Введение

Патологическое расширение аорты связано с нарушением строения мышечно-эластического слоя сосудистой стенки. Такие процессы могут быть связаны с гипертонией, атеросклерозом, синдромами Марфана, Элерса—Данлоса, инфекционными процессами. Нарушение деформационных свойств восходящей аорты сопряжено с дилатацией корня аорты более 5 см. Смертность больных с аневризмой аорты составляет 2,4 на 100 000 населения и является одной из наиболее распространенных причин, требующих неотложного хирургического вмешательства [1, 2].

Развитие и доступность мультиспиральной компьютерной томографии (МСКТ), трансторакальной и чреспищеводной эхокардиографии (ЭхоКГ) сделали диагностику аневризмы восходящей аорты с аортальной недостаточностью незатруднительной [3]. Более сложной является оценка состояния сосудистой стенки, ее пристеночного напряжения и деформации. В настоящее время разрабатываются компьютерные технологии с созданием моделей и алгоритмов обработки ультразвуковых и радиологических данных для оценки структуры сосудистой стенки, основываясь на регистрации векторного картирования и скоростей кровотока в сердце и аорте [4—7].

Анализ современной литературы указывает на заинтересованность клиницистов в оценке потоков крови в левом желудочке (ЛЖ) и аорте и зависимости деформации от пристеночного напряжения сдвига стенки у пациентов с аневризмой восходящего отдела аорты [2, 7]. Расчет пристеночного напряжения и интерпретация полученных данных остается сложной задачей не только при постобработке изображения, но и при определении клинически полезных параметров, отражающих патологию аорты и оценку результатов хирургического лечения [8, 9].

Цель исследования — оценить потоки крови в левом желудочке и аорте и их влияние на напряжение сдвига стенки при аневризмах восходящего отдела аорты с аортальной недостаточностью до и после операции.

Материал и методы

Работа основана на результатах лечения 78 пациентов (61 (78,2%) мужчины и 17 (21,8%) женщин) с аневризмой восходящего отдела и корня аорты и недостаточностью аортального клапана, возраст пациентов составил 52,85±14,5 года (23—83 года). Всем пациентам в условиях искусственного кровообращения было выполнено хирургическое лечение по методике Т. Дэвида, El-Khoury с протезированием восходящего отдела аорты синтетическим протезом, а также операции Бенталла—Де Боно клапансодержащими кондуитами «St. Jude Medical», «МедИнж». Повторные исследования у оперированных пациентов выполнялись на 7—14-е сутки в госпитальном периоде. Группу здоровых волонтеров составили 23 человека (14 (61%) мужчин и 9 (39%) женщин), их средний возраст составил 32±8 лет.

Всем пациентам перед операцией проводили общеклиническое обследование, трансторакальную ЭхоКГ, ультразвуковое дуплексное сканирование периферических сосудов, МСКТ.

Трансторакальная ЭхоКГ проводилась по протоколу, принятому в ФГБНУ «РНЦХ им. акад. Б.В. Петровского», с учетом стандартов Российской ассоциации специалистов ультразвуковой диагностики в медицине, Российской ассоциации специалистов функциональной диагностики, Европейской ассоциации сердечно-сосудистой визуализации и Американского общества эхокардиографии. ЭхоКГ-исследование выполняли в состоянии покоя по длинной и короткой оси ЛЖ в супрастернальной позиции по длинной оси дуги аорты на ультразвуковых приборах экспертного класса VIVID-E9, VIVID-E95 (GE HC, USA) мультичастотным матричным датчиком 3,5—4,6 МГц с одновременной регистрацией ЭКГ. Все исследования в виде статичных и движущихся изображений (кинопетля в 3—5 кардиоциклов) сохранялись в памяти рабочей станции Echopac (GE Vingmed Ultrasound) для последующей обработки. Для анализа изменения стенки аорты во времени определяли входные данные серии ультразвуковых изображений, на которых визуализируется корень и участок аорты (3—6 см) с частотой ≥50 Гц, что дает возможность регистрировать контур просвета аорты.

Трехмерная реконструкция исследуемого участка аорты выполнена по данным МСКТ и ЭхоКГ. Полученные данные для моделирования экспортировалась в систему Ansys Work bench (ANSYS Inc.) и в программу «Мультивокс». Выбранные участки аорты являются расчетной областью с введением граничных условий по скорости кровотока, которые соответствовали измерениям при трансторакальной ЭхоКГ [10].

ЭхоКГ включала в себя регистрацию изображений в В-режиме, анализ в режиме ЦДК, регистрацию кровотоков через митральный и аортальный клапаны. Рассчитывали линейные размеры аорты у синотубулярного соединения, в области максимального расширения и в области уменьшения расширения. Стенки аорты оконтуривались с последующей разбивкой на 4 участка по принятой методике с целью получения продольного сдвига скорости деформации (рис. 1 на цв. вклейке) и потоков крови. Регистрировались скорость кровотока в аорте (Q, мл/с), смещение стенки аорты по сегментам (L, мм).

Рис. 1. Постобработка ультразвуковых изображений корня и восходящей аорты в парастернальной позиции по длинной оси левого желудочка у здорового человека.

Внутриаортальный поток крови (а), векторы сдвига стенок аорты (б) с маркировкой сегментов аорты LI—LIV (в). Графики (г): левый — сдвиг сегмента длины участка стенки аорты в четырех сегментах (мм); средний — скорость смещения сегментов аорты (мм/с); правый — ЭКГ. Сегменты стенки аорты маркированы цветом (LI — желтым; LII — голубым; LIII — зеленым; LIV — розовым), цвет графиков соответствует цвету сегментов.

Статистическая обработка

Результаты исследования выполнены с помощью пакета прикладных программ Statistica 12 и JMP 5 (США). Каждая выборка была проверена на нормальность распределения по критерию Шапиро—Уилка. Количественные данные представлены в виде среднего значения и стандартного отклонения (M±SD). Качественные данные представлены в виде абсолютного значения (n) и доли (%). Для оценки межгрупповых и внутригрупповых различий использовался t-критерий Стьюдента. Различия считались статистически значимыми при уровне p<0,05.

Результаты

У всех пациентов с аневризмой аорты и аортальной недостаточностью результаты анализировали по векторному анализу, общепринятым показателям анатомических характеристик аорты и гемодинамики с расчетом скоростей смещения стенки аорты, потоков крови в полостях сердца и восходящем отделе аорте (табл. 1, 2).

Таблица 1. Гемодинамика у пациентов с аневризмой корня и восходящей аорты с аортальной недостаточностью до и после операции

Примечание. ЧСС — частота сердечных сокращений; САД — систолическое артериальное давление; ДАД — диастолическое артериальное давление; КДО — конечный диастолический объем левого желудочка; КСО — конечный систолический объем левого желудочка; ФВ — фракция выброса; УВ — ударный выброс; АН_АК — регургитация на аортальном клапане; ММ_ЛЖ — масса миокарда левого желудочка; p_mean — средний градиент давления на аортальном клапане.

Таблица 2. Анатомическая характеристика, скорости кровотока и смещение стенки аорты до и после операции

Примечание. ФК_АК — фиброзное кольцо аортального клапана; СВ — синусы Вальсальвы; СТ — синотубулярный гребень; ВА — восходящая аорта; Q_ВТЛЖ — скорость кровотока в выносном тракте левого желудочка; Q_АК — скорость кровотока через аортальный клапан; V — скорость смещения стенки аорты в систолу; L — смещение стенки аорты по сегментам в систолу; p — достоверность различия между группами.

Увеличение размеров аорты с регургитацией на аортальном клапане сопровождается повышением скорости кровотока и появлением зон турбулентности в просвете восходящей аорты и над клапаном (рис. 2 на цв. вклейке), что свидетельствует об аортальной аннулоэктазии. На представленных графиках сдвига сегментов восходящего отдела аорты (в) и скорости смещения стенки аорты (г) за сердечный цикл каждый сегмент стенки аорты обозначен определенным цветом, как на рис. 1 на цв. вклейке.

Рис. 2. Постобработка ультразвуковых изображений корня и восходящей аорты в парастернальной позиции по длинной оси левого желудочка у пациента с аневризмой восходящего отдела аорты и регургитацией на аортальном клапане до операции.

Внутриаортальные потоки крови с зонами турбулентности в систолу (а) и диастолу (б), графики сдвига сегментов восходящего отдела аорты (в) и скорости смещения стенки аорты (г) за сердечный цикл.

До операции у пациентов с аневризмой восходящей аорты и регургитацией на аортальном клапане по сравнению с группой здоровых наблюдается статистически значимое (p<0,001) повышение скоростей потоков крови как в период систолы в выносном тракте ЛЖ (ВТЛЖ) — 25±8 см/с и над аортальным клапаном — до 28±10 см/с, так и в диастолу в ВТЛЖ — 26±9 см/с и над аортальным клапаном — до 20±7 см/с. Это объясняется ретроградным кровотоком, что приводит к формированию турбулентности вблизи внутренней кривизны восходящего отдела корня аорты. У пациентов с диаметром восходящей аорты более 5,5 см был выявлен ассиметричный турбулентный кровоток. По данным векторного анализа, отмечено увеличение сдвига всех сегментов стенок аорты, что связано с дилатацией и изменением стереометрии корня и восходящего отдела. Величина смещения (L) стенок аорты увеличена практически в 2 раза во всех изучаемых сегментах, а скорость смещения стенок (V) максимально изменена в двух начальных (I—II) сегментах аорты.

Измерение скорости кровотока и оценка деформации по скоростям смещения по данным эхокардиографии и компьютерной томографии позволяют оценивать пристеночное напряжение, давление и скорость кровотока (рис. 3 на цв. вклейке).

Рис. 3. Расчет распределения давления, скорости кровотока и пристеночного напряжения стенки аорты до и после операции.

1 — распределение давления в восходящем отделе аорты; 2 — циркулирующая скорость кровотока в аорте; 3 — пристеночное напряжение сдвига стенки аорты.

В аневризме восходящей аорты определяются крупные области циркулярных вихревых потоков, приводящих к замедлению кровотока. Такое явление может быть причиной изменения анатомической структуры аорты и АК и приводить к их патологическому увеличению. Дополнительная турбулентность, обусловленная регургитацией, также способствует нарушению гемодинамики и, как следствие, нарушению деформационных свойств стенки. Распределение давления в аорте до и после операции составляло от 100 — 110 мм рт.ст., скорость кровотока до операции была снижена и составляла 0,37—0,45 м/с, после операции — 0,9—1,1 м/с. При этом пристеночное напряжение стенки аорты с аневризмой до операции составляло 2,5 Ра, после операции — 7,0 Ра. У пациентов с аневризмой восходящей аорты наблюдается нарушение вязкоупругих эластических свойств стенок аорты, что тесным образом связано с нарушением структурности внутриаортальных потоков.

Реконструкция протезирования аорты приводит к снижению сдвига первого сегмента восходящей аорты (L_I) >14 мм относительно центральной оси сосуда, что близко к характеристикам нативного клапана и корня аорты. Изменяется смещение сегментов протезированного участка восходящей аорты по сравнению с дооперационными данными с 21±3 мм до 14±4 мм (p<0,001). Нормализуется структура потока в аорте и выносном тракте левого желудочка уже в раннем послеоперационном периоде (рис. 4 на цв. вклейке).

Рис. 4. Внутрижелудочковые и внутриаортальные потоки крови у пациентов с аневризмой восходящего отдела аорты после операции в диастолу (а), стрелками обозначены скорости кровотока в выносном отделе левого желудочка и аорте; графики векторного сдвига сегментов восходящего отдела аорты (б) и скорости смещения стенки аорты (в). Каждый сегмент векторов обозначен цветом в соответствии с рис. 1.

После операции отмечается снижение скоростей смещения сегментов протезированной части стенки аорты даже по сравнению с нормой (см. табл. 2), что отражает деформационные характеристики протеза корня и восходящего отдела аорты и косвенно говорит о восстановлении динамического равновесия между левым желудочком и аортой. Преобладает практически прямолинейный кровоток в дуге и дистальных отделах аорты. Такое явление, скорее всего, может быть связано со сложной геометрией восходящего отдела после протезирования клапана и аорты синтетическим протезом. Было отмечено, что в области аневризмы значения пристеночного напряжения после операции увеличились с 1,5—2 Ра до 7—9 Ра. Это служит одним из критериев восстановления динамического равновесия между протезом восходящего отдела аорты и левым желудочком.

Обсуждение

Накопленный в мире опыт диагностики и хирургического лечения аневризм восходящего отдела аорты, осложненных регургитацией на аортальном клапане, создали предпосылки к дальнейшему изучению данной проблемы [11, 12]. Многие аспекты оценки результатов лечения, диагностики еще далеки от своего разрешения. Аннулоэктазия и отсутствие нормальной замыкательной способности клапана приводит к возникновению высокоскоростного, турбулентного обратного потока в полость левого желудочка. Кроме того, наблюдается отсутствие асимметричной деформации различных сегментов стенки аорты в фазы кардиоцикла по сравнению с нормальными значениями, что свидетельствует о нарушении динамической анатомии корня и восходящего отдела аорты. Прослеживается отсутствие структурированности и разнонаправленность скоростей смещения сегментов аорты у пациентов с аневризмой восходящего отдела аорты с аортальной недостаточностью. Это приводит к нарушению распределения напряжений в стенке сосуда, а в последующем и к дисфункции миокарда.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что турбулентность возникает в центральной струе внутриаортального потока и приводит к колебательному сдвигу стенки. Наблюдается взаимосвязь между кровотоком в аорте и сдвиговой деформацией стенки, что является важным при оценке геометрических характеристик аорты в прогностическом плане. Характер кровотока во многом зависит от геометрии просвета аорты, в том числе от размеров и кривизны. Расчеты нарушенного сдвига стенки аорты при аневризмах посредством турбулентности кровотока могут стать одними из показателей оценки напряжения.

Анализ деформации сдвига сосудистой стенки показал, что свойства тканей и потоки крови тесным образом связаны между собой, что и определяет механическое напряжение, которое во многом зависит от деформации как желудочка, так и аорты. Нарушение биомеханики аорты, оцениваемое по ее эластическим свойствам, было выявлено у пациентов на ранних стадиях дилатации аорты, что свидетельствует о прогрессирующем ее расширении и риске заболевания [2]. В действительности движение аортального клапана, возникающее в результате сокращения левого желудочка, приводит к возникновению продольной деформации стенки аорты. Циркулярная и продольная деформация стенки аорты и скорости смещения миокарда желудочка характеризуют тесную взаимосвязь этих процессов [5, 9, 11, 12]. Так, по нашим данным, продольная деформация восходящей аорты может быть связана с дилатацией корня аорты и недостаточностью аортального клапана. К числу таких критериев относятся скорости кровотока и турбулентные флуктуации на входе в аорту с оценкой сдвига внутренней стенки восходящей аорты. В период диастолы наблюдается двунаправленный кровоток с выраженным завихрением вдоль внутренней стенки аорты, а антеградный поток, наоборот, направляется к наружной стенке аорты. Такое явление характерно для пациентов с изменением структуры сосуда и косвенно отражает состояние напряжения и эластичности стенки. В результате было получено распределение смещения и напряжения стенки аорты до и после операции (рис. 5 на цв. вклейке).

Рис. 5. Бивариантный анализ связи между смещением (Ls) и напряжением (WSS) стенки аорты в систолу до (а) и после (б) операции у пациентов с аневризмой аорты и аортальной регургитацией.

Адекватное хирургическое лечение способствует восстановлению гемодинамики уже в раннем послеоперационном периоде за счет нормализации запирательной функции АК, что приводит к восстановлению структуры потока, а также к значительному снижению скоростей внутриаортальных потоков крови. Параметры, полученные при данном диагностическом подходе, могут являться независимыми предикторами дисфункции аорты до операции, а после хирургического лечения могут являться показателями восстановления гемодинамики и адекватности хирургического вмешательства. Изучение динамики изменения потоков крови и количественная характеристика по векторному картированию дают возможность оценить степень и уровень патологии стенки аорты до операции и результаты хирургического лечения.

Снижение параметров сдвига и скоростей смещения сегментов протеза аорты, оцененное с помощью векторного анализа после хирургического лечения, свидетельствует о восстановлении динамического равновесия в восходящем отделе аорты. Доказано, что смещение первого сегмента протеза аорты менее 16 мм после клапансохраняющей операции на АК характеризует упругость протеза в сравнении с деформацией стенки. Так, уменьшение скоростей внутрижелудочковых потоков крови в выносном тракте левого желудочка с 28 см/с до 13 см/с в раннем послеоперационном периоде служит одним из ранних признаков нормализации гемодинамики.

При оценке биомеханического состояния аневризмы аорты изменение толщины стенки и асимметрия в толщине отражаются на напряжении, что является угрозой разрыва аневризмы [13]. Так, сдвиг деформации и динамика изменения направления вектора сдвига стенки влияют на структурную целостность стенки с турбулентностью по направлению 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. Проксимальная область потока характеризуется колебаниями с низкими средними значениями.

В дистальной части наблюдается слияние потоков, что приводит к воздействию вихревого кольца с образованием больших отрицательных значений напряжения стенки аорты. Считается, что пристеночное напряжение сдвига стенки играет решающую роль в патогенетической цепочке развития аневризмы [14, 15]. Изменения характера потока и распределения напряжения, скорее всего, это процессы, относящиеся к гемодинамической стабильности [1, 16] до тех пор, пока прочность стенки сосуда не перестанет выдерживать механическое воздействие. Низкие значения напряжения приводят к прогрессированию нарушения в регуляции диаметра просвета и тонуса сосуда. В результате анализа деформации стенок аорты отмечено повышение скорости смещения (V) практически во всех областях. По нашему мнению, это связано с нарушением геометрии корня аорты вследствие значимого расширения синотубулярного гребня и восходящего отдела.

Таким образом, оценка скоростей смещения миокарда левого желудочка и стенок аорты, а также оценка внутрижелудочковых и внутрисосудистых потоков крови являются предикторами функции миокарда левого желудочка и аорты до операции, а после хирургического лечения могут являться показателями восстановления гемодинамики и адекватности хирургического вмешательства. Биомеханические исследования при данной патологии показывают, что одним из факторов, определяющих состояние стенки аорты, является напряжение. Коррекция аневризмы аорты и регургитации на АК приводит к нормализации кровообращения и проявляется в изменении длины и скорости смещения стенки протеза аорты во всех сегментах. При этом меняется характер кровотока в выносном тракте левого желудочка, он приобретает вид и скорости, приближенные к потоку в норме, что существенно снижает напряжение.

Заключение

Критериями оценки биомеханики сдвига сосудистой стенки служат напряжение с региональными изменениями толщины стенки и внутрисосудистым кровотоком. Снижение напряжения сегментов стенки аорты свидетельствует о нарушении динамической анатомии корня и восходящего отдела аорты. У пациентов с аневризмой восходящего отдела аорты и регургитацией на АК прослеживается отсутствие структурированности кровотока, скоростей и смещения сегментов аорты, что связано с потерей нормальных вязкоупругих эластических свойств корня и восходящего отдела аорты. Сдвиг сосудистой стенки и потоки крови у пациентов с аневризмой аорты тесным образом связаны между собой, что во многом определяет механическое напряжение.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.