совокупное влияние на гемодинамические параметры, приводя к нарастанию давления в зонах с резким изменением размеров поперечного сечения русла, увеличению скорости кровотока в зоне стеноза и появлению зон турбулентности потока разной степени выраженности из-за изменения геометрии русла. Тромботическое поражение НПВ вызывает последовательный каскад гемодинамических нарушений, начиная от локального повышения давления и заканчивая формированием турбулентного кровотока.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Комарова Л.Н., Тихоненкова О.В.

Сбор и обработка материала — Тихоненкова О.В., Николаева Е.А., Сафронова А.А.

Написание текста — Комарова Л.Н.

Редактирование — Комарова Л.Н.,

Тихоненкова О.В.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.