Введение

Дисфункция тазового дна в настоящее время остается важной медико-социальной проблемой женского населения. Ее распространенность варьирует, по данным эпидемиологических исследований, и достигает 18—30% [1, 2]. Несмотря на это, уровень осведомленности пациенток остается низким, что ведет к позднему обращению к врачу на том этапе, когда хирургическое лечение является безальтернативным. Так, 11—12,6% женщин переносят хотя бы одно оперативное вмешательство по поводу этой нозологии в течение жизни [3, 4]. Снижение качества жизни является основополагающим аспектом патологии, который служит причиной обращения к врачу и играет роль при принятии решения об оперативном вмешательстве, а построение персонифицированного подхода в лечении пациенток с пролапсом тазовых органов (ПТО) и недержанием мочи остается актуальной задачей в гинекологии.

В настоящее время концепция трехуровневой поддержки тазового дна, теория «субуретрального гамака», предложенные J. DeLancey [5], и интегральная теория динамической анатомии P. Petros и соавт. [6] служат базисом к пониманию патофизиологии заболевания. Благодаря им подходы к хирургическому лечению пациенток с дисфункцией тазового дна были пересмотрены за последние 30 лет, что позволило улучшить исходы оперативного лечения.

Нам известно о целом ряде модифицируемых и немодифицируемых факторах риска, которые при детальном рассмотрении основаны на эпидемиологических исследованиях и носят противоречивый характер [7—10]. В то же время цельная патофизиологическая картина до сих пор отсутствует. Ранее с целью изучения дисфункции тазовых органов использовались такие методы, как ультразвуковое исследование (УЗИ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (КТ) [11].

За последние десятилетия программное обеспечение позволило выйти на новый уровень обработки информации за счет внедрения в практику нейронных сетей и систем моделирования методом конечных элементов (МКЭ) [12]. Создание моделей тазового дна дало возможность детальнее изучить биомеханику мышечно-связочно-фасциального аппарата женского малого таза [13]. И хотя большинство имеющихся подобных моделей пребывают на этапе ознакомительного изучения, на горизонте прослеживаются перспективные точки приложения технологии в клинической практике.

Целесообразно дать комплексную оценку достижениям в данной сфере, очертить текущую степень освоения моделирования тазового дна в рамках изучения этиологии, патофизиологии и методов коррекции ПТО и недержания мочи.

Истоки метода конечных элементов

Первоначально МКЭ возник в инженерии для проектирования и анализа изучаемых объектов и был основан на принципах механики сплошных сред. Метод позволяет решать сложные задачи, разбивая их на конечное число взаимосвязанных, что облегчает математические расчеты. Таким образом, чем мельче непосредственно полученные элементы, тем более точным получается итоговый результат [14]. Анализ МКЭ учитывает геометрическую форму, структуру и испытываемую исследуемым объектом нагрузку, в итоге моделируя давление, натяжение и смещение. Метод нашел применение в медицинской науке: ортопедии, офтальмологии, стоматологии. Это позволило оценивать механическое воздействие на ткани, проводить симуляции операций, разрабатывать эндопротезы на доклиническом этапе [15].

Органы малого таза включают целый комплекс органов трех систем: мочевыделительной, репродуктивной и желудочно-кишечного тракта, которые находятся в тесной анатомо-функциональной взаимосвязи между собой. Основной сложностью в моделировании комплекса тазового дна является неоднородность тканей по плотности, упругости и эластическим свойствам. Вначале метод был ограничен техническими возможностями методов неинвазивной диагностики, однако с развитием МРТ и программного обеспечения для визуальной трехмерной обработки томограмм такая проблема была решена [16].

Кроме того, одним из препятствий по созданию биологически достоверной модели органов малого таза является отсутствие возможности точного замера упругих свойств несжимаемых тканей. Практически все ткани в организме можно отнести к последним, за исключением костей скелета, дентина зубов, эмали и пр. Физические свойства таких гиперупругих материалов с позиции механики деформируемого тела описываются нелинейными законами связи напряжения — деформации, например, Муни—Ривлина, Ривлина, Нео—Гука, Огдена. Выбор и формирование параметров моделей, определяющих соотношения для гиперупругих материалов, представляют собой актуальную задачу биомеханики [17]. Большинство исследований по изучению подобных свойств у органов репродуктивной системы было проведено преимущественно на млекопитающих in vivo и ex vivo, а у человека в большей степени исследованы удаленные неживые фрагменты тканей [18]. За счет развития неинвазивных методов диагностики в последние годы появляется все больше данных по их изучению на живых женщинах-волонтерах [19, 20]. Несмотря на это, точность диагностики по-прежнему недостаточна, отчего результаты обладают высокой вариабельностью, что затрудняет их дальнейшее использование при составлении моделей МКЭ [21].

Проведение анализа МКЭ в современном виде представляет собой пять последовательных этапов [22]:

1. МРТ органов малого таза с применением томографа с высокой разрешающей способностью (3Т);

2. Создание 3D-модели из полученных МР-срезов.

3. Трансформация 3D-модели в геометрическую полигональную сетку.

4. Моделирование твердых тел из полученной сетки.

5. Численное моделирование: биомеханическое исследование с использованием с помощью МКЭ линейных упругих механических свойств, описанных в литературе.

Таким образом, полученные МР-изображения преобразуются в физическую модель, способную оценивать биомеханические свойства тканей под воздействием нагрузок. Это позволяет оценить вклад каждого структурного элемента малого таза в поддерживающий аппарат внутренних половых органов. Схематически этапы отображены на рис. 1 на цвет. вклейке.

Рис. 1. Этапы построения модели МКЭ (M. Lallemant и соавт.) [22].

Построение модели тазового дна при пролапсе тазовых органов

Самые ранние работы по моделированию опорного аппарата органов малого таза МКЭ велись с упором на биомеханику и функцию мышц тазового дна. Определив роль мышц, поднимающих задний проход, как ключевую в генезе ПТО, исследователи выделили ключевые различия в их строении у женщин с заболеванием, без него и даже их трансформацию в процессе самопроизвольных родов [23, 24].

Так, J. Martins и соавт. [25] взяли за основу своей модели геометрические данные мышц, поднимающих задний проход, из кадаверного исследования S. Janda и соавт. [26] и объединили их с таковыми скелетного каркаса костей таза. Это позволило провести симуляцию (моделирование) родоразрешения и выявить, что в процессе изгнания плода пассивное давление чаще всего оказывает свой максимальный эффект на m. puborectalis [25]. Позже усилиями S. Lee и соавт. [27] и L. Hoyte и соавт. [28] данные модели были модернизированы с применением не только МРТ, но и с помощью перинеометра.

G. Giraudet и соавт. [29] в 2018 г. впервые составили трехмерную модель мышц тазовой диафрагмы и промежности, которую возможно использовать в образовательных и исследовательских целях (рис. 2 на цвет. вклейке). В последующем большинством авторов было подчеркнуто, что для полноценной верификации физических деформаций мягких тканей родовых путей важно учитывать не только мышцы тазового дна, но и промежности. Подобное дополнение модели тазового дна существенно повлияло на измеряемые параметры, полученные в ходе последующих исследований, в связи с этим в дальнейших работы стали учитывать комплексное строение мышечного аппарата малого таза, участвующего в изгнании плода [30].

Рис. 2. Трехмерная модель мышц тазовой диафрагмы и промежности (G. Giraudet и соавт. [29]).

B — мочевой пузырь, V — влагалище, Pb — сухожильный центр промежности, EAS — наружный анальный сфинктер, C — копчиковая мышца, PV — лонно-влагалищная мышца, IlC — подвздошно-копчиковая мышца, PA — лонно-анальная мышца, PR — лонно-прямокишечная мышца, PP — лонно-копчиковая мышца.

R. Xuan и соавт. [31] в 2021 г. опубликовали расширенный вариант модели L. Hoyte и соавт. [28], в которой провели детальный анализ второго периода родов. Сравнивая различные диапазоны изменений бипариетального размера головки, проходящей через родовой канал, авторы обобщили, что лонно-копчиковые мышцы испытывают максимальное напряжение в местах фиксации между собой и к надкостнице лонных костей. R. Moura и соавт. [32] в своей работе дополнили их наработки и включили в разработанную модель область сухожильного центра промежности и мышц, входящих в его состав. Ранее их роль в генезе ПТО была упущена из-за невозможности детальной визуализации этой области во время МРТ. Однако исследователи обнаружили, что расширенный вариант модели демонстрировал пиковое напряжение в сухожильном центре промежности вблизи половой щели. Был также описан механизм его травм в ходе родовых потуг, которые нередко прогрессируют в акушерские травмы анального сфинктера [32].

J. Luo и соавт. [33] опубликовали результаты анализа МКЭ, оценивающего зависимость степени пролапса передней и задней стенок влагалища от несостоятельности поддерживающих структур малого таза. Исследователи обнаружили интересный результат, называемый конкуренцией органов. Феномен заключается в том, что при преобладании пролапса передней стенки влагалища эффективная сила, воздействующая на данную стенку, снижает таковую с противоположной стороны на задней стенке и предотвращает прогрессирование ректоцеле [33]. Эта картина подтверждает ранее описанную в литературе теорию, согласно которой пролапс одной из стенок влагалища «защищает» противоположную, а также наблюдения, при которых хирургическая коррекция одной из стенок перераспределяет вектор давления на интактную зону [34—36].

В 2013 г. исследователи Механической лаборатории г. Лилль опубликовали результаты анализа трехмерной системы тазового дна, основанного на смещении органов малого таза при динамической МРТ. Отмечено существенное влияние дефектов фасции и удлинения связочного аппарата на формирование цистоцеле, в отличие от физической деградации тканей [37]. Позже авторами такая симуляция была составлена с учетом возрастных особенностей, что позволило сравнить смещение стенок влагалища у молодых и пожилых пациенток. Сделан вывод, что на формирование цистоцеле не оказывает существенное влияние изменение свойств тканей и возраст. При этом было отмечено, что геометрические изменения играют значительную роль в возникновении и прогрессировании ПТО [38].

X. Liu и соавт. [39] разработали модель МКЭ, демонстрирующую подвижность мышечно-связочного аппарата тазовых органов на фоне повышения внутрибрюшного давления. В исследовании отмечено, что передняя стенка влагалища подвержена большей деформации при пробе Вальсальвы в отличие от задней стенки влагалища, а максимальное смещение в продольном направлении происходит в верхних отделах влагалищной трубки [39]. В большинстве случаев зоной повышенного риска было место фиксации лонно-шеечной фасции к сухожильным дугам фасции малого таза, что подчеркивает важность коррекции паравагинальных дефектов при ПТО. Таким образом, наглядно была продемонстрирована причина высокой частоты переднего и переднеапикального фенотипов в структуре заболевания и предложены пути к их хирургической коррекции.

Позднее модель фиксирующего аппарата тазового дна была дополнена J. Chen и соавт. [40], обосновавшими ключевую роль крестцово-маточно-кардинального комплекса в качестве фиксирующего аппарата матки, что обеспечивает биомеханическую устойчивость апикального сегмента влагалища.

Наиболее полная модель тазового дна была составлена в Военно-медицинском университете г. Чунцин. Данная симуляция была создана в рамках проекта “Chinese visible human”, который представляет собой собранные воедино КТ- и МРТ-сканы, сопоставленные с анатомическими срезами без единого пропуска, что позволило обеспечить реалистичную передачу цвета, адекватного цвету органов живого человека [41]. Подобная детализация позволяет отнести данную модель МКЭ к перспективному базису для последующих исследований в патофизиологии ПТО и недержания мочи.

Построение модели тазового дна при недержании мочи

Так как проблема недержания мочи является клиническим вариантом дисфункции тазового дна, стоит также упомянуть наработки в изучении этой проблемы.

Основными причинами формирования стрессового недержания мочи служат недостаточность сфинктеров уретры и анатомическое нарушение «субуретрального гамака», описанные J. DeLancey и J. Ashton-Miller [42]. Со временем этот патофизиологический механизм гипермобильности уретровезикального сегмента был неоднократно подтвержден результатами динамических МРТ и УЗИ, показавшими связь нарушения поддерживающего аппарата уретры с клинической картиной стрессового недержания [43, 44]. Однако в его состав входит широкий перечень анатомических структур: лонно-уретральная связка, мышцы, поднимающие задний проход, внутренние запирательные, грушевидные, копчиковые мышцы и передняя стенка влагалища. Сформировать клиническое исследование, в котором пациентки будут отобраны с изолированной несостоятельностью одного из этих компонентов, не представляется возможным. Поэтому анализ МКЭ создает фундамент для исследования непосредственного влияния каждой анатомической структуры поддерживающего аппарата уретры в отдельности.

В одной из первых работ, посвященных изучению стрессовому недержанию в рамках МКЭ, было изучено воздействие прыжков на клиническую картину недержания мочи. Динамическое компьютерное моделирование обнаружило, что степень наполнения мочевого пузыря не влияла на подтекание мочи при прыжках на 1 фут и ниже. В то же время указанный симптом при увеличении высоты прыжка до 3 футов напрямую коррелировал с большим объемом накопленной мочи [45].

В 2016 г. опубликованы результаты изучения гипермобильности уретровезикального сегмента, проведенного на целостной модели малого таза, включившей 44 анатомические структуры [46]. Авторы смоделировали влияние биофизических нарушений компонентов поддерживающего аппарата уретры под воздействием повышения внутрибрюшного давления на изменение угла подвижности мочеиспускательного канала. Среди обозначенных структур наибольшее влияние на формирование клинически значимого угла смещения оказали передняя стенка влагалища, а также лонно-прямокишечная и лонно-копчиковые мышцы [46].

Позже N. Dias и соавт. [47] опубликовали результаты динамического исследования уретровезикального сегмента у нерожавших профессиональных спортсменок, сравнив пробу Вальсальвы с интенсивными физическими нагрузками. Оказалось, что в ходе последних деформация мочевого пузыря претерпевает два этапа: на первом этапе мочевой пузырь прижимается и растягивается относительно лобковой кости в переднезаднем направлении, на втором — смещается кзади и испытывает сопротивление относительно передней стенки влагалища и мышц, поднимающих задний проход [47]. Схематически подобные изменения отражены на рис. 3 на цвет. вклейке.

Рис. 3. Динамические изменения положения уретровезикального сегмента в ходе физических нагрузок (N. Dias и соавт. [47]).

ВБД — внутрибрюшное давление.

Обнаружено, что ВБД в ходе физических нагрузок повышается дважды в каждой из динамических фаз по отдельности, в отличии от пробы Вальсальвы, при которой имеется его единовременный пик. В свою очередь, сила тонуса мышц, поднимающих задний проход, существенного не влияла на подвижность уретры. Учитывая наличие клинической картины стрессового недержания мочи у женщин данной группы, авторы связали нарушения механизма удержания мочи с хроническим повышением внутрибрюшного давления, которое также имеется у пациенток с ожирением [48]. Таким образом, ранее неоднократно подчеркнутое в литературе положительное влияние тренировок по Кегелю оказалось неоднозначным и требует дальнейшего исследования.

Кроме того, было изучено влияние степени наполнения мочевого пузыря на биофизические свойства передней стенки влагалища. Выявлено, что наличие полного мочевого пузыря вело к четырехкратному увеличению механического напряжения по сравнению с 10% от его общей емкости. Таким образом, для оценки пролапса передней стенки влагалища целесообразно наполнение мочевого пузыря минимум на 60%, что необходимо учитывать как при клинической диагностике заболевания, так и в ходе принятия решения о хирургическом лечении и объеме операции [49].

Использование метода конечных элементов для прогнозирования хирургической коррекции ПТО

Одной из последних наработок была проведенная работа коллектива авторов из университета г. Порто. Они смогли произвести моделирование операций, направленных на коррекцию апикального пролапса тазовых органов, замещая несостоятельность крестцово-маточных и кардинальных связок при помощи местных тканей или аллотрансплантатов. Авторами отмечен приоритет в воссоздании кардинальных связок по сравнению с крестцово-маточными, так как первые оказывают наибольший эффект в апикальной поддержке [50]. К тому же исследователи оценили два способа фиксации протезов непрерывными и отдельными швами и обнаружили, что последние способствуют в большем числе наблюдений смещению шейки матки в продольном направлении [51].

В исследовании, проведенном во Франции, было измерено напряжение на органы малого таза при натуживании до и после выполненной сакрокольпопексии. Авторами проведен анализ у двух моделей пациенток — с одномоментной надвлагалищной ампутацией матки и без нее. Обнаружено, что при наличии матки отмечалось большее эквивалентное напряжение, испытываемое тазовыми органами при пробе Вальсальвы, что связано с асимметричным его распределением у пациенток после органосохраняющего лечения. Кроме того, вне зависимости от выполненного симультанного вмешательства отмечено перераспределение ВБД на левую полусферу малого таза за счет правосторонней фиксации апикального отдела к передней продольной связке во время сакрокольпопексии [22].

С наибольшим вниманием технические аспекты промонтофиксации были проанализированы усилиями E. Jeanditgautier и соавт. [52], которые оценили различные размеры имплантатов, количество швов и расстояние между ними, что потенциально может повлиять на исход оперативного вмешательства. В ходе расчетов было обнаружено, что лоскуты шириной 3 см приводили к меньшей подвижности шейки матки и стенок влагалища. При этом увеличение площади протеза требовало большего количества фиксирующих швов, чтобы обеспечить меньшую механическую нагрузку на шовный материал. Авторами выделены безопасные лимиты расстояния между лигатурами, которая для заднего лоскута составила не более 3,5 см, а для переднего — 2,5 см [52].

Обсуждение

Анализ применения МКЭ представляет собой перспективный способ оценки этиологических факторов формирования дисфункции тазовых органов, а также моделирования исходов оперативных вмешательств по его коррекции. Благодаря внедрению этого метода в исследовательский процесс открывается потенциал к сокращению требуемого числа женщин для проведения анализа in vivo. В первую очередь при изучении этиологии и патофизиологии заболевания становится возможной оценка каждого из элементов опорного аппарата органов малого таза с моделированием механических повреждений и физической несостоятельности мышечно-связочного каркаса. Такие аспекты также будут актуальны при выборе оперативного вмешательства для лечения пациенток с ПТО, что позволит спланировать трудоемкую операцию и обосновать форму и способ фиксации синтетических протезов у пациенток с рецидивными формами заболевания. В то же время это позволит внедрять новые методы хирургической коррекции ПТО и недержания мочи на доклиническом этапе, спланировав необходимый объем воздействия на ткани заранее. Таким образом, создание подобных моделей МКЭ может найти применение как в научно-образовательной, так и прикладной гинекологии.

Несмотря на перечисленные преимущества, в настоящее время у метода имеется ряд недостатков и препятствий, которые еще необходимо решить. Анализ МКЭ подразумевает использование физических параметров исследуемой модели, которые должны быть измерены до этапа ее формирования. В связи с этим остается дискуссионным вопрос экстраполяции биомеханических свойств тканей, которые, как отмечено в большинстве научных публикаций, были получены экспериментально на человеке ex vivo или вовсе на анималистических моделях, а их измерение in vivo наталкивается на методологические и этические препятствия. Наконец, ПТО прогрессивно изменяет строение фиброзных волокон в тканях, в связи с чем биомеханические свойства также отличаются от таковых у женщин, не страдающих этим заболеванием. Поэтому построение модели десценции тазовых органов, основанной на параметрах изотропных гиперупругих тканей, является неадекватным. С целью решения данного препятствия предложен и апробирован метод обратного анализа МКЭ, при котором сначала выстраивается физическая модель с предполагаемыми биофизическими свойствами материальных констант, а затем полученные характеристики проверяются путем динамической МРТ. Но первоначальные результаты такого анализа пока получили разрозненные результаты, связанные с вариабельностью толщины и морфологии мышечно-связочного аппарата в популяции, в связи с чем технология дорабатывается путем развития аппаратной и программной поддержки [53, 54].

На момент написания нашей статьи уже имеется немало исследований, в большинстве которых составлена уникальная модель МКЭ, сформированная в соответствии с целями и задачами научной работы. Однако при сравнении их между собой прослеживается их структурная неоднородность, которая отражается как в количестве изучаемых органов и тканей, так и в качестве выстраиваемых полигональных моделей. Эти аспекты вызваны методологическими трудностями в ходе преобразования МР-сканов в конечную модель МКЭ. Так как на одном из этапов ее формирования происходит трансформация множества нелинейных поверхностей в упрощенные геометрические формы, зачастую автоматизация процесса невозможна и требует ручного подхода [55]. Даже с учетом высокой разрешающей способности аппарата МРТ нередко смежные органы и ткани «наслаиваются» друг на друга при сканировании, особенно при наличии ПТО, и потому преобразование двухмерных срезов в трехмерные возлагает высокие требования к клиническому специалисту, который эти изображения интерпретирует. Полость малого таза является сложным комплексом анатомических структур, интегрированных между собой, в связи с чем в ее биомеханической модели МКЭ необходимо присутствие большего количества физических элементов. Однако адекватная визуализация соединительнотканных структур зачастую невозможна ввиду низкой плотности и толщины тканей, что также служит ограничением метода. Возможным решением данной проблемы могут служить более современные аппараты МРТ (7Т) или инновационный метод диффузионной МРТ, который стал внедряться с целью детального исследования центральной нервной системы, но в последнее время также стал применяться для изучения тазовых органов [56, 57].

Зачастую при оценке биомеханических свойств тазового дна основным фактором воздействия на органы и ткани учитывается ВБД. Но стоит принять во внимание, что стенки влагалища испытывают разнонаправленные векторы напряжения как в физиологических, так и в патологических условиях. К первым можно отнести растяжение стенок в условиях наполнения смежных полых органов, давление предлежащей части плода на тазовое дно, продвижение плода по родовым путям. К последним — давление прямой кишки на пролабирующую заднюю стенку влагалища или мочевого пузыря на деформированную переднюю стенку влагалища вследствие ПТО. Подобную нагрузку трудно воспроизвести в ходе анализа МКЭ, однако ее игнорирование также может вести к неточностям при расчетах. Ранее в исследованиях были описаны результаты изучения подобных нагрузок с применением электромиографии, однако имеющихся данных пока все еще недостаточно для создания цельной картины [58].

С учетом изложенного становится очевидной высокая трудоемкость анализа МКЭ, в связи с чем в большинстве представленных в обзоре работ фундаментом служила модель, составленная на одной или нескольких женщинах-волонтерах. Дисфункция тазового дна, в свою очередь, является пациент-специфическим заболеванием, зависимым от возраста, этнической принадлежности, физической активности, социального статуса и анамнеза женщины. Поэтому для более точного и надежного анализа целесообразно формировать несколько моделей с последующим созданием обобщенного варианта изучаемого явления.

Заключение

Следует подчеркнуть важность анализа МКЭ как дополнительного метода изучения физиологии тазовых органов и патофизиологии дисфункции тазового дна. Благодаря способности воспроизводить различные клинические ситуации в ближайшем будущем возможно будет заполнить пробелы в понимании этого актуального и социально значимого гинекологического заболевания. Огромным преимуществом моделирования является проведение доклинических испытаний аллотрансплантатов на физической модели, не подвергающих дополнительному риску живых людей. Несмотря на имеющиеся ограничения и недостатки метода, стремительное развитие компьютерных технологий со временем позволит улучшить процесс компиляции более точного и достоверного анализа. Только путем сотрудничества гинекологов, врачей лучевой диагностики, инженеров и биофизиков можно будет составить целостный «портрет» тазовой дисфункции.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Клюшников И.Д., Попов А.А.

Сбор и обработка материала — Клюшников И.Д., Федорина С.И.

Написание текста — Клюшников И.Д., Щукина А.С.

Редактирование — Несен Г.В., Попов А.А.

Authors declare lack of the conflicts of interests.

Participation of authors:

Concept and design of the study — Klyushnikov I.D., Popov A.A.

Data collection and processing — Klyushnikov I.D., Fedorina S.I.

Text writing — Klyushnikov I.D., Shchukina A.S.

Editing — Nesen G.V., Popov A.A.