На правах рукописи Кривохижина Оксана Владимировна ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРЕДОПЕРАЦИОННОГО

На правах рукописи
Кривохижина Оксана Владимировна
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРЕДОПЕРАЦИОННОГО
ПРОГНОЗИОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ СОСУДОВ В СИСТЕМЕ
«АРТЕРИАЛЬНЫЕ КРОВЕНОСНЫЕ СОСУДЫ»
Специальность 05 11 17 -
Приборы, системы и изделия
медицинского назначения
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург - 2007
электротехническом университете "ЛЭТИ" им В И Ульянова (Ленина)
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Бегун П И
Официальные оппоненты
доктор технических наук, профессор Коротков К Г
кандидат физико-математических наук, профессор Смольников Б А
Ведущая организация - ЦНИИ Робототехники и технической кибернетики
Защита диссертации состоится
/60с&2&Л
2007 г в
часов на
заседании диссертационного совета Д 2Й23806 Санкт-Петербургского
государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" имени
В И Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул Проф
Попова, 5
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета
Автореферат разослан "
Ученый секретарь
диссертационного совета
& " &Zfl£ep2JL
J£
2007 г
Юлдашев 3 М
1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Данные Минздравмедпрома и Госкомстата Рос­
сийской Федерации свидетельствуют о том, что среди причин смерти населе­
ния в последние годы первое место занимают болезни системы кровообраще­
ния (БСК) Наиболее распространенные заболевания кровеносных сосудов атеросклероз и аневризмы Атеросклероз является основным фактором, пора­
жающим сосуды головного мозга, экстракраниальные сосуды, коронарные со­
суды и сосуды других органов В связи с этим, основными задачами в этой об­
ласти являются ограничение и снижение заболеваемости, а при развитии пато­
логии - проведение эффективного лечения
На протяжении последних 10-15 лет артериальные аневризмы головного
мозга стали объектом пристального внимания невропатологов и нейрохирур­
гов многих стран мира Это объясняется, прежде всего, тем, что артериальные
аневризмы являются одной из наиболее частых причин опасных для жизни, неред­
ко смертельных внутричерепных кровоизлияний, развивающихся обычно у физи­
чески здоровых людей молодого и среднего возраста
Рентгенохирургия кровеносных сосудов - новой направление в медици­
не, сформировавшееся в последние три десятилетия Один из эффективных
путей снижения частоты осложнений при этих операциях - применение внутрисосудистых протезов-стентов
В настоящее время в литературе отсутствуют исследования по биомеха­
ническому взаимодействию дилатированных сосудов и стентов - это не по­
зволяет прогнозировать результаты рентгенохирургических операций
При выборе технологии интервенционной малоинвазивной операции
врач не располагает необходимой для прогнозирования точного результата
операции информацией о характеристиках элементов системы, их свойствах,
диапазоне внешних воздействий на сосуды, при которых они сохраняют необ­
ходимые функции Он может руководствоваться только предшествующим
опытом и опираться на свою интуицию Отсутствие необходимого информа­
ционного обеспечения объясняется тем фактом, что до настоящего времени у
врачей не сложилось общего мнения о технологии проведения интервенционно-хирургических операций
Таким образом, необходимо разработать методы предоперационного
прогнозирования 1) результатов коррекции стенозированных артерий в общем
случае неравномерного профиля с криволинейными сегментами, 2) критиче­
ского состояния аневризм
Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и вне­
дрения в клиническую практику биомеханического метода предоперационного
прогнозирования состояния артериальных кровеносных сосудов до операции и
в результате коррекции
Объект исследования - биотехническая система «Артериальные крове­
носные сосуды», позволяющая проводить предоперационное прогнозирование
состояния кровеносных сосудов до операции и после нее
2
Предмет исследования - информационное и методическое обеспечение
биотехнической системы предоперационного прогнозирования состояния ар­
териальных кровеносных сосудов до коррекции и в ее результате
Цель работы: создание биомеханического метода предоперационного
прогнозирования состояния артериальных сосудов до и в результате коррек­
ции
Задачи исследования Для разработки такого метода необходимо ре­
шить следующие задачи
1 Построить компьютерные модели дилатации стенозированных арте­
рий в общем случае неравномерного профиля с криволинейными сегментами
для исследования влияния их геометрических параметров и механических
свойств на напряженно-деформированное состояние сосуда
2 Построить компьютерные модели стентирования стенозированных ар­
терий в общем случае неравномерного профиля с криволинейными сегмента­
ми для исследования влияния их геометрических параметров и механических
свойств на напряженно-деформированное состояние биотехнической системы
«стент-сосуд»
3 Построить компьютерные модели артериальных сосудов, пораженных
аневризмой, и исследовать их напряженно-деформированное и критическое
состояние в зависимости от геометрических параметров и механических
свойств
4 Информационное обеспечение биотехнической системы «Артериаль­
ные кровеносные сосуды», позволяющее прогнозировать критическое состоя­
ние аневризм и результаты эндоваскулярных рентгенохирургических операций
при дилатации и стентировании кровеносных сосудов
Методы исследования В работе использованы следующие методы
методы компьютерного моделирования, механики твердого деформированного
тела и теории оболочек
Научная новизна результатов заключается в том, что
1) предложенный алгоритм исследований напряжений и перемещений в
стенках кровеносных сосудов и атеросклеротических бляшек позволяет стро­
ить для них компьютерные модели,
2) построенные компьютерные модели стентирования стенозированных
артериальных кровеносных сосудов неравномерного профиля с криволиней­
ными сегментами позволяют исследовать напряженно-деформированное со­
стояние биотехнической системы «стент-сосуд»,
3) построенные компьютерные модели артериальных кровеносных сосу­
дов с аневризматическими образованиями позволяют исследовать их напря­
женно-деформированное и критическое состояние в зависимости от геометри­
ческих параметров и механических свойств,
4) предложенный метод, построенный на основе биомеханического ком­
пьютерного моделирования и анализа состояния сосудов по данным клиниче­
ских тонографических, ангиографических и эхокардиографических исследова­
ний, позволяет прогнозировать критическое состояние аневризм и результаты
3
эндоваскулярных рентгенохирургических операций при дилатации и стентировании артериальных сосудов
Практическую ценность работы составляют
1) методики исследования напряженно-деформированного состояния
стенок артериальных кровеносных сосудов человеческого организма в норме,
патологии и при хирургических операциях,
2) компьютерные модели для предоперационного прогнозирования ре­
зультатов дилатации и стентирования стенозированных артериальных крове­
носных сосудов в общем случае неравномерного профиля с криволинейными
сегментами и бляшками разной степени развития и определения критического
состояния аневризм,
3) информационное обеспечение биотехнической системы «Артериаль­
ные кровеносные сосуды», позволяющее прогнозировать критическое состоя­
ние аневризм и результаты эндоваскулярных рентгенохирургических операций
при дилатации и агентировании артериальных кровеносных сосудов
Внедрение результатов Результаты работы внедрены 1) в клиниче­
скую практику, что позволило повысить точность прогнозирования результа­
тов эндоваскулярных операций и определения критического состояния анев­
ризм, 2) в учебный процесс лабораторная работа «Компьютерное моделиро­
вание и исследование напряженно-деформированного состояния в кровенос­
ных сосудах», в разделе методического пособия «Содержательные модели и
моделирование конструкций» авторов Бегуна П И , Кривохижиной О В , Лебе­
девой Е А , Смирновой М Ю и подтверждаются актами о внедрении
Апробация работы Основные научные и практические результаты ра­
боты докладывались и обсуждались на 9 всероссийских и международных на­
учных и научно-технических конференциях, в том числе 59-ая научно - техни­
ческая конференция, посвященная Дню радио (СПб-2004), Биотехнические, меди­
цинские и экологические системы и комплексы Биомедсистемы-2004 (Рязань2004), всероссийская научно-техническая конференция «Наука - Производст­
во - Технологии - Экология» (Киров-2005), «Юбилейная 60-я Научнотехническая конференция, посвященная 110-летию изобретению радио» (СПб2005), «IV научно-практическая конференция Планирование и обеспечение
подготовки кадров для промышленно-экономического комплекса региона»
(СПб-2005), «V международный симпозиум «Электороника в медицине, мо­
ниторинг, диагностика, терапия» (СПб-2006)», VIII всероссийская конферен­
ция по биомеханике «Биомеханика-2006» (Н Новгород-2006), VII междуна­
родная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в ме­
дицине и экологии - ФРЭМЭ-2006» (Владимир-2006), Политехнический сим­
позиум «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона»
(СПб- 2006), Международная конференция по мягким вычислениям и измере­
ниям «SCM'2007» (СПб-июнь 2007)
Научные положения, выносимые на защиту:
1) алгоритм исследований напряжений и перемещений в стенках крове-
4
носных сосудов и атеросклеротических бляшках, позволяющий строить для
них компьютерные модели,
2) компьютерные модели стентирования стенозированных артериальных
кровеносных сосудов неравномерного профиля с криволинейными сегмента­
ми, позволяющие исследовать напряженно-деформированное состояние био­
технической системы «стент-сосуд»,
3) компьютерные модели артериальных кровеносных сосудов с аневризматическими образованиями, позволяющие исследовать их напряженнодеформированное и критическое состояние в зависимости от геометрических
параметров и механических свойств,
4) алгоритм проведения исследований, позволяющий прогнозировать
критическое состояние аневризм и результаты эндоваскулярных рентгенохирургических операций при дилатации и стентировании артериальных сосудов,
5) состав и функции основных компонентов системы информационного
предоперационного прогнозирования состояния артериальных кровеносных
сосудов
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из
них - 4 статьи (3 статьи, опубликованных в ведущих рецензируемых научных
журналах и изданиях, определенных ВАК), 5 работ - в трудах и материалах
научно-технических конференций
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе­
ния, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 42 наиме­
нования Основная часть работы изложена на 106 страницах машинописного
текста Работа содержит 210 рисунков и 5 таблиц
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследования, определены цели
и задачи работы, объект и предмет исследования, сформулированы научные
положения, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практи­
ческая значимость, приведены сведения об апробации и внедрении результа­
тов работы
В первой главе проведен анализ современного состояния исследований
артериальных кровеносных сосудов в норме, патологии и во время хирургиче­
ских операций и выявлены проблемы предоперационного прогнозирования ре­
зультатов хирургических операций на артериальных кровеносных сосудах
Широкий диапазон возможных методов коррекции патологий делает ак­
туальной проблему создания методики выбора путей рационального хирурги­
ческого воздействия Во всех принципиальных направлениях рассмотренных
проблем медицинских, технических и фундаментальных - неотъемлемой ча­
стью является моделирование артериальных кровеносных сосудов на основе
биомеханики Проведенный анализ показывает, что ранее построенные модели
артериальных кровеносных сосудов имеют общие несовершенства без обос­
нования вводятся упрощенные формы, не учитывается неоднородность и не-
5
линейность механических характеристик стенок сосудов и их начальные на­
пряжения, также не учитываются патологические процессы, протекающие в
органах, которые значительно изменяют механические свойства тканей
Существующий комплекс методов исследования не дает адекватного ди­
агностического обеспечения для кардиохирургии Недостатком является от­
сутствие системы предоперационного прогнозирования результатов рентгенохирургических операций на артериальных сосудах и определения критическо­
го состояния аневризм Следовательно, невозможно обоснованно осуществить
выбор технологии проведения операции, обеспечить минимальную травматичность стенок сосуда и минимальный риск возникновения рецидива
Во второй главе рассмотрены биомеханические основы компьютерного
моделирования состояния патологически измененных артериальных кровенос­
ных сосудов до и после коррекции
При использовании единичных экспериментальных исследований (М J
Thubnkar) неоднородности, ортотрошш и гиперупругости на различных участ­
ках стенок артериальных сосудов (рис 1 - 3 ) проведен анализ влияния этих
характеристик на напряженно-деформированное состояние в кровеносных со­
судах
Построены две модели аневризмы булавовидной формы (рис 1) В пер­
вой модели введены допущения 1) материал аневризмы однородный, изо­
тропный, 2) модуль нормальной упругости постоянный £=4,66 МПа, 3) коэф­
фициент Пуассона v =0,49, 4) внутреннее давление систолическое р =120 мм
рт ст, 5) аневризма жестко закреплена в верхнем конце, у нижнего конца за­
прещены радиальные перемещения Во второй модели, в отличие от первой,
учитываются усредненные гиперупругие свойства материала передней (1),
задней (2) и боковой (3) частей стенки аневризмы (рис 1, б) При вычислении в
программе COSMOSWorks, модели аневризмы разбиты соответственно на 50 и
70 тысяч тетраэдальных конечных элементов Проведены вычисления при
увеличении гидростатического давления от 0 до 120 мм рт ст с шагом 20 мм
рт ст На рис 1,в,г приведены эпюры, характеризующие прибавление напряже­
ний при увеличении гидростатического давления от 100 до 120 мм рт ст
Построены две модели сегмента аорты (рис 2) В первой модели введены
допущения 1) материал дуги аорты однородный, сплошной, гиперупругий,
изотропный, 2) входной конец аорты жестко фиксирован, на выходном конце
нет радиальных перемещений Вторая содержательная модель отличается от
первой в пункте 1 материал стенки аорты ортотропный (окружной и продоль­
ный модули упругости заданы в соответствии с рис 2,6)
Принята пошаговая нагрузка от 0 до 120 мм рт ст (шаг 20 мм рт ст) За
исходные геометрические размеры сегмента аорты приняты размеры, полу­
ченные по данным эксперимента, проведенного при давлении 40 мм рт ст При
вычислении в программе COSMOSWorks модели дуги аорты разбиты на 60
тысяч конечных элементов На рис 2,в,г приведены эпюры, характеризующие
6
прибавление напряжений для сегмента дуги аорты по первой (в) и второй (г)
моделям, при увеличении гидростатического давления от 100 до 120 мм рт.ст.
Экстремальное значение результирующего напряжения по Мизесу 1,079
МПа. Разница в результатах вычислений по первой и второй моделям 6%. В
реальном диапазоне давлений ортотропия стенки аорты незначительно влияет
на НДС.
а
б
Рис. 1. Геометрическая схема аневризмы (а), механические свойства (б) и эпюры,
характеризующие прибавление напряжений при увеличении гидростатического
давления от 100 до 120 мм рт.ст
О* П а
/<*-
100
ном»
^
1-
р , ММ.рТ-СТ.
.
К
<±.±10
Рис.2. Геометрическая схема аорты (а); зависимости модулей упругости стенки
аорты от гидростатического давления: 1-продольный модуль упругости, 2- осредненный изотропный модуль упругости, 3 - окружной модуль упругости (б); эпю­
ры, характеризующие прибавление напряжений при увеличении гидростатического
давления от 20 до 120 мм рт.ст. по первой модели (в), по второй модели (г)
7
При построении моделей подвздошной артерии (рис.3,а) выполнены
следующие условия: 1) за исходные геометрические параметры взяты их вели­
чины, полученные в результате измерений, при давлении 80 мм рт.ст.; 2) углы
перехода от основной к выходящей артерии сглажены; 3) в местах перехода от
основной артерии к выходящей толщина увеличена в два раза; 4) вычисления
проведены при давлении 40 мм рт.ст. соответствующем разнице давлений в
систолу и диастолу; 5) сегмент жестко закреплен на конце первого участка,
концы второго и четвертого участков свободные. Одновременный учет гипе­
рупругих и ортотропных свойств (рис.3, в) в модели приводит к существенным
различиям при вычислении напряжений по сравнению с моделью, построен­
ной при допущении изотропной гиперупругости стенки сосуда (рис.3, б).
а
б
U.U4 Т ~ ^
О
1
'
50
100
'
Р- ММ.рТ.СТ
Щ
t.214«*0O5
•зсв5.«и
Рис.3. Геометрическая схема (а) и зависимости осредненного (б), окружного -1 и
продольного -2 модулей упругости от гидростатического давления (в) и эпюры
прибавлений напряжений в подвздошной артерии в диапазоне от 120 до 140 мм
рт.ст.
Модель рассчитана по шагам от 20 до 140 мм рт.ст. Прибавления напря­
жений в диапазоне от 120 до 140 мм рт.ст. при вычислении по модели, учиты­
вающей одновременно гиперупругие и ортотропные свойства, приведены на
рис.3,г. Экстремальное значение результирующего напряжения по Мизесу
0,214 МПа. Результаты этих вычислений расходятся с результатами вычисле­
ний по модели, построенной при допущении изотропной гиперупругости
стенки сосуда, на 51 % (0,44 МПа).
На рис.4 приведена геометрическая схема модели матричного стента.
При построении моделей для исследования напряженно-деформированного
состояния в стентах, развертываемых дилатирующим баллоном, введены еле-
8
дующие допущения: 1) материал стента однородный и изотропный; 2) началь­
ные напряжения в стенте отсутствуют; 3) поверхностная нагрузка распределе­
на равномерно; 4) стент деформируется баллоном in vitro. Для достижения не­
обходимой точности, при минимальных затратах времени на вычисления на­
пряжений и перемещений в структурах стента, целесообразно задавать разбие­
ние на 20 тысяч конечных элементов.
На рис.5,а,б представлены эпюры перемещений и напряжений стента с
размерами: а=0,3 мм, Ъ = 0,22 мм, Z,cm=8,03 MM, hcm = 0,1 мм, диаметр баллона
D=0,8 мм, давление в баллоне р=0,6МПа, модуль нормальной упругости стен­
та Ест=2Л0и Па, коэффициент Пуассона v=0,28.
При дилатации стент испытывает упругие и пластические деформации.
По напряженному состоянию стента определяются величина и характер де­
формации (диаграмма условных напряжений стали 316L приведена на рис.6,
б). Величина упругого относительного удлинения определяет последействие
стента.
На рис.6,в представлены зависимости перемещений (1) стента (рис.6,а) в
сравнении с результатами других авторов (2) от внешнего сжимающего давле­
ния со следующими параметрами стента: а=0,3 мм, Ъ =0,22; с=1,7 мм; е =7,84
мм; ск= 0,14 мм, /=0,22 мм, £>ст=1,37 мм, hCf=0,1мм.
Рис.4. Схема геометрической модели матричного стента
Выполнено построение содержательных и компьютерных моделей бал­
лонного стентирования при коррекции артерии. При построении модели аген­
тирования стенозированных артериальных кровеносных сосудов (геометриче­
ская схема приведена на рис.7,а) приняты следующие допущения: а) для стенозированной артерии: 1) материалы стенок сосуда и бляшек однородные,
изотропные, с конструктивными модулями упругости Ес, Eg и конструк­
тивными коэффициентами Пуассона vc, vg\ 2) неосесимметричная бляшка
ранней стадии развития находится на поверхности интимы и не проникает в
медию; 3) сосуд жестко защемлен по торцам на расстоянии 5L6 от торца бляш­
ки (решение по Сен-Венану); б) для стента (рис.4): 1) материал стента одно­
родный и изотропный; 2) начальные напряжения в стенте отсутствуют; 3) по­
верхностная нагрузка при дилатации распределяется равномерно по внутрен­
ней поверхности стента.
Алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния при стентировании сосудов имеет следующие особенности:
9
1. Для выделения зоны сохранения сосудом функциональных упругих
свойств, стенка сосуда разбита на 10 концентрических слоев равной толщины.
а
б
J 6 97ЛО-О01
leoisn-ooi
lS.l6eo-OQ1
J. 4 .гэбо-ooi
| З.^37о-О01
I 2S/Oo-Ooi
Рис.5. Эпюры перемещений (б) и напряжений (в) стента
Т-З^шшп
л Ш Ш Яшш. пшшитптп
-
'•
т)—г—
'
амПа
190
у
"Т
МО
90 t
|
т
',1
0,2
0,3
!.
,,75 р. МПа
Рис.6, Схема геометрической модели матричного стента (а), диаграмма условных
напряжений материала стента (б), зависимости перемещения стента от внешнего
сжимающего давления р: 1- вычисления в программе COSMOSWorks, 2- вычис­
ления, проведенные другими авторами (F. Etave et all)
Упругие свойства сохраняют слои, удаленные от оси кровеносного сосуда
дальше слоя, в котором возникающие напряжения по Мизесу а<[а]ф, [а]ф допускаемые физиологические напряжения. 2. Подбирается давление баллона
таким образом, чтобы радиальное перемещение стента равнялось (Rc-1,05) по
рекомендациям эндоваскулярных хирургов. 3. При дилатации стент испытыва­
ет упругие и пластические деформации. По напряженному состоянию стента
определяются величина и характер деформации (рис.6,6). Величина упругого
относительного удлинения определяет последействие стента. 4. Проводится
анализ напряженного состояния в каждом из 10-ти слоев сосуда и определяет­
ся, на каком слое напряжение не превышает допустимого физиологического. 5.
В программе SolidWorks сосуд перестраивается заново таким образом, чтобы
можно было приложить нагрузку к внутренней стенке первого из слоев, со-
10
хранивших упругие свойства. 6. Определяется давление, при котором слой,
сохранивший свои упругие свойства, лишается напряженного состояния. Это
то усилие, с которым стенка сосуда действует на стент. 7. Суммарное упругое
последействие стента складывается из упругого последействия самого стента и
перемещения стента, вызванного упругостью дилатированного сосуда.
Рис.7. Схема геометрической модели стентирования стенозированного сосуда (а)
и геометрическая схема расположения неосесимметричной бляшки: R6„- внутрен­
ний радиус неосесимметричной бляшки, Rc-радиус сосуда, е - эксцентриситет
бляшки (б)
При проведении вычислений используется метод конечных элементов.
Модель разбита на 200 тысяч тетраэдальных конечных элементов.
В работе произведено сопоставление результатов вычислений с клини­
ческими данными. При агентировании внутренней сонной артерии с осесимметричной бляшкой (длина сегмента Lcoc—30 мм, L^—4,3 мм, Т)сос—6 мм,
А,ие=2,58 мм, hcm=\,53 мм), давление в баллоне р =1,6 МПа. После стентиро­
вания - диаметр отверстия 3,96 мм. В результате проведенных вычислений по
разработанному алгоритму, диаметр стентированного отверстия 5,26 мм, (уп­
ругое последействие стента 0,52 мм). Погрешность расчета 32,8 %.
Содержательная модель мешотчатой аневризмы построена при сле­
дующих допущениях: 1) материал аневризмы однородный, изотропный; 2)
стенка аневризмы однослойная, с конструктивным модулем упругости Еа и
конструктивным коэффициентом Пуассона va; 3) аневризма находится на
изогнутом сегменте однослойного сосуда с однородными изотропными свой­
ствами материала стенки: конструктивный модуль нормальной упругости со­
суда Ес, коэффициент Пуассона ус; 4) протяженность сегмента сосуда Lc в
10 раз превышает наибольший линейный размер основания аневризмы La.
На рис. 8 приведены эпюры напряжений и перемещений для сегмента сосуда
с мешотчатой аневризмой при следующих геометрических и механических
параметрах: Lc = 100мм, Dc = 7 мм, hc = 1,6 мм, /,д=20мм, Я й =5мм,
ка=2жл, £с=0,85МПа, £ д =2,2МПа, Др=1,6-104 Па (Ар - разность между
давлением в систолу и диастолу). Экстремальное значение напряжения в
аневризме по Мизесу а =6,028' 105 Па, допускаемое напряжение [а ] =6-105
Па, следовательно, аневризма находится в критическом состоянии.
11
Рис.8. Геометрическая схема содержательной модели сосуда с мешковидной анев­
ризмой: Lc, Dc - длина и диаметр сегмента сосуда, hc — толщина стенки сосуда,
La- наибольший линейный размер основания аневризмы, На - высота аневризмы,
ha-толщина стенки аневризмы, R - радиус кривизны сосуда (а); эпюры напряжений
(б) и перемещений (в)
В третьей главе проведены исследования и получены зависимости на­
пряженно-деформированного состояния (типа рис.9) от механических свойств
и геометрических параметров биологических объектов: 1) при дилатации ко­
ронарных артерий, внутренних сонных артерий и аорты; 2) при стентировании
коронарных артерий, внутренних сонных артерий и аорты; 3) в сонных внут­
ренних артериях с аневризматическими образованиями.
о-10",Па
5
«И
4
3.5
3
«1
Ran, мм
U-10",M
2
Rln, мм
Рис.9. Зависимости экстремальных напряжений (а,б) и перемещений (в,г) при дила­
тации прямых (а,в) и криволинейных (б,г) сегментов внутренних сонных артерий с
неосесимметричным расположением бляшки от радиуса бляшки (модули нормаль­
ной упругости Е: 1-2,55 МПа; 2-1,7 МПа; 3-0,85 МПа; 4-0,425 МПа; 5-0,28 МПа)
12
1 Исследования дилатации внутренних сонных артерий
При изменении модуля нормальной упругости бляшки в диапазоне от
0,28 до 2,55 МПа напряжение увеличивается в 1,1 раза в прямом сосуде и в 1,2
раза в криволинейном, а перемещение уменьшается в 9 раз в прямом и в 5,2
раза - в криволинейном
При увеличении стенозированного отверстия в диапазоне от 0,87мм до
Змм, при модулях упругости от 0,85 МПа и до 2,25 МПа, напряжение увеличи­
вается соответственно от 1,05 до 1,6 раза в прямом сосуде, от 1,05 до 1,8 разав криволинейном, перемещение увеличивается от 3,5 до 7 раза в прямом сосу­
де и от 6,6 до 13 раз - в криволинейном
При увеличении длины бляшки в диапазоне от 5мм до 30мм, при моду­
лях упругости от 0,85 до 2,25 МПа, напряжение увеличивается от 1,05 до 1,1
раза в прямом сосуде и от 1,05 до 1,2 раза - в криволинейном, перемещение в
прямом сосуде существенно не изменяется, а в криволинейном - уменьшается
от 1,3 до 1,01 раза
2 Исследования стентирования коронарных артерий, внутренних сон­
ных артерий и аорты
При увеличении радиуса бляшки в дилатируемой внутренней сонной
артерии от 0,4 до 1 мм, при толщине стента от 0,1 до 0,17 мм, перемещение
стента, вызываемое 1) упругим последействием кровеносного сосуда - умень­
шается соответственно от 1,38 до 1,6 раза, 2) упругим последействием самого
стента - уменьшается от 1,61 до 1,56 раза, 3) упругим последействием крове­
носного сосуда и самого стента после дилатации - уменьшается от 1,42 до 1,47
раза
При увеличении радиуса бляшки в дилатируемой коронарной артерии
от 0,7 до 2 мм, при толщине стента от 0,1 до 0,17 мм, перемещение стента, вы­
зываемое 1) упругим последействием кровеносного сосуда - уменьшается со­
ответственно от 2 до 2,1 раза, 2) упругим последействием самого стента уменьшается от 2,1 до 2,08 раза, 3) упругим последействием кровеносного со­
суда и самого стента после дилатации уменьшается от 1,2 до 1,7 раза
При увеличении радиуса бляшки в дилатируемой аорте от 2,5 до 9 мм,
при толщине стента от 0,1 до 0,17 мм, перемещения стента вызваемое 1) упру­
гим последействием кровеносного сосуда- уменьшается соответственно от 4,1
до 4,8 раза, 2) упругим радиальным перемещением самого стента - уменьшает­
ся от 3,5 до 3,3 раза, 3) упругим последействием кровеносного сосуда и самого
стента после дилатации уменьшается от 3,7 до 5,6 раза
3 Исследование внутренних сонных артерий с аневризматическими об­
разованиями
При изменении модуля упругости аневризмы в диапазоне от 0,28 МПа
до 2,55 МПа напряжение увеличивается в 2 раза, перемещение уменьшается в
2 раза Критическое состояние аневризмы не выявлено
При изменении высоты аневризмы от 5 мм до 8 мм напряжение увели­
чивается в 1,5 раза, а перемещение увеличивается в 1,7 раза При модулях уп­
ругости аневризмы £„=0,28 МПа, £й=0,425 МПа, Д,=0,85 МПа напряжение не
13
превышает опасного При модулях упругости Д,=1,70 -2,55 МПа, при высоте
аневризмы от 6,5мм и выше, возникает опасное напряжение
При изменении толщины стенки аневризмы от 0,9 мм до 2 мм напряже­
ние уменьшается в 1,4 раза, а перемещение уменьшается 1,5 раза При модулях
упругости £„„=0,28 - 0,85 МПа напряжение не превышает опасного Однако,
при модулях упругости Ет >1,7 МПа, при толщине стенки меньше 1,5мм воз­
никает опасное напряжение
В четвертой главе рассмотрены вопросы создания и практического
применения системы предоперационного прогнозирования состояния артери­
альных кровеносных сосудов Предложена структура аппаратно-программного
комплекса информационного обеспечения состояния артериальных кровенос­
ных сосудов (рис 10)
Составной биомеханической частью нового информационного обеспече­
ния являются таблицы, содержащие сведения о механических свойствах био­
логических структур в норме и патологии, компьютерные модели артериаль­
ных кровеносных сосудов, программа SolidWorks, программа для расчета на­
пряженно-деформированного состояния методом конечных элементов COSMOSWorks, алгоритмы проведения исследований состояния артериальных
кровеносных сосудов и предоперационного прогнозирования результатов опе­
раций при использовании системы предоперационного прогнозирования
В системе информационной поддержки предоперационного прогнозиро­
вания состояния сосудов при дилатации, врач на ангиограммах отмечает кур­
сором необходимые геометрические параметры в сегментах сосудов с патоло­
гическими образованиями Величины геометрических параметров автоматиче­
ски определяются в системе «ангиостар» Информация о представленных к
коррекции структурах передается в систему предоперационного прогнозиро­
вания По базе данных механических свойств задаются свойства исследуемого
объекта в соответствии с введенными клиническими данными пациента Вы­
бирается модель сегмента стенозированного кровеносного сосуда и проводит­
ся анализ напряженно-деформированного состояния Подбирается такое дав­
ление, при котором размеры дилатируемого отверстия находятся в пределах
установленных клинической практикой
Результаты прогноза состояния сосуда при разных давлениях выводятся
на печатающее устройство или на накопитель информации
Проведены сопоставления результатов предоперационной диагностики
интервенционных эндоваскулярных хирургических операций на артериальных
кровеносных сосудах с результатами операций, проведенных в ГМПБ №2 и в
122 Медсанчасти г Санкт-Петербурга при баллонной дилатации и стентировании артериальных кровеносных сосудов
На рис 11 приведены ангиограммы правой коронарной артерии до дила­
тации и после установки стента При анализе заданы следующие геометриче­
ские и механические свойства длина сегмента коронарной артерии Icm;=30 мм,
длина бляшки Х&=4,5 мм, внутренний диаметр сосуда Dcoc=3,8 мм, диаметр
стенозированного отверстия Dome=2,38 мм, толщина стенки сосуда /гот=1 мм,
14
модуль нормальной упругости сосуда Есос=2,1 МПа, модуль нормальной упру­
гости бляшки Egj,—\,9 МПа, бляшка осесимметричная. При стентировании дав­
ление в баллоне/>=2,5 МПа. После стентирования диаметр отверстия 2,8 мм. В
результате проведенных вычислений (рис.11) по разработанному алгоритму,
диаметр стентированного отверстия 3,65 мм (упругое последействие стента
0,08 мм). Погрешность предоперационной диагностики составляет 30,4% .
Выбор
С б о р и нф о р м а ц и и :
Оператор
модеш-i в Б Д
Выбор
механнч еских
свойств в БД
Solid.Works*
Т
С OSJvTO S W o r k s
~
IXK
1
1Тр ед оттер атдиотп-хо е
гтр огттознр о в аитте
Выи од на печать
Рис.10. Схема взаимодействия основных компонентов системы предоперационного
прогнозирования состояния структур
Рис.11. Ангиографическое изображение сегмента стенозированной правой коро­
нарной артерии больного (63 года) до дилатации (а), после установки стента (дав­
ление в баллоне 2,5 МПа) и эпюра перемещений стентированного сосуда
С доверительной вероятностью р=0,9 погрешность прогнозируемых раз­
меров дилатируемого отверстия по проведенным исследованиям составила
34,4 %.
15
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1 Построены компьютерные модели дилатации стенозированных арте­
рий в общем случае неравномерного профиля с криволинейными сегментами
и проведены исследования влияния их геометрических параметров и механи­
ческих свойств на напряженно-деформированное состояние сосуда
2 Построены компьютерные модели стентирования артерий в общем
случае неравномерного профиля с криволинейными сегментами и исследова­
ны влияния их геометрических параметров и механических свойств стенози­
рованных сосудов на напряженно-деформированное состояние биотехниче­
ской системы «стент-сосуд»
3 Построены компьютерные модели артериальных сосудов, пораженных
аневризмой, и исследованы зависимости от их геомеричексих параметров и
механических свойств
4 Разработан метод, позволяющий прогнозировать критическое состоя­
ние аневризм и результаты эндоваскулярных рентгенохирургических операций
при дилатации и стентировании артериальных кровеносных сосудов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании комплексных клинических исследований решена актуаль­
ная проблема создано информационное обеспечение, позволяющее проводить
предоперационное прогнозирование состояния артериальных кровеносных со­
судов и, как следствие, влиять на исход рентгенохирургических операций
Достоверность полученных результатов подтверждена согласованностью с
клиническими данными и с результатами других авторов
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1 Кривохижина, О В Определение критического состояния истинных
мешотчатых аневризм в криволинейной внутренней сонной артерии /О В
Кривохижина // Изв СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электро­
технического университета) Сер. «Биотехнические системы в медицине и
экологии» 2005 -№1 - С 51-52
2 Кривохижина, О В Компьютерное моделирование и исследование
развития аневризм в дегенеративно-измененной стенке кровеносного сосуда и
определение критического состояния аневризмы мозговой артерии /ПИ Бе­
гун, О В Кривохижина // Изв СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного
электротехнического университета) Сер. «Биотехнические системы в медици­
не и экологии» 2005 -№2 - С 79-82
3 Кривохижина, О В Блок «Биомеханика» в биотехнических системах
медицинского назначения для предоперационной диагностики рентгенохирур­
гических операций на сосудах организма /О В Кривохижина // Юбилейная
60-я Научно-техническая конференция, посвященная 110-летию изобретению
16
радио материалы конф СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - СПб, апрель 2005 г - СПетербург, 2005 - С 208-209
4 Кривохижина, О В Компьютерное моделирование и исследование
напряжений и перемещений в истинных мешотчатых аневризмах /П И Бегун,
О В Кривохижина// Вестн Северо-западного регионального отделения
АМТН 2005 - №8 - С 370-375
5 Кривохижина, О В Компьютерное моделирование и биомеханический
анализ критического состояния коррекции структур сосудистой системы /П И
Бегун, О В Кривохижина, В К. Сухов// Информационно-управляющие систе­
мы Сер Управление в медицине и биологии 2005 - № 6 - С 51-56
6 Кривохижина, О В Моделирование дилатации стенозированных крове­
носных сосудов /О В Кривохижина// Биомеханика-2006 материалы VIII Всеросс
конф по биомеханике Нижний Новгород, май 2006 г - С 51-52
7 Кривохижина, О В Компьютерное моделирование и анализ пригодно­
сти стентов для реконструкции стенозированного сосудистого русла /О В
Кривохижина// Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электро­
технического университета) Сер «Биотехнические системы в медицине и
экологии» 2006 -№1 - С 43-45
8 Кривохижина, О В Диагностика поведения патологически-измененных со­
судов при хирургических операциях /О В. Кривохижина// Физика и радиоэлектро­
ника в медицине и экологии - ФРЭМЭ 2006 матер VII междунар научн -техн
конф - Владимир, август 2006 г — С.62-64
9 Кривохижина, О В. Биомеханический анализ результатов реконструкции
артериальных сосудов с бляшками разной степенью развития и аневризм различной
формы /О В Кривохижина// Молодые ученые - промышленности северо­
западного региона матер Политехнического симпозиума СПб, сентябрь 2006 г С 82-83
Подписано в печать 01 10 07 Формат 60*84 1/16
Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 1,0
Тираж 100 экз Заказ 103
Отпечатано с готового оригинал-макета
в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"
Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ"
197376, С -Петербург, ул Проф Попова, 5