Анатомические особенности и гемодинамические аспекты сосудистых анастомозов в реконструктивной сердечно-сосудистой хирургии

В 1912 г. французский хирург Алексис Каррель был удостоен Нобелевской премии за разработку методов сшивания сосудов — технику, совершившую переворот в хирургии [1, 2]. Его работы заложили фундамент всей современной реконструктивной сердечно-сосудистой хирургии. Последующее столетие стало эпохой совершенствования шовных материалов, инструментов и тактик, превративших сосудистый шов в повседневную отточенную процедуру.

Однако техническая возможность соединения сосудов не гарантирует долговременного успеха реконструкции. Ключевым условием эффективности и проходимости созданного анастомоза является соответствие его архитектуры законам гемодинамики. Как подчеркивается в классических руководствах, именно гемодинамические нарушения в зоне анастомоза лежат в основе большинства отдаленных осложнений [3]. Восстановление анатомической целостности должно сопровождаться восстановлением физиологичных параметров кровотока — ламинарности, скорости и распределения давления. Именно этот принцип стал краеугольным камнем современной сосудистой хирургии.

Сосудистый анастомоз, под которым понимают хирургическое соединение концов сосудов для восстановления непрерывности кровотока, является узловой точкой любой реконструкции. Его геометрия, угол вхождения, состояние краев сшиваемых стенок и множество других параметров напрямую влияют на гемодинамический режим в зоне операции, определяя риск тромбоза, гиперплазии интимы и в итоге длительность его функции [4, 5].

Несмотря на обилие клинических рекомендаций, вопрос об оптимальной геометрии анастомоза остается дискуссионным. Одни авторы отстаивают преимущество острых углов (30—45°) для снижения турбулентности, другие — прямых углов (90°) для лучшего распределения потока [6, 7]. Однако большинство этих рекомендаций основано на эмпирическом опыте, а не на точных количественных данных. С появлением высокоточных методов компьютерного моделирования и вычислительной гидродинамики (CFD) у хирургов появилась возможность не только оценивать, но и прогнозировать гемодинамические последствия того или иного типа анастомоза у конкретного пациента [8, 9].

Цель исследования — определить анатомически оптимальную конфигурацию и гемодинамические параметры различных типов сосудистых анастомозов методом численного моделирования для обеспечения долговременной проходимости.

Материалы исследования. Для достижения поставленной цели нами проведено численное моделирование кровотока в трех классических типах анастомозов: «конец в конец», «конец в бок» (угол 35°) и «конец в бок» (угол 90°; рис. 1).

Рис. 1.Типы исследуемых анастомозов (схематическое изображение).

а — «конец в конец»; б — «конец в бок» под углом 35°; в — «конец в бок» под углом 90°.

Исследование выполнено полностью in silico; материалы (биологические ткани) человека не использовали. Период проведения моделирования — январь—сентябрь 2024 г.

Моделирование проводили в условиях, максимально приближенных к физиологическим: пульсирующий поток, соответствующий частоте сердечных сокращений 70 уд/мин, среднее давление в сосуде 100 мм рт.ст. Кровь моделировали как ньютоновскую жидкость с плотностью 1050 кг/м³ и вязкостью 0,0035 Па·с.

Критерии отбора.Критерии включения: неприменимо (исследование не предполагало отбора биологических объектов). Критерии невключения: неприменимо. Критерии исключения: неприменимо.

Целевые показатели исследования. Основной показатель — характер потока (ламинарный/турбулентный) и наличие/отсутствие зон рециркуляции (обратных токов) в зоне анастомоза.

Дополнительные показатели:

— число Рейнольдса (Re) как количественная характеристика режима течения;

— распределение скоростей (поля скоростей) в зоне анастомоза;

— интенсивность турбулентности (качественная оценка вихрей).

Методы измерения целевых показателей. Измерение (расчет) показателей выполнено методом вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics, CFD). Все расчеты проведены в соавторстве с к.т.н. В.С. Топталовым (кафедра процессов и аппаратов СПбГТИ(ТУ)) с использованием программного пакета ANSYS Fluent 2023 R2 (ANSYS Inc., США). Для построения полей скорости течения крови решалась математическая модель, представленная уравнениями законов сохранения массы и импульса в стандартной для ньютоновской несжимаемой жидкости форме:

·u=0,

ρ (∂u/∂t + u·u)=—p+μ²u,

где u — вектор скорости, p — статическое давление, ρ — плотность крови (1050 кг/м³), μ — динамическая вязкость (0,0035 Па·с).

Приведенная система уравнений решалась в каждой ячейке сетки конечных элементов. Размер расчетной сетки составил 2 мм для всех анализируемых моделей. Пример расчетной сетки приведен на рис. 2.

Рис. 2.Пример расчетной сетки конечных элементов (визуализация).

Моделирование выполнено с использованием программного пакета ANSYS Fluent 2023 R2 (ANSYS Inc., США). Граничные условия: на входе — пульсирующий профиль скорости (70 уд/мин, среднее давление 100 мм рт.ст.), на выходе — давление 0, на стенках — условие прилипания. Решатель — на основе конечных объемов, временная схема — второго порядка точности. Для замыкания уравнений использована модель турбулентности k-ω SST.

Верификация численного решения. Для базовой модели «конец в конец» проведено исследование сеточной сходимости на трех сетках: 2,5 мм (грубая), 2,0 мм (использованная) и 1,5 мм (мелкая). Различие по средней скорости в зоне анастомоза между сетками 2,0 и 1,5 мм не превысило 3,2%, что признано достаточным. Дополнительно модель верифицирована на тестовой задаче течения Пуазейля в прямой трубке: отклонение расчетного профиля скорости от аналитического параболического профиля составило менее 2%.

Оценку целевых показателей проводили путем визуализации полей скоростей и расчета числа Рейнольдса по диаметру сосуда и средней скорости. Зоны рециркуляции идентифицировали по отрицательным осевым скоростям. Поскольку исследование являлось вычислительным (in silico), а все целевые показатели определялись автоматически решением системы уравнений без участия субъективной оценки, ослепление исследователя относительно типа анастомоза не проводилось и не могло повлиять на результаты.

Обработка данных. Статистический анализ не проводился, так как исследование являлось детерминистическим численным моделированием. Все результаты получены прямым решением уравнений гидродинамики без использования вероятностных методов. Описание результатов выполнено в виде визуализации полей скоростей и расчета числа Рейнольдса.

Соблюдение этических стандартов. Исследование выполнено методом вычислительной гидродинамики (in silico) без использования биологических объектов, материалов человека или экспериментальных животных. Этическая экспертиза не проводилась и не требовалась в соответствии с законодательством РФ и правилами учреждения.

Численный анализ выявил значительную разницу в гемодинамической картине при течении крови через анастомозы различных видов.

Анастомоз «конец в конец». При течении крови через анастомоз данного типа весь поток равномерно устремляется в протез, не образуя при этом сильных завихрений. Небольшие вихри регистрируются только в непосредственной переходной зоне, что связано с незначительным изменением диаметра сосуда (рис. 3).

Рис. 3. Поле скорости в анастомозе типа «конец в конец».

а — продольный срез; б — поперечное сечение.

Поток течет ровно, вся кровь попадает в протез, застойных зон и обратных токов не наблюдается. Значение критерия Рейнольдса составляет 9500 (переходный режим); при этом визуализация потока не выявила крупных вихревых структур и зон рециркуляции, что свидетельствует о значительно более благоприятной гемодинамике по сравнению с другими конфигурациями.

Анастомоз «конец в бок» под углом 35°. В просвете протеза образуется выраженный вихрь и зоны обратных токов (рециркуляции) (рис. 4). Рециркуляция локализована преимущественно в области «пятки» анастомоза.

Рис. 4. Поле скорости в анастомозе типа «конец в бок» под углом 35°.

Анастомоз «конец в бок» под углом 90° (Т-образный). Формируется крупный вихрь в переходной зоне, его масштаб и интенсивность турбулентности значительнее, чем при угле 35° (рис. 5).

Рис. 5.Поле скорости в анастомозе типа «конец в бок» под углом 90°.

а — общий вид; б — зона анастомоза крупно.

При пульсации крови поток может преимущественно уходить в дистальное русло нативного сосуда, не попадая в протез в должном объеме.

Траектории потока течения крови (рис. 6) визуализируют ранее описанные закономерности. В анастомозе «конец в конец» (см. рис. 6, а) поток имеет упорядоченный, прямолинейный характер. В анастомозе «конец в бок» под углом 35° при прохождении крови в протез появляются спиралевидные завихрения (см. рис. 6, б). Траектории потока в анастомозе «конец в бок» под углом 90° (см. рис. 6, в) демонстрируют наличие крупных вихрей, занимающих значительную часть просвета как протеза, так и нативной артерии дистальнее анастомоза.

Рис. 6.Траектории потока.

а — «конец в конец»; б — «конец в бок» под углом 35°; в — «конец в бок» под углом 90°.

Объекты исследования. Исследование не включало биологических объектов; «выборка» состояла из трех компьютерных моделей анастомозов. Формирование выборки не требовалось, так как все запланированные конфигурации были рассчитаны полностью.

Основной результат исследования. Анастомоз «конец в конец» обеспечивает поток без зон рециркуляции (Re=9500), тогда как оба варианта анастомоза «конец в бок» генерируют турбулентность и рециркуляционные зоны, максимально выраженные при угле 90°. Анализ чувствительности не проводился из-за детерминистического характера модели.

Дополнительные результаты исследования. Дополнительные показатели:

— число Рейнольдса для «конец в конец» — 9500 (вихревые структуры не обнаружены); для анастомоза «конец в бок» оценка Re затруднена из-за турбулентности, однако локальные значения достигают >10⁴;

— поля скоростей показали, что при анастомозе в «конец в бок» 90° максимальная скорость в зоне сужения достигает 1,8 м/с против 1,2 м/с при анастомозе в «конец в конец»;

— интенсивность турбулентности (визуально) максимальна при 90° с формированием крупных вихрей, занимающих почти 40% просвета протеза.

Резюме результатов исследования. Проведенное численное моделирование показало, что из трех исследованных конфигураций только анастомоз «конец в конец» обеспечивает поток без зон рециркуляции. Анастомозы «конец в бок» (35° и 90°) неизбежно создают турбулентность и вихри, причем при угле 90° возникают наиболее грубые нарушения с потенциальной редукцией объемного кровотока в протез.

Интерпретация результатов исследования. Полученные результаты согласуются с классическими работами S. Rittgers и соавт. (1978) [4], которые на моделях собак показали ускоренную гиперплазию интимы в дистальном анастомозе «конец в бок». Наши данные количественно подтверждают, что угол 90° наиболее неблагоприятен. M. Ojha и соавт. (1994) [10] методом лазерной допплеровской анемиометрии также показали, что при угле >45° возникают зоны низкого сдвигового напряжения. Современные CFD-исследования [11, 12]) подтверждают, что при моделировании магистрального кровотока турбулентные эффекты значимы при Re >3000, а оптимальные углы анастомозов лежат в диапазоне 30—45°. Аналогичные выводы получены в работах J. Apan и соавт. (2023) [13] и G. Pennati и соавт. (2000, 1997) [14, 15], которые также подчеркивают решающую роль геометрии анастомоза при численном моделировании. В недавнем исследовании P.Wongchadakul и соавт. (2024) [16] для микрохирургии оптимальным был признан угол 90°, что противоречит нашим выводам. Это объясняется разным масштабом сосудов (микрохирургия — диаметры <2 мм, где доминируют вязкостные эффекты) и иными критериями. В нашем случае (диаметр 6—8 мм, магистральный кровоток) физика течения ближе к той, что описана для артериовенозных фистул [17], где рекомендованы углы 30—45°, а не 90°.

Наши результаты впервые показывают, что при угле 90° возникает эффект «конкуренции потоков»: из-за инерции кровь предпочитает продолжать движение по нативному сосуду, а не поворачивать в протез. Это может приводить к стазу и тромбозу протеза. Это согласуется с клиническими наблюдениями при использовании различных хирургических техник: инвагинационные методы (Соколов В.В. и др., 2016), инновационные приемы при спленоренальном анастомозе (Анисимов А.Ю. и др., 2024) и экспериментальные работы с полимерными гелями (Chang E. et al., 2011) показывают, что даже при технически безупречном исполнении неоптимальная гемодинамика ведет к осложнениям [18—20]. Таким образом, клинически значимый вывод состоит в следующем: при выборе анастомоза «конец в бок» следует стремиться к углу не более 35—40°, а еще лучше использовать конфигурацию «конец в конец» везде, где это анатомически возможно.

Ограничения исследования. Настоящее исследование имеет следующие ограничения, которые необходимо учитывать при интерпретации результатов.

Ограничения, связанные с выборкой: исследование выполнено in silico на трех идеализированных моделях анастомозов. Реальные сосуды имеют индивидуальную анатомию (извитость, неоднородность стенки, наличие бляшек), что не было учтено. Экстраполяция результатов на конкретного пациента ограничена.

Ограничения, связанные с сопоставимостью групп: все три конфигурации рассчитывали при одинаковых граничных условиях, что обеспечивает корректность сравнения. Однако в хирургии выбор типа анастомоза диктуется также диаметрами сосудов и их взаимным расположением.

Ограничения, связанные с целевыми показателями: мы оценивали только гидродинамические параметры, но не рассчитывали напряжение сдвига на стенке и осцилляторный индекс. Это не позволяет напрямую судить о риске гиперплазии интимы.

Ограничения, связанные с методами измерения: использована модель ньютоновской жидкости. В действительности кровь — неньютоновская жидкость, особенно в зонах низкого сдвига. Кроме того, расчет при Re=9500 без явной модели турбулентности допустим лишь для относительного сравнения конфигураций; в дальнейших исследованиях целесообразно применять модели турбулентности (например, k-ω SST) для количественных предсказаний [21, 22]. Размер расчетной сетки (2 мм) может быть недостаточным для разрешения мелких вихрей.

Направление дальнейших исследований — интеграция CFD-моделирования с предоперационной визуализацией (КТ-ангиография) для персонализированного прогнозирования гемодинамики, а также применение моделей турбулентности и неньютоновских реологических моделей крови [21, 22].

Выбор конфигурации сосудистого анастомоза при реконструктивных операциях должен основываться не только на технических предпочтениях, но и на гемодинамических критериях. Наше численное моделирование показало, что анастомоз «конец в конец» является наиболее физиологичным, обеспечивая благоприятный поток без зон рециркуляции. Анастомоз «конец в бок» требует строго индивидуального подхода с учетом угла (предпочтительно 35°, а не 90°) и типа сосудистого протеза. Полученные данные обосновывают необходимость предоперационного CFD-планирования в сложных случаях реконструктивной хирургии.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Арустамян В.А., Михайлов И.П.

Сбор и обработка материала — Арустамян В.А., Дыдыкин С.С.

Написание текста — Арустамян В.А.

Редактирование — Дыдыкин С.С., Михайлов И.П.

Participation of authors:

Concept and design of the study — Arustamyan V.A., Mikhailov I.P.

Data collection and processing — Arustamyan V.A., Dydykin S.S.

Text writing — Arustamyan V.A., Dydykin S.S.

Editing — Mikhailov I.P.

Благодарность

Авторы выражают искреннюю признательность Топталову Валерию Сергеевичу, к.т.н., ассистенту кафедры процессов и аппаратов СПбГТИ(ТУ), за неоценимую помощь в написании статьи и проведении численного моделирования (согласие на упоминание получено).

Acknowledgments

The authors express their sincere gratitude to Valery Sergeyevich Toptalov, PhD, Assistant Professor at the Department of Processes and Apparatuses at St. Petersburg State Technical University (TU), for his invaluable help in writing the article and conducting numerical modeling (consent to mention has been received).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.