Введение
Приобретенный порок аортального клапана (АК) является одним из самых частых заболеваний сердечно-сосудистой системы, особенно у пациентов старше 75 лет. R.L.J. Osnabrugge и соавт. [1] оценили количество пациентов со стенозом АК в Европе и Северной Америке в 4,9 и 2,7 млн соответственно. Пятилетняя выживаемость неоперированных пациентов с аортальным стенозом средней степени тяжести составляет только 52,3%, тогда как для тяжелого стеноза этот процент выше [2].
Большую популярность к настоящему времени приобрела транскатетерная имплантация протеза АК (TAVI), которая, например, в США выполняется в 2 раза чаще протезирования АК [3]. Тем не менее, открытая операция остается золотым стандартом у больных моложе 60 лет, причем имплантация биологического протеза у пациентов молодого и среднего возраста может быть эффективной и безопасной [4]. Неоспоримым преимуществом биологического протеза является отсутствие необходимости пожизненного приема антикоагулянтных препаратов.
В настоящее время завоевала признание методика неокуспидизации АК, то есть протезирования створок клапана по отдельности. Наиболее популярным является способ, представленный S. Ozaki и соавт. [5]. Технология подразумевает имплантацию в позицию АК трех неостворок из ауто- или ксеноперикарда большого размера, выбранных на основе интраоперационного измерения межкомиссурального расстояния каждой створки. Несмотря на хорошую замыкательную функцию, крупный размер неостворок может привести как минимум к двум нежелательным явлениям: повышение риска тромбоза неостворки [6, 7] и возможное перекрытие устья венечной артерии [8, 9].
В настоящее время математическое моделирование нашло применение в разных областях сердечно-сосудистой хирургии, широкое распространение получает технология прогнозирования результата TAVI [10]. Оптимизация неокуспидизации АК также входит в сферу интересов математического моделирования [11, 12].
Первым этапом разработки алгоритма оптимизации методики неокуспидизации АК является создание математической модели закрытого аортального неоклапана и доказательство ее эффективности (валидизация).
В настоящей работе продемонстрировано сравнение результата математического моделирования замыкательной функции аортального неоклапана с результатом, полученным в натурном эксперименте.
Материал и методы
Исследование проведено мультидисциплинарной командой, состоящей из специалистов в области вычислительной математики, биомеханики и сердечно-сосудистой хирургии.
1. Натурный эксперимент
Объектом исследования являлось сердце домашней свиньи (Sus scrofa domesticus) породы Ландрас массой 200 кг. Сердце извлечено на скотобойне в соответствии с Информационно-техническим справочником по наилучшим доступным технологиям ИТС 43—2017 [13] в составе органокомплекса органов грудной полости. Далее в лаборатории сердце с проксимальными участками крупных сосудов отделено от окружающих органов и тканей, восходящая часть аорты пересечена тотчас проксимальнее устья первой ветви дуги аорты, венечные артерии лигированы на расстоянии около 2 см от устьев.
Лоскут париетального перикарда очищен от фрагментов париетальной плевры, жировой ткани и обработан по методике, предложенной J.W. Love и соавт. [14] и рекомендованной S. Ozaki [5]. В растянутом положении перикард в течение 10 мин замочен в 0,625% растворе глутаральдегида, далее отмыт трижды 0,9% физиологическим раствором хлорида натрия по 6 мин со сменой раствора.
Для построения 3D модели корня аорты (КА) свиного сердца выполнена мультиспиральная компьютерная томография (МСКТ) с контрастным усилением КА с закрытым АК и давлением внутри, имитирующим нормальное диастолическое давление. С целью сохранения постоянного давления во время всего исследования КА герметизирован: попарно сшиты свободные края соседних створок АК непрерывным обвивным швом полипропиленовой нитью 7-0, на дистальный край восходящей части аорты наложен зажим из пластика, чтобы избежать формирования артефакта на КТ-изображении.
Для заполнения КА и контроля гидростатического давления изготовлено устройство, состоящее из последовательно соединенных полипропиленового шприца Original-Perfusor Syringe объемом 50 мл, трехходового крана с тремя коннекторами, удлинителя-магистрали с двумя коннекторами и иглы 19G. К боковому коннектору трехходового крана подсоединена трубка с коннектором на конце. Четыре последние детали взяты из набора Pleura Puncture Set. К свободному концу трубки подсоединен манометр для тонометров CS-105 и CS-106. Игла помещена между рабочими поверхностями зажима, контрастный препарат Йомерон 400, разбавленный до концентрации 20 мг/мл, нагнетали в просвет КА до гидростатического давления в 80—90 мм рт.ст., игла извлечена (рис. 1).
Рис. 1. Заполнение корня аорты контрастным веществом.
На аппарате GE Revolution EVO Gen 3 выполнено сканирование свиного сердца с наполненным контрастным препаратом КА с напряжением трубки 80 кВт, толщиной спирали 0,625 мм, временем вращения 0,4 с. После контроля качества МСКТ изображений (рис. 2) контрастный препарат удален из КА.
Рис. 2. 3D МСКТ корня аорты свиньи.
По методике, подробно описанной S. Ozaki и соавт. [5], выполнена неокуспидизация АК. После иссечения нативных створок измерено межкомиссуральное расстояние для каждой из них с помощью измерителей OZAKI VRec sizer. Из предварительно обработанного париетального перикарда выкроены три неостворки, вычерченные с помощью шаблона OZAKI VRecS, номер которых соответствует межкомиссуральным расстояниям. Неостворка высечена с дополнительными «крыльями», то есть свободный край дополнительно расширен на 2 мм с каждой стороны.
Последовательно к линии прикрепления в КА пришиты левая коронарная, некоронарная и правая коронарная створки полипропиленовой нитью 5-0, сформированы три неокомиссуры. Визуально оценен результат неокуспидизации АК (рис. 3).
Рис. 3. Конечный вид сформированного неоклапана.
Замыкательную функцию неоклапана оценивали в положении створок, приближенном к диастолическому закрытию. Для этого КА герметизирован: дополнительно сформирован второй ряд обвивного шва на линии прикрепления неостворок полипропиленовой нитью 7-0, свободные края неостворок сшиты попарно между собой, восходящая часть аорты пережата пластиковым зажимом. Просвет КА с помощью вышеописанного устройства был заполнен раствором пищевого желатина, приготовленного на водяной бане из сухого вещества, растворенного в воде, с массовой долей желатина 16,7%. Учитывая более высокую вязкость раствора, контроль гидростатического давления выполняли не в реальном времени, а дискретно после порционного нагнетания раствора желатина путем открытия и закрытия трехходовым краном магистрали к манометру. По достижении давления 80—90 мм рт.ст. иглу извлекали. Далее на 10 мин сердце помещали в морозильную камеру при температуре –18 °C для быстрой фиксации раствора желатина. Далее КА отпрепарован, визуализированы желудочковые поверхности неостворок (рис. 5, а на цв. вклейке), маркером отмечены проксимальные границы зон коаптации соседних неостворок.
Рис. 5. Аортальный клапан после неокуспидизации в закрытом положении.
а — вентрикулярная поверхность неостворок, б—г — 3D изображение квазистатического положения закрытого аортального клапана.
Далее в зону контакта всех трех створок помещен тонкий деревянный стержень, доведен до верхней границы зоны коаптации. Через низшие точки линий прикрепления неостворок по направлению к деревянному стержню проведены три металлические булавки так, чтобы они целиком лежали в плоскости, проведенной через эти точки. Расстояние от точки на пересечении данной плоскости и стержня до верхнего конца стержня является средней эффективной высотой неостворок. Расстояние от вышеописанной плоскости до нижней точки тела неостворки является глубиной биллоуинга (провисания) створки.
Далее неостворки поочередно отсечены, расправлены, сфотографированы рядом с калиброванной измерительной лентой для дальнейшего морфометрического исследования (рис. 6).
Рис. 6. Развертки неостворок с проксимальной границей зоны коаптации.
Верхний ряд — результат численного эксперимента, нижний ряд — результат натурного эксперимента (ЛКС — левая коронарная створка, ПКС — правая коронарная створка, НКС — некоронарная створка).
2. Численный эксперимент
Первым этапом выполнена сегментация МСКТ изображения КА и выводного тракта левого желудочка (ЛЖ). Учитывая, что полость ЛЖ на изображении заполнена воздухом, с помощью инструмента Convert3D Medical Image Processing Tool в программе ITK-SNAP [15] рентгеновская плотность вокселей в полости ЛЖ трансформирована в плотность, соответствующую контрастированному КА. Для этого в области контрастированного КА выбрана стартовая точка с плотностью более 200 HU. Далее в окрестности стартовой точки выбрана связанная область с плотностью от минус 2000 до минус 300 HU. Вокруг этой области создана и сглажена маска, включающая полости КА и ЛЖ, и плотность вокселей в полости ЛЖ инвертирована в среднем с минус 950 до 1050 HU.
Сегментация полученной гомогенной области выполнена с помощью метода levelset [16], начиная от выбранной ранее стартовой точки. Сегментирована область с порогом плотности в 200 HU, что позволило игнорировать створки АК и включить в сегментируемую область начальные участки венечных артерий. Далее сегментация уточнена с помощью метода levelset с порогом плотности 600 HU, участки венечных артерий усечены. С помощью библиотеки CGAL (Computational Geometry Algorithms Library) [17] построена неструктурированная треугольная сетка поверхности просегментированной области с заданным шагом в 0,5 мм.
Вторым этапом выполнено моделирование неостворок в мембранном приближении, то есть без учета сопротивления изгибающим нагрузкам, методом узловых сил для гиперэластического материала (HNF — hyperelastic nodal force), за который принят обработанный перикард, описываемый неогуковской моделью с модулем сдвига, равным 1000 МПа, и толщиной 0,2 мм.
В программе MeshLab (https://www.meshlab.net/) на поверхности построенной треугольной сетки вручную размечена линия пришивания неостворок с учетом особенностей анатомии и техники пришивания (рис. 4).
Рис. 4. Отмеченная на сетке корня аорты линия пришивания неостворок.
Для моделирования закрытого неоклапана разработан оригинальный алгоритм и написан программный код. Первым этапом внутрь области, ограниченной треугольной сеткой, введены три неостворки, размер которых соответствует пришитым в ходе натурного эксперимента. Линия пришивного края неостворки сопоставлена с соответствующей линией пришивания, размеченной на сетке КА. На тело неостворки со стороны аорты приложено диастолическое давление.
Далее решалась статическая задача нелинейной упругости методом верхней релаксации, при этом в ходе 106 итераций координаты точек каждой неостворки под действием давления в 90 мм рт.ст., оказываемого на ее аортальную поверхность, смещались на небольшое расстояние до достижения ими квазистатического равновесия, то есть до закрытия АК (рис. 5, б—г).
Третьим этапом выполнена постобработка данных, конечным результатом которой стали проксимальные границы зон коаптации на развертках трех неостворок, изображение которых конвертировано в графический файл (рис. 6).
3. Параметры замыкательной функции неоклапана
Для оценки замыкательной функции неоклапана измерены следующие параметры:
1. Центральная длина коаптации неостворок.
2. Максимальная длина коаптации слева и справа от центра и средняя боковая длина коаптации неостворок.
3. Площадь зоны коаптации каждой неостворки и суммарная площадь зон коаптации.
4. Эффективная высота неостворок.
5. Глубина провисания неостворок.
Данные параметры в натурном эксперименте, а также длины и площади зон коаптации в численном эксперименте измеряли с помощью морфометрического приложения ImageJ (https://imagej.nih.gov/ij/). Эффективную высоту и глубину провисания в численном эксперименте рассчитывали автоматически по результатам моделирования.
Результаты
Измеренные в ходе натурного эксперимента межкомиссуральные расстояния соответствовали шаблонам под номерами 31, 29 и 29 для левой коронарной, правой коронарной и некоронарной створок, соответственно.
Параметры замыкательной функции неоклапана, измеренные в натурном эксперименте и рассчитанные в численном эксперименте, представлены в таблице.
Параметры замыкательной функции неоклапана, измеренные в натурном эксперименте и рассчитанные в численном эксперименте
| Параметр | Створка | Натурный эксперимент | Численный эксперимент |
| Центральная длина коаптации, мм | Левая коронарная створка | 10,7 | 11,1 |
| Правая коронарная створка | 15,5 | 12,2 | |
| Некоронарная створка | 11,6 | 9,6 | |
| Максимальная длина коаптации слева от центра, мм | Левая коронарная створка | 15,2 | 18,9 |
| Правая коронарная створка | 15,5 | 18,4 | |
| Некоронарная створка | 12,6 | 14,2 | |
| Максимальная длина коаптации справа от центра, мм | Левая коронарная створка | 12,7 | 13,8 |
| Правая коронарная створка | 17,4 | 19,2 | |
| Некоронарная створка | 15,5 | 18,4 | |
| Средняя боковая длина коаптации, мм | Левая коронарная створка | 13,9 | 16,4 |
| Правая коронарная створка | 16,5 | 18,8 | |
| Некоронарная створка | 14,1 | 16,3 | |
| Площадь зоны коаптации, мм2 | Левая коронарная створка | 431,0 | 457,4 |
| Правая коронарная створка | 452,8 | 469,9 | |
| Некоронарная створка | 401,2 | 412,2 | |
| Суммарная | 1285,0 | 1339,5 | |
| Эффективная высота, мм | Левая коронарная створка | — | 17,1 |
| Правая коронарная створка | — | 16,4 | |
| Некоронарная створка | — | 16,0 | |
| Средняя | 13,4 | 16,5 | |
| Глубина биллоуинга, мм | Левая коронарная створка | 3,6 | 3,5 |
| Правая коронарная створка | 4,6 | 1,8 | |
| Некоронарная створка | 3,7 | 3,4 |
Обсуждение
Со времени описания стандартизированной методики неокуспидизации S. Ozaki и соавт. аутоперикардиальное протезирование створок АК получило широкое распространение и популярность. Сам S. Ozaki сообщил о более чем 1100 выполненных операциях [18].
Неокуспидизация АК применима у пациентов, которым показано протезирование АК биологическим протезом (как правило, у больных пожилого возраста). Однако устойчивость аутоперикарда к структурному износу и сохранение динамической анатомии КА позволяют выполнять операцию у лиц младше 65 лет и даже у детей [19, 20].
Метаанализ U. Benedetto и соавт. [21], сравнивший неокуспидизацию АК и имплантацию каркасных биологических протезов третьего поколения, бескаркасных протезов, а также операцию Ross, показал сопоставимые результаты. Для операции Ozaki риски структурного износа клапана, инфекционного эндокардита и реопераций составили 0,34, 0,45 и 1,07%, соответственно. Е.В. Россейкин и соавт. [22] показали статистически значимые преимущества неокуспидизации перед имплантацией биологического протеза в градиенте давления и эффективной площади отверстия.
Тем не менее, операция Ozaki имеет специфические осложнения, связанные с избыточным размером неостворок по сравнению с нативными створками АК: риск тромбоза чаши неостворки [6, 7] и риск перекрытия устья венечной артерии в систолу желудочков или при TAVI [8, 9].
Методы математического моделирования могут быть использованы для оптимизации формы и размера неостворок [11, 12], однако первоочередной задачей после разработки математической модели стоит ее валидизация, то есть доказательство соответствия рассчитанных на ее основе параметров реальным данным. Основным клиническим эффектом неокуспидизации является хорошая замыкательная функция неоклапана и отсутствие регургитации, обусловленные, в первую очередь, большим размером неостворок. В настоящей работе показана возможность с помощью математической модели прогнозировать замыкательную функцию аортального неоклапана, и продемонстрировано соответствие результатов численного и натурного экспериментов.
В литературе описаны несколько способов моделирования закрытого АК в натурном эксперименте [12, 23—25], однако ни один из них не позволяет с высокой точностью оценить параметры замыкательной функции АК. Нами разработана оригинальная методика, позволяющая оценить широкий спектр параметров.
В клинической практике критериями низкого риска рецидива или возникновения новой аортальной регургитации после реконструктивного вмешательства на створках АК являются [26—30]:
1. Длина коаптации >4 мм.
2. Эффективная высота створок >9 мм.
3. Зона коаптации выше вентрикуло-аортального соединения.
4. Отсутствие провисания тел створок ниже вентрикуло-аортального соединения (биллоуинг).
5. Отсутствие провисания свободных краев створок ниже вентрикуло-аортального соединения (пролапс).
6. Отсутствие резидуальной регургитации.
Разработанные математическая модель и натурный эксперимент позволяют определять большинство из вышеописанных параметров. Кроме того, есть возможность оценки профиля и площади зоны коаптации для каждой неостворки, эти параметры также характеризуют замыкательную функцию АК. За нормальное значение площади зоны коаптации можно принять показатель, измеренный L. De Kerchove и соавт. [24]: средняя для всех трех створок величина составила 122±21 мм2.
Визуальная оценка профиля зоны коаптации и параметров замыкательной функции показывает удовлетворительное соответствие результатов натурного и численного экспериментов.
Показатели длины коаптации, в первую очередь центральной, а также площади коаптации обуславливают высокую надежность аортального клапана после неокуспидизации в плане предотвращения рецидивирующей или вновь возникшей регургитации. Данные параметры значительно превосходят нормальные и даже являются избыточными.
При такой значительной геометрической высоте неостворок и длине коаптации можно ожидать большой эффективной высоты, что и было продемонстрировано в натурном и, особенно, численном экспериментах.
Наличие биллоуинга после реконструкции створок АК повышает риск регургитации. По данным как натурного, так и численного экспериментов показано наличие биллоуинга всех створок. В данной ситуации по причине значительной длины и площади зон коаптации неостворок биллоуинг будет скорее являться дополнительной причиной тромбообразования на аортальной поверхности неостворки, чем предиктором регургитации.
Недостатки исследования
Математическое моделирование смыкания неостворок в настоящее время реализовано в мембранном приближении, т.е. не учитывает изгибную жесткость материала, из которого изготовлена неостворка. Этим, вероятно, обусловлены заметные различия боковых длин коаптации и глубины биллоуинга.
Большая часть технической работы при моделировании закрытого аортального неоклапана в настоящее время осуществляется в ручном режиме, что затрудняет рутинное использование методики. В дальнейшем необходимо повышать автоматизацию технологии.
Заключение
Параметры замыкательной функции АК после неокуспидизации, измеренные в натурном и рассчитанные в численном экспериментах, показывают удовлетворительное соответствие. Требуется анализ серии образцов для установления статистически значимой эквивалентности результатов натурного и численного экспериментов.
Аортальный неоклапан демонстрирует надежную замыкательную способность, однако избыточный размер неостворок может иметь негативные последствия без явного положительного влияния на функцию неоклапана. Представленная математическая модель ляжет в основу работы по оптимизации формы и размера неостворок.
Благодарность
Авторы благодарят сотрудников отделения рентгенодиагностики и компьютерной томографии ГНЦ РФ ФГБНУ «Российский научный центр хирургии им. акад. Б.В. Петровского»: главного научного сотрудника, д.м.н. В.В. Ховрина, врача-рентгенолога А.С. Куличкина за помощь в выполнении МСКТ свиного сердца, а также И.П. Каданцеву за помощь в заборе материала.
Данная работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда №21-71-30023.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.