Введение
Аневризма брюшного отдела аорты — распространенное заболевание, приводящее к серьезным осложнениям (тромбоз, разрыв). Диагностика и оценка состояния сосудистой стенки — одна из сложных проблем в клинической практике. Взаимосвязь кровотока со стенкой сосуда приводит к динамическому напряжению, что характеризует прочность артериальной стенки [1]. Результаты хирургических и эндоваскулярных методов лечения во многом зависят от распространенности процесса, состояния сосудистой стенки и применяемых искусственных протезов [2, 3]. В настоящее время в литературе обсуждаются подходы по моделированию и изучению влияния асимметрии и толщины стенки на напряжение и риск разрыва аневризмы [4, 5]. Для объективизации патологии аорты и крупных сосудов важны регистрация и оценка визуализирующей информации (компьютерная томография, ультразвуковое исследование). Однако в клинической практике остаются вопросы по алгоритмам ранней диагностики изменения наиболее уязвимых участков сосудистой стенки при аневризмах аорты [6, 7].
Цель исследования — оценка деформации и сдвига сосудистой стенки до и после стентирования аневризмы брюшной аорты.
Материал и методы
В отделении эндоваскулярной хирургии обследованы 12 пациентов (возраст 63±6 года) с аневризмой брюшной аорты размерами от 40 до 60 мм. У 9 пациентов диагностирован тромб в аневризме. Согласно разработанному протоколу обследование выполняли в три этапа. Осложнений и летальных исходов не было.
Первый этап. До операции выполняли компьютерную томографию с контрастным усилением и ультразвуковое исследование брюшной аорты. Рассчитывали протяженность аневризмы, диаметр аорты перед и после аневризмы, максимальный диаметр аневризмы. Ультразвуковое исследование выполняли на аппарате Vivid 7 (GE, США) с сохранением в памяти прибора статических и динамических изображений для последующей постобработки. Определяли линейные размеры аорты и скорости потока непосредственно в области расширения, в самой аневризме и на выходе из аневризмы. Сохраненные DICOM изображения подвергали постобработке в программе MultiVox. Стенки аневризмы аорты контурировали с последующей автоматической сегментацией на 3—4 одинаковых по величине участка с целью получения деформации сдвига (рис. 1 см. на цв. вклейке).
Рис. 1. 3D КТ брюшной аорты (а) с расположением контрольных анатомических сечений в аневризме аорты (точки 8—10) и ультразвуковая визуализация (б) аневризмы брюшной аорты с сегментацией зон интереса (отмечено цветными отрезками).
Второй этап. В условиях рентгеноперационной до стентирования проводили ультразвуковое исследование аорты с оценкой линейной скорости кровотока в установленных в проекции аневризмы сечениях. Измерения синхронизировали с ЭКГ и кривой инвазивного давления для последующей записи кинопетель в память прибора.
Третий этап выполняли сразу после стентирования аневризмы брюшного отдела аорты по разработанному протоколу, измерения выполняли в том же объеме (инвазивное давление, скорость кровотока, ЭКГ). Рассчитывали векторную скорость кровотока, турбулентность и внутрисосудистое давление. Оценивали толщину и динамику смещения стенки стента по скорости внутрисосудистого потока и давления для построения диаграмм и графиков, отражающих сдвиги деформации с распределением напряжения на поверхности (TAWSS).
TAWSS — усредненные по времени значения напряжения сдвига стенки, наиболее подверженные нагрузке в течение кардиоцикла.
где T — продолжительность сердечного цикла.
С целью получения дополнительных количественных характеристик о нагрузке, которую стенка сосуда испытывает под влиянием потока крови, оценивали смещение внутренней границы стенки относительно внешней на динамических сериях ультразвуковых изображений, что отражает деформацию сдвига.
Полученные результаты обрабатывали, включая компьютерное моделирование кровотока, по вычислению уравнений движения жидкости Навье—Стокса в трехмерном объеме методом конечных элементов. Трехмерные модели экспортированы в расчетную платформу ANSYS Workbench 19.2, где с помощью модуля Mesh осуществлена их дискретизация на конечные элементы. Полученная расчетная сетка состояла из тетраэдрических ячеек с целью повышения точности вычислений. Среднее количество элементов в моделях составило 1,3 млн ячеек.
Программа автоматически объединяет центры противоположных отрезков осевой линией и размещает контуры на других кадрах с учетом пространственного смещения, используя алгоритм слежения за спекл-структурой (рис. 2 см. на цв. вклейке).
Рис. 2. Регистрация деформации сдвига сосудистой стенки (1) и внутрисосудистые потоки крови у пациента с аневризмой брюшной аорты с одновременной регистрацией артериального давления (2) и моделированием турбулентных потоков крови (3) и сдвига сосудистой стенки в период систолы (4).
Статистический анализ
Межгрупповые различия оценивали по критериям Стьюдента, Манна—Уитни. Кроме этого для оценки достоверности различий переменных использовали критерий c2. Критический уровень значимости принят как p<0,05. Использовали статистические программы Statistica 12 (StatSoft, Inc., США) и JMP-7 (SAS, Inc., США).
Результаты
Основываясь на клинических данных, результатах компьютерной томографии и ультразвукового исследования, выполнили моделирование аневризмы брюшной аорты с оценкой профиля потоков крови, напряжения сдвига и эластичности сосудистой стенки с регистрацией скорости кровотока, инвазивного артериального давления и пристеночного напряжения сдвига стенки (WSS) в трехмерной расчетной области (табл. 1).
Таблица 1. Регистрация анатомических характеристик и скоростей кровотока с расчетом пристеночного напряжения у пациентов с аневризмой аорты до стентирования
| Пациент | Возраст, годы | Протяженность аневризмы, мм | Внутренний диаметр аорты перед аневризмой, мм | Максимальный диаметр аневризмы, мм | Внутренний диаметр аорты после аневризмы, мм | АДср., мм рт.ст. | Систолическая скорость кровотока до аневризмы, см/с | Систолическая скорость кровотока в аневризме, см/с | Пристеночное напряжение сдвига стенки, Ра (WSS) |
| 1 | 62 | 87,7 | 20,4 | 47,6 | 20,3 | 84,6 | 55 | 30 | 0,2 |
| 2 | 76 | 103,5 | 20,3 | 40,9 | 21 | 72,3 | 62 | 31 | 0,23 |
| 3 | 63 | 109,4 | 20 | 40,6 | 19,7 | 107,3 | 26 | 25 | 0,31 |
| 4 | 69 | 112,2 | 23,5 | 54,3 | 20,2 | 78,4 | 68 | 37 | 0,12 |
| 5 | 57 | 109,9 | 21,8 | 62,0 | 19,4 | 69,2 | 96 | 22 | 0,2 |
| 6 | 59 | 115,3 | 20,7 | 58,1 | 20,0 | 70,1 | 64 | 26 | 0,1 |
| 7 | 61 | 98,7 | 29,1 | 67,3 | 24,5 | 59,3 | 90 | 29 | 0 |
| 8 | 58 | 120,2 | 22,6 | 55,0 | 20,0 | 60,0 | 54 | 41 | 0,2 |
| 9 | 66 | 104,3 | 28,5 | 58,3 | 22,1 | 71,2 | 39 | 16 | 0,11 |
| 10 | 71 | 107,3 | 30,1 | 64,4 | 18,5 | 69,3 | 47 | 24 | 0,24 |
| 11 | 74 | 101,6 | 20,4 | 53,4 | 17,3 | 70,4 | 59 | 18 | 0,19 |
| 12 | 67 | 117,7 | 26,1 | 60,0 | 20,0 | 68,7 | 60 | 35 | 0,22 |
| M±s | 65±6 | 107±8 | 23,6±4 | 55,1±8 | 20,2±2 | 73,4±12 | 60±19 | 27,8±8 | 0,1±0,08 |
Обращают на себя внимание достаточно низкие значения пристеночного напряжения в области аневризматически измененной стенки аорты. Наличие в аневризме тромба и морфологического атеросклеротического поражения указывает на неоднородность толщины стенки, что влияет на напряжение и потоки крови. По инвазивному измерению давления и скорости кровотока в области интереса автоматически строили график «давление — деформация сдвига» (рис. 3 см. на цв. вклейке).
Рис. 3. Ультразвуковое изображение и графики зависимости «давление-деформация сдвига» стенок аневризмы брюшной аорты.
Цвет графиков соответствуют анализируемым контурам стенки аорты. Обозначения на графиках соответствуют контрольным точкам сердечного цикла. 1 — изоволюмическое напряжение, 2 — максимальное изгнание, 3 — окончание изгнания, 4 — средняя часть диастолы, 5 — окончание диастолы. Вертикальная шкала отражает артериальное давление в мм рт.ст.
Так, отрицательные значения деформации сдвига указывают на движение внутренней границы стенки в сторону, противоположную направлению потока крови относительно осевой линии. При этом сдвиг сосудистой стенки с низкими значениями (рис. 2—4 см. на цв. вклейке) в пределах от 0 до 0,2 Ра окрашены в синий цвет, что характерно для наиболее проблематичных и опасных участков в отношении расслоения или разрыва. Практически у всех исследуемых пациентов до стентирования регистрировали низкие сдвиги стенки со средними значениями 0,1±0,08 (табл. 1) и турбулентные потоки в аорте.
Рис. 4. Стентирование аневризмы брюшной аорты с графиками деформации сдвига участка просвета относительно внешней границы стенки аорты и скорость кровотока в стенте.
Вертикальная шкала — артериальное давление.
После стентирования аневризмы скорости кровотока приближаются к нормальным значениям, а кровоток становится ламинарным (табл. 2).
Таблица 2. Анатомические характеристики и скорости кровотока с расчетом пристеночного напряжения у пациентов с аневризмой аорты после стентирования
| Пациент | Возраст, годы | Протяженность стента, мм | Диаметр просвета стента, мм | АДср., мм рт.ст. | Систолическая скорость кровотока в стенте, см/с | Пристеночное напряжение сдвига стенки стента, Ра (WSS) |
| 1 | 62 | 84 | 21 | 76 | 43 | 0,55 |
| 2 | 76 | 120 | 21 | 80 | 65 | 0,6 |
| 3 | 63 | 105 | 21 | 107,3 | 90 | 0,7 |
| 4 | 69 | 74 | 22,5 | 78,4 | 78 | 0,8 |
| 5 | 57 | 105 | 22 | 69,2 | 72 | 0,8 |
| 6 | 59 | 105 | 22 | 70,1 | 60 | 0,75 |
| 7 | 61 | 105 | 22 | 59,3 | 65 | 1 |
| 8 | 58 | 102 | 23 | 60,0 | 75 | 0,8 |
| 9 | 66 | 95 | 23 | 71,2 | 65 | 0,83 |
| 10 | 71 | 105 | 22 | 69,3 | 68 | 0,86 |
| 11 | 74 | 105 | 22 | 70,4 | 66 | 0,9 |
| 12 | 67 | 94 | 22 | 70 | 55 | 0,7 |
| M±s | 65±6 | 99±12 | 21±3 | 77±23 | 41±3 | 0,77±0,1 |
При оценке локального воздействия потока на стенку сосуда ценной может быть информация об изменении деформации сдвига в зависимости от артериального давления. Максимальная деформация стенки может достигать 2,2 мм в систолическою фазу.
Обсуждение
Аневризмы брюшной аорты достаточно долго могут оставаться стабильными до тех пор, пока прочность стенки аорты удерживает давление. Биомеханика аневризмы брюшного отдела аорты изучается с большим интересом, поскольку разрыв аневризмы является механическим повреждением дегенеративно измененной стенки и является причиной смерти [4, 8, 9]. Стенка аорты становится жесткой при сосудистых заболеваниях, таких как атеросклероз, гипертоническая болезнь. В последнее время в литературе обсуждаются вопросы моделирования гемодинамических процессов в сердечно-сосудистой системе, позволяющего получить индивидуальные для пациента показатели гемодинамики в трехмерном представлении на основе данных инструментальных методов исследования [10]. Предыдущие исследования, основанные на импульсно-волновой допплерографии, показали ограничения при анализе сложных потоков крови в сосудах.
Биомеханическая оценка рисков осложнений при патологии аорты основывается на анализе потока крови и инициированном им характерным поведением параметров артериальной стенки в течение кардиоцикла. В первую очередь, это деформация стенки аорты. Взаимодействие стенки сосуда, кровотока и давления определяет напряжение, которое характеризует прочность сосуда на разрыв, особенно в расширенной артериальной части. С целью изучить это взаимодействие были проанализированы результаты из репрезентативной выборки у пациентов с аневризмой брюшного отдела аорты с последующим моделированием пристеночного напряжения сдвига стенки (WSS) в трехмерной расчетной области до и после стентирования.
Рассматривая изменение биомеханики стенки аневризмы брюшной аорты, акцентировали внимание на современных исследованиях по этой проблеме, включая расчеты напряжения стенки аорты и факторов, которые на него влияют. Основной целью исследования было получение клинически полезного инструмента принятия решения по выбору хирургических технологий на основе получаемых новых данных. Так, расширение диаметра аорты приводит к асимметрии и изменению деформации стенки аневризмы и, следовательно, к более высокому пиковому перенапряжению стенки. По мере того, как аневризма становится более асимметричной, расположение пикового напряжения смещается с передней стенки на заднюю.
В отличие от нормальной аорты, поток в аневризме изменяется сразу после шейки, наблюдается разделение потока, включающее области с высокими скоростями потока и высокими напряжениями сдвига. В расширенных участках аневризмы средняя скорость кровотока и напряжение сдвига стенки были значительно ниже по сравнению с нормой. Это определяет подход к выбору хирургической тактики для достижения положительных результатов.
Современная медицинская визуализация и вычислительный анализ в совокупности позволяют реконструировать структуру потока, а также анализировать механизмы, приводящие к нарушению деформации сосудистой стенки при патологии аорты. Такой подход потенциально расширяет представление о дефектах и связанных с ними гемодинамических изменениях с целью выбора хирургических технологий, в частности, при стентировании аорты [11].
Так, Y. Qiu и соавт. [5] по результатам компьютерной томографии целенаправленно придерживаются направления по разработке 3D-реконструкции аневризмы. Нами выяснено, что модели имеют очень схожее представление с распределением потоков в реальных ситуациях. Результаты дают количественные прогнозы структуры потока и механики стенки, а также влияния асимметрии аневризмы и неоднородности толщины стенки на значения пикового напряжения стенки. Измерение деформации сдвига и прохождения потока по результатам моделирования помогает определять риск осложнений при патологии сосудистой стенки. Объединение деформации сдвига стенки и кровотока во временном процессе показало, что ретроградный поток в диастолу преобладает в аневризме, что обусловлено упругой энергией, накопленной в податливой артериальной стенке, и раширением аорты во время систолы. Это важно для оценки турбулентности в аневризме, так как физиологический спиральный поток предотвращает тромбоз.
При оценке биомеханического состояния аневризмы изменение толщины стенки и асимметрия в толщине отражаются на напряжении, что является угрозой разрыва аневризмы. Так, сдвиг деформации и динамика изменения направления вектора сдвига стенки в области расширения брюшной аорты влияют на структурную целостность стенки с турбулентностью кровотока. Было показано, что при увеличении диаметра аорты поток как бы смещается от стенки, создавая большое вихревое кольцо, за которым обычно следуют внутренние сдвиговые слои. Это значительно отличается по средним и изменяющимся компонентам от здорового сосуда. Внутри аневризмы среднее значение пристеночного напряжения сдвига становится отрицательным вдоль большей части стенки аневризмы и составляет всего 20—22% от нормы.
Исследования показали, что в аневризме были определены две области с отчетливыми паттернами сдвига напряжения. Проксимальная область характеризуется колебаниями с низкими средними значениями. В дистальной части наблюдается слияние потоков, что приводит к воздействию вихревого кольца на аневризму с образованием больших отрицательных значений напряжения сосудистой стенки. При этом, рассматривая изменения смещения стенок аорты, отмечены их малые значения на протяжении всего сердечного цикла. Такое состояние характерно для высокой жесткости стенки аорты.
Считается, что пристеночное напряжение сдвига стенки играет решающую роль в патогенетической цепочке развития аневризмы, обеспечивая механические триггеры, запускающие изменение функций эпителиальных клеток, и вызывая ремоделирование и рост аневризмы. Это приводит к изменению характера потока и распределения напряжения. Вероятно, эти процессы продолжаются до тех пор, пока не будет достигнута гемодинамическая стабильность или пока стенка сосуда не перестанет выдерживать механическое воздействие. Физиологические значения напряжения стенки в крупных артериях обычно колеблются от 1 до 5 Ра. Низкие значения напряжения приводят к прогрессированию аневризмы аорты за счет нарушения регуляции диаметра просвета и тонуса сосуда. Таким образом, биомеханические исследования при данной патологии показывают, что одним из факторов, определяющих состояние стенки аорты, является напряжение.
Стентирование аневризмы брюшной аорты достаточно быстро нормализует сдвиг деформации стенки и кровоток, который становится ламинарным. Так, сдвиг деформации стенки увеличивается практически в 10 раз и мало отличается от нормальных значений (табл. 2). Этот результат предполагает, что напряжение и сдвиг сосудистой стенки могут быть использованы как в диагностике угрожающего состояния, так и в оценке адекватности коррекции патологии. Клиническая значимость этого метода для оценки разрыва разрабатывается и может быть использована для принятия решений.
Заключение
Толщина стенки и геометрическая асимметрия аневризмы брюшной аорты влияют на напряжение. Так, асимметричная аневризма с региональными изменениями толщины стенки подвергается более высоким механическим нагрузкам и повышенному риску разрыва. Точное воспроизведение геометрии сосуда и толщины стенки ценно для прогноза биомеханики аневризмы брюшной аорты. Как правило, пиковые значения пристеночного напряжения сдвига стенки, усредненные по времени, интерпретируются как характерные признаки предстоящего разрыва. Для улучшения оценки риска разрыва при комплексном вычислительном анализе следует учитывать образование атеросклеротических бляшек, изменение толщины артерии, внутрисосудистые потоки и неоднородные свойства артериальной стенки.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.