Анатомия и математическое моделирование нормального митрального клапана: современное состояние проблемы. (Обзор литературы)

Патология сердечно-сосудистой системы занимает лидирующее положение в структуре заболеваемости и смертности людей во всем мире [1—3]. При этом клапанные пороки сердца являются одними из самых распространенных заболеваний сердца, и их доля ежегодно продолжает увеличиваться. Эта тенденция напрямую связана с общемировым глобальным ростом продолжительности жизни населения Земли [4]. Что касается приобретенных пороков сердца, есть четкая статистически значимая связь нозологии заболевания с уровнем социально-экономического развития страны проживания. Так, в странах с развитой экономикой и увеличивающейся продолжительностью жизни людей преобладают дегенеративные пороки аортального клапана у пожилых больных, тогда как в развивающихся странах, напротив, чаще встречается ревматическая этиология поражений митрального клапана (МК) в более молодом возрасте. В России приобретенные пороки клапанов сердца с количественной и качественной точки зрения занимают промежуточное положение, при котором поражения аортального клапана стоят на первом месте, но сразу за ними, догоняя по цифрам, следует патология МК [5]. В общемировых масштабах за последние 20 лет абсолютная распространенность первичной митральной недостаточности увеличилась на 70%, а ревматическая болезнь клапана до сих пор остается ведущей причиной смерти от клапанных пороков сердца [3, 6]. Таким образом, лечение митральных пороков сердца представляет глобальную проблему современного здравоохранения во всем мире [7, 8].

Нарушения геометрии и механики МК сопряжены с рядом распространенных заболеваний, включая функциональную и ишемическую митральную регургитацию, пролапс клапана, фибрилляцию предсердий, кальцификацию [1, 9].

Идеальный протез клапана сердца до настоящего времени не найден [2]. Общепринятые методы протезирования при грубой патологии МК, предлагаемые пациентам, имеют ряд ограничений. К недостаткам протезирования механическим протезом относятся необходимость в пожизненной антикоагулянтной терапии и связанные с этим возможные осложнения при несоблюдении режимов приема и отмены соответствующих препаратов: кровотечения и тромбоэмболия, а также ухудшение общего качества жизни пациента. Совокупность этих факторов не позволяет считать данный метод идеальным. С другой стороны, биологические клапаны, которые имеют целый ряд преимуществ, связанных с отсутствием длительного приема антикоагулянтов, также до настоящего времени несовершенны и могут подвергаться быстрой деградации и кальцификации, что требует проведения повторных вмешательств иногда уже через 5 или 10 лет после первичного вмешательства [10]. При этом, несмотря на значительный прогресс в последние десятилетия в разработке и производстве биологических клапанов, по гемодинамическим характеристикам такие протезы остаются несопоставимы с нативными клапанами, что также влияет на скорость их биодеградации. Помимо этого хирургическая коррекция патологии клапанного аппарата сердца с использованием протезов — как биологических, так и механических — является дорогостоящими процедурами, в том числе за счет производства протезов клапанов сердца. Совокупность перечисленных недостатков требует продолжения поиска альтернативных методов лечения клапанной патологии сердца, что возвращает интерес кардиохирургов к реконструктивным операциям на МК. Для этого применяются как местные ткани своего клапана, так и различные синтетические и биологические материалы (например, специально обработанный ауто- и ксеноперикард). Пластика различных структур МК, в том числе его подклапанного аппарата, является одним из эффективных и недорогих способов лечения, что доказано в целом ряде исследователей [2, 6, 8, 11—22]. Разработки зарубежных специалистов и создание отечественной версии программного обеспечения, так называемого виртуального двойника МК, безусловно, сможет помочь в дальнейшей разработке методов лечения — открытых и интервенционных операций на МК сердца: от транскатетерных процедур типа MitraClip до открытого хирургического лечения, особенно реконструктивных пластических операций на МК.

Таким образом, углубление понимания вопросов кардиохирургического лечения с применением реконструктивных вмешательств на МК нуждается в дальнейшем изучении, разработке дополнительных алгоритмов и методов хирургического и интервенционного лечения, основываясь на фундаментальных знаниях анатомического строения и функционирования разных структур сердца человека, принимая во внимание современные технологии, такие как математическое и компьютерное моделирование структур МК.

Функция митрального клапана. Функциональная классификация заболеваний МК Carpentier является одной из наиболее часто используемых классификаций заболеваний МК [23]. Математическая интерпретация этой классификации была предпринята в некоторых исследованиях, например, представляя расширение кольца за счет увеличения его диаметра или смещение папиллярных мышц за счет увеличения расстояния между папиллярными мышцами [24].

Митральный клапан — один из компонентов функциональной динамической системы. Систолическое и диастолическое состояние левого предсердия и левого желудочка, как и трансмитральный кровоток, играют значительную роль в функционировании клапана. В систолу свободные края створок смыкаются, закрывая клапан, тогда как в диастолу свободные края разделяются и клапан открывается [25, 26]. Существует два основных физиологических механизма, приводящих к снижению нагрузки на створки: седловидная форма кольца МК и прогиб створок.

Форма МК является ключевым моментом для многих аспектов его функции [12, 27]. Оценка морфологии МК может выявить различные нормальные и аномальные особенности, которые могут быть связаны с ухудшением клинических результатов хирургической реконструкции [12, 13, 28—30]. Нарушение любой из структур, составляющих единый сложный МК, может приводить к различной степени дисфункции. Поэтому неимоверно важно изучение анатомии, физиологии и морфометрии нормального МК с применением новейших технологий. По данным современной литературы, проведены исследования, посвященные математическому и компьютерному моделированию in vivo и in silico на разных моделях: на свиньях [31], овцах [32] и человеке [33], а также исследования in vitro на моделях свиньи [34] и овцы [35]. В перспективе развития реконструктивной хирургии МК сердца стоит создание компьютерных моделей, позволяющих визуализировать нормальный клапан, созданный с учетом актуальных значений конкретного пациента.

Современные анатомо-функциональные особенности МК сердца к настоящему времени изучены достаточно хорошо. Большой вклад в изучение и преподавание анатомии сердца молодым хирургам внес Г.Э. Фальковский [36, 37].

Нормальный МК предотвращает обратный ток крови при ее прохождении через левые камеры сердца. Клапан отличается сложной геометрией и топографо-анатомической структурой, которая включает митральное фиброзное кольцо, переднюю и заднюю створки МК и подклапанный аппарат, представленный хордами и папиллярными мышцами [4].

Форма и диаметр МК изменяются в течение сердечного цикла, что делает его динамической структурой [37]. В диастолу кольцо имеет более круглую форму, тогда как в систолу меняется на трехмерную седловидную форму синхронно с закрытием клапана и коаптацией створок [4].

Хорды МК характеризуются местом их прикрепления и размером. У человека выделяют базальные, краевые и третичные хорды [38].

Папиллярные мышцы представляют собой динамические структуры, которые активно движутся в течение сердечного цикла. Исследование на собаках показало, что сокращение и укорочение этих мышц способствует открытию створок МК, тогда как их удлинение способствует коаптации створок [39]. Хотя глобально выделяют две папиллярные мышцы [40], обычно анатомически существуют группы мышц, примыкающих друг к другу, общее число которых может достигать пяти. Все они прикрепляются к стенке левого желудочка в его средней, верхней или нижней части [41]. При этом их форма разнообразна: они напоминают либо конус (коническую форму), либо эллиптический параболоид, имеющий усеченную форму, либо раздвоенный или разделенные натрое [41].

Топографически передняя створка МК очень близко прилегает к аортальному, продолжаясь в фиброзную основу некоронарной створки аортального клапана и левой коронарной артерии [23]. Прилегающий участок соответствует передней части митрального кольца, ограниченный левым и правым фиброзными треугольниками. Задняя поверхность кольца МК находится дистальнее фиброзных треугольников и включает нижнюю часть пространственной седловидной конструкции клапана [38].

Таким образом, правильная работа МК зависит от нормального функционирования каждого из его структурных элементов — сложной взаимосвязанной системы.

Морфометрия нормального митрального клапана сердца. Первое исследование, в котором рассматривалась анатомическая структура МК для определения ключевых размеров, появилось в начале 90-х годов прошлого века. Исследование K. Kunzelman и соавт. [42] было основано на изучении и сравнении иссеченного аппарата МК человека и свиньи. Эта работа позволила получить первые базовые измерения МК человека и свиньи ex vivo, касающиеся длины и высоты створок, а также хордального аппарата. С развитием методов медицинской визуализации исследования in vivo, таких как трехмерная (3D) чреспищеводная эхокардиография и подобные ей, начали использоваться количественные характеристики для оценки морфологии клапанного аппарата сердца человека у здоровых и больных людей [12, 33—35, 43], что имело важное значение для следующего этапа развития хирургии пороков сердца.

Последующие исследования начали фокусироваться на компьютерной обработке математических моделей кольца митрального клапана: I. Salgo и соавт. (2002) [44], M. Stevanella и соавт. (2002, 2009, 2019) [30, 45, 46], J. Park и соавт. (2019) [25, 47]. Форму створок изучали M. Stevanella (2009) и J. Park (2019) [25, 30, 45—47]. Архитектуру хорд митрального клапана как у человека, так и у свиньи изучали A. Kaiser и соавт. (2019) [48].

Кроме того, известны работы по морфометрии МК путем получения данных исследований in vitro [29, 32, 46, 49]; in vivo [12, 31—33, 50]; in silico (т.е. на основе использования силикагеля) [42]. Обобщили и углубили эти знания в своем исследовании D. Oliveira и соавт. [1] для возможности использования в хирургических целях.

В мире существуют математические алгоритмы, которые автоматически генерируют параметрические трехмерные модели митрального клапана человека, разработанные на основе разных методов исследования: эхокардиографических данных in vivo [51], трехмерной чреспищеводной эхокардиографии [52, 53] и изображений четырехмерной компьютерной томографии [54]. Однако все они имеют те или иные допущения.

Современные модели могут быть основаны на общих анатомических ориентирах МК, в основе которых лежат параметрические поверхности. D. Oliveira и соавт. [1] выделяют ориентиры, являющиеся относительными константами для размеров фиброзного кольца или других отношений в сердечном цикле. Ориентиры используются для построения компьютерных моделей нормального МК, в том числе для конкретного пациента в хирургических целях реконструкции митрального клапана:

— левый и правый фиброзные треугольники, расположенные между митральным и аортальным клапанами сердца [1, 24, 52, 55];

— межтригональное расстояние [1, 24, 55];

— переднелатеральная и заднемедиальная комиссуры, расположенные по свободным краям и являющиеся точками соединения створок [24];

— задняя точка середины кольца [1];

— верхушки папиллярных мышц [52, 54].

— свободные края створок [52, 54] и др.

Однако единого мнения в актуальной литературе по количеству и составу ориентиров пока не получено.

Геометрическая форма митрального клапана. Исследования как ex vivo, так и in vivo к настоящему времени определили параметры, которые описывают геометрическую форму МК человека и имеют важнейшее значение для его функции. Основные обобщенные современные параметры показаны в таблице, указаны диапазоны значений структур митрального клапана для здоровых и больных людей по данным актуальной литературы.

D. Oliveira и соавт. (2020) [1] настаивают на том, что наиболее правильная пропорция, отраженная в исследованиях литературы — это значения, полученные в середине систолы (таблица) [1, 50, 63]. Эти же пропорции подтверждаются корреляциями на основе размерных данных, полученных при внутрисердечных операциях и вскрытиях свежих сердец человека.

Основные современные геометрические параметры митрального клапана по данным D. Oliveira и соавт. (2020) [1], обобщивших данные предыдущих исследований [12, 23, 28, 33, 34, 42, 43, 50, 56—68]

Примечание. Размеры, полученные в момент: * — ранней систолы; ** — середины систолы; *** — конца систолы; # — усредненное значение за сердечный цикл; ## — ex vivo.

Исследование in vivo, основанное на изучении МК овец, показало наличие динамической кольцевой деформации. При этом самые большие деформации принадлежали задней области и, напротив, области комиссуры демонстрировали наименьшее количество изменений [29]. Несмотря на наличие такой динамической изменчивости у животных, соотношение передней и задней полуокружностей кольца МК человека остается практически неизменным на протяжении всего сердечного цикла [1]. Доказано, что процесс патологического расширения кольца МК различен для передней и задней полуокружностей МК человека — в отличие от задней, передняя часть фиброзного кольца менее склонна к расширению [24]. Математически это означает, что межтригональное расстояние не должно меняться даже при дилатации МК [57, 64]. Остальные 2/3 кольца (заднее полукольцо), которые в основном состоят из мышечной ткани, склонны к расширению [24]. Однако количественная величина этой пропорции в актуальной литературе противоречива: если в одних исследованиях отмечается, что передняя и задняя части соответствуют примерно 1/3 и 2/3 всего периметра кольца [61], то в других отмечается пропорция около 2/5 [63] или 3/5 [50]. При этом несоответствия пропорций в разных исследованиях могут обусловливаться разницей в анатомическом определении границ створок, которая в одних исследованиях принимается на уровне комиссур, в других — по так называемой самой низкой кольцевой высоте [24, 50, 61, 63, 69, 70, 71].

Часть геометрических компонентов кольца МК изменяется в норме в течение сердечного цикла, включая, например, переднюю и заднюю области кольца МК, переднезаднее (AP), переднелатерально-заднемедиальное (AL—PM) и межтригональное расстояния [62]. При этом и передняя, и задняя части кольца клапана участвуют в общем изменении длины и конфигурации митрального кольца в течение сердечного цикла. И хотя M. Rausch и соавт. (2011) [72] в исследовании на овцах сокращение кольца описывали только во время систолы, существуют другие работы по морфометрии МК человека, показывающие расширение кольца от середины систолы до ранней диастолы и сокращение между средней диастолой и ранней систолой [60, 72]. Таким образом, помимо самого математического значения параметра критически важно еще указание, в какой момент сердечного цикла он был измерен.

Форма нативного кольца здорового МК отличается сходством с седлом, характеризующимся кольцевой высотой. Эта конструкция снижает нагрузку на створки и уменьшает переднюю систолическую нагрузку, потенциально увеличивая долговечность возможных хирургических реконструкций при учете 3D-формы кольца МК [1, 44, 73]. На практике более глубокое седло соответствует более апикальному положению медиальной и латеральной частей кольца клапана, в то время как передняя и задняя части остаются в базальных отделах [44]. Математически это описывается количественно величиной отношения высоты кольца к ширине комиссуры (AHCWR) [12, 50, 63]. Таким образом, данный профиль МК человека зависит от ротационного положения кольца, что привело в свое время к созданию новых конструкций колец седловидной формы для аннулопластики [50, 63]. Фактически изменчивость клапана седловидной формы влияет на вариацию напряжения створки [44]: более глубокая форма седла, связанная с более высоким значением AHCWR [12], приводит к снижению пикового напряжения створки, как отмечается в вычислительном исследовании I. Salgo (2002) [44].

Математически кольцевая седловидная форма кольца МК в литературе определена с помощью уравнений параболоида, которые представляют собой квадратичные поверхности с одной осью симметрии или без центра симметрии [44, 45—47, 70—75]. Например, I. Salgo и соавт. (2002) [44] использовали гиперболический параболоид, тогда как J. Park и соавт. (2019) [47] — гиперболический параболоид и изогнутый тороид для определения формы седла.

В 2D-эхокардиографическом исследовании D. Oliveira и соавт. (2020) [1] обнаружены геометрические корреляции, касающиеся расстояния AL-PM (переднелатерально-заднемедиального размера МК) и других размеров митрального кольца [1]. Клиническое исследование H. Warraich и соавт. (2012) [74] чреспищеводной 3D-эхокардиографии с акцентом на конечные систолические размеры выявило более низкие углы между передней и задней серединами кольца в области комиссуры (NPA), которые были связаны с увеличением отношения AH (annular height) к расстоянию AL-PM [76].

Угол между передней и задней серединами кольца в области комиссуры (NPA) по данным литературы является важным фактором, но не единственным, влияющим на кольцевую седловую деформацию. Углы створок (αA и αP) и общий треугольник коаптации (2D-треугольник, образованный диаметром AP, передними и задними створками, во время коаптации створок), включая его высоту и площадь также играют важную роль при оценке геометрии и функции МК человека по данным современной литературы [1, 43, 68, 69, 76].

Существует гипотеза, согласно которой коаптационный треугольник здорового МК может быть основан на правиле золотого сечения — соотношении, наблюдаемом в природе, которое возникает в результате разделения определенного сегмента на две идентичные части [68]. Такие соотношения дают иррациональное число, округленное до 0,618 или 1,618, известное как золотая пропорция. В исследовании L. Deorsola и A. Bellone (2018) [68] утверждается, что значение 0,618 может быть получено соотношением между передним сухожильным тяжем и диаметром AP, между задним и передним сухожильными тяжами, а также между высотой общего треугольника коаптации и задним сухожильным тяжем. Авторы обнаружили сильные корреляции между исходным коаптационным треугольником и «золотым треугольником» во время ранней систолы, демонстрируя хорошие положительные линейные связи. Из-за технических ограничений визуализации авторы не смогли оценить коаптационный треугольник и повторить измерения для разных фаз сердечного цикла, чтобы определить, останется ли «золотая пропорция» в разные фазы сердечного цикла [68]. Тем не менее надо полагать, что передние и задние углы створок являются важными элементами для оценки прикрепления створок, при этом угол задней створки ≥45° служит показателем сильного ограничения движения створок при ишемической митральной регургитации. В рядн современных исследований показано, что угол фиксации сегмента P3 менее 28,8° прогнозирует усиление регургитации в послеоперационном периоде [77, 78].

С диагностической и хирургической точки зрения, это означает, что углы створок могут представлять собой важные параметры для выявления ранних изменений анатомии МК как и для развития хирургических и интервенционных методов лечения патологии МК, а также послеоперационной инструментальной диагностики, особенно если эти данные коррелируют с другими размерами коаптационного треугольника [68].

Створки митрального клапана. Впервые геометрические параметры передней створки у человека были определены на основе данных ex vivo, полученных L. Duplessis и P. Marchand (1964) [79]. В исследовании были обнаружены зависимости между площадью поверхности передней створки и другими размерами клапана с умеренной корреляцией с длиной свободного края.

Основное внимание в последующих исследованиях было уделено математическому определению свободного края створок. В литературе задняя створка описывается математически как непрерывная полулунная полоска вокруг кольца МК — либо с углублениями [45, 46, 80], либо без них [24, 28, 81, 82]. Уравнения были получены с помощью математических гармонических функций [45], сплайн-функций [46] и параметрических уравнений [82]. Однако в значительной степени все они упрощают нативную форму задней створки, что приводит к чрезмерно идеализированной геометрии клапана [1]. Результаты поведенных исследований потенциально могут лечь в основу создания высокоточных моделей, касающихся здорового, больного и восстановленного МК. Однако интеграция этих знаний в создание глобальной компьютерной модели идеального МК человека in vivo пока остается сложной задачей.

Подклапанный аппарат. В настоящее время для моделирования МК человека математически принято сильно упрощать форму папиллярных мышц, а также схемы прикрепления хорд. Так, некоторые исследования представляют вершины папиллярных мышц как уникальные трехмерные точки, в которые вставляются все хорды [28, 45, 80—86]. Другие исследователи предполагают, что парабола представляет собой двумерный разрез формы папиллярной мышцы, с хордами, прикрепленными к вершинам папиллярных мышц [47]. Некоторые исследователи описывают сферическую [14, 46, 78] или С-образную форму [80] папиллярных мышц, и создают разные точки прикрепления хорд согласно их классификации.

Папиллярные мышцы. Пространственное положение папиллярных мышц у человека было определено математически T. Sakai и соавт. (1999) [83] и M. Tsukiji и соавт. (2008) [56]. Эти исследования были проведены с учетом таких измерений, как расстояние от папиллярных мышц до митрального кольца или до коаптации створок. В исследованиях были проведены измерения папиллярных мышц в пяти ключевых точках условного циферблата. При таком подходе каждая мышца связана с тремя расстояниями до кольца клапана, что позволило описать трехмерное пространственное положение их верхушек. Кроме того, было описано расстояние между папиллярными мышцами и угол между ними. В более позднем исследовании S. Stephens и соавт. (2017) [84] были использованы знания о подобных измерениях для создания аппарата трехмерной магнитно-резонансной томографии высокого разрешения, что привело к созданию высококачественных трехмерных моделей структуры МК человека.

Хорды. Математическое описание сухожильных хорд человека остается сложной задачей из-за того, что их геометрию крайне трудно досконально изучить с помощью современных обычных методов визуализации in vivo [4, 69, 70, 71], а это означает, что исследования ex vivo у человека служат основными источниками знаний об анатомии хордального аппарата. Как показали предыдущие исследования на свежих сердцах людей ex vivo, хорды отличаются морфологическим разнообразием по количеству, точкам прикрепления к створкам, толщине и характеру ветвления [85]. С помощью доступных в настоящее время методов визуализации трудно охарактеризовать точную локализацию прикрепления хорд к створкам и тем более математически описать расположение точек прикрепления к папиллярным мышцам [56]. Следовательно, современные математические описания хордального аппарата как множества связанных уникальных точек являются ограниченными и низко репрезентативными.

Недавние исследования A. Khalighi и соавт. (2017) [69, 70], основанные на прижизненном изучении МК овец, позволили оценить возможные направления будущего изучения геометрии и топографии сухожильных хорд, а также оценить механизм влияния на работу всего клапана нативных анатомических характеристик хорд [70]. Авторы использовали криволинейные модели для определения угла NPA, а также проанализировали пространственное распределение мест прикрепления хорд к створкам. Указанная работа дала ценную информацию о геометрических характеристиках хорд, включая наличие неоднородной площади поперечного сечения вдоль каждого сегмента (при этом структура хорд характеризовалась утончением по мере удаления от кончика папиллярных мышц); двухмерной природе хорд, которые вместе образуют трехмерную несущую опорную структуру створок МК и о разработке аналитических статистических моделей, описывающих геометрию хорд, а также позволяющих прогнозировать возможные формы хорд [69, 70]. Чуть позже, в 2019 г. те же авторы обнаружили, что различная площадь поперечного сечения, схемы ветвления и точная локализация папиллярных мышц в одном и том же месте не оказывают значительного влияния на работу МК овец, и описали оптимальный диапазон количества хорд для соответствующей функции, который исключил более 75% дополнительных хорд [1, 71]. Таким образом, исследования A. Khalighi и соавт. [69—71] были крайне полезны в аспекте геометрических характеристик сухожильных хорд, которые, возможно, могут быть применены при разработки более сложных моделей МК человека и методов прижизненной визуализации in vivo.

Таким образом, анатомия и физиология МК сложны, изучались на протяжении прошлого века и служат базой для построения математических моделей на современном этапе развития медицины [74—86]. Математическим моделированием отдельных структур МК в различные фазы сердечного цикла занимаются ученые в разных частях мира последние десятилетия. Попытки компьютерного моделирования, направленные на объединение математического описания функций разных составных частей МК, также ведутся, однако крайне сложны и требуют мультидисциплинарного подхода: требуют привлечения не только кардиохирургов, но и кардиологов, специалистов ультразвуковой диагностики, а также математиков и целых лабораторий математического моделирования [87, 88]. Разработки зарубежных специалистов и создание отечественной версии программного обеспечения с созданием виртуального двойника МК, безусловно, могут помочь в дальнейшем понимании возможностей открытых и интервенционных операций на МК сердца: от эндоваскулярных процедур до открытого хирургического лечения, особенно реконструктивных пластических операций на МК сердца.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Комаров Р.Н., Дыдыкин С.С., Дракина О.В.

Сбор и обработка материала — Бабакулова Н.М., Васалатий И.М., Дружинин Н.М., Першина Е.С.

Написание текста — Васалатий И.М., Дружинин Н.М., Chauhan Shikha

Редактирование — Дракина О.В., Першина Е.С.

Participation of authors:

Concept and design of the study — Komarov R.N., Dydykin S.S., Drakina O.V.

Collection and processing of material — Babakulova N.M., Vasalatii I.M., Druzhinin N.E., Pershina E.S.

Text writing — Vasalatii I.M., Druzhinin N.E., Chauhan Shikha

Editing — Drakina O.V., Pershina E.S.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.