биомеханические модели течения желчи и аспекты

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕЧЕНИЯ ЖЕЛЧИ И АСПЕКТЫ
ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ШОВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ
ОПЕРАЦИОННЫХ ВМЕШАТЕЛЬСТВАХ В АБДОМИНАЛЬНОЙ ХИРУРГИИ
А.Г. Кучумов1, В.А. Самарцев2
1 - Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь,
Россия
2 - Пермский государственный медицинский университет им. акад. Е.А. Вагнера, Пермь,
Россия
kychymov@inbox.ru
Аннотация. В работе представлены результаты работы по моделированию течения желчи в
желчевыводящих протоков в норме и при патологии. Показано, что патологическая желчь –
неньютоновская тиксотропная жидкость и найдены параметры моделей для последующего
моделирования. Представлены результаты решения задач биомеханики течения желчи. Также в
работе содержатся результаты комплексного биомеханического исследования применения шовных
материалов в абдоминальной хирургии.
Работа поддержана грантом РФФИ № 14-01-31027.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ЖЕЛЧИ
Целью данной работы является разработка компьютерных и аналитических моделей для описания
течения желчи в билиарной системе [10, 12, 13]. С одной стороны, данные модели могут рассматриваться
как инструмент для оценки риска возникновения патологии, с другой стороны – данные модели могут
внести вклад в улучшение методов клинического лечения [2].
Сначала было проведено исследование реологии желчи. Образцы желчи были взяты из желчного
пузыря (пузырная желчь) и желчных протоков (холедохеальная желчь). Для определения реологических
характеристик биологической жидкости применялся реометр Physica MCR 501 (Anton Paar, Германия).
Реологические испытания проводились при температуре 37 ° С. Зависимости вязкости от скорости сдвига,
вязкости от времени, напряжения сдвига от скорости сдвига были получены для различных типов желчи,
взятых у пациентов разного возраста и пола. В результате были получены аппроксимации кривых с
помощью уравнений Кассона и Каро [3, 6, 7]. Было показано, что нормальная желчь является ньютоновской
жидкостью, тогда как патологическая желчь – тиксотропная неньютоновская жидкость [16].
После этого, зная, желчные свойства нормальной и патологической желчи, ряд задач был решен.
Первая задача касается трёхмерного компьютерного моделирования нормального течения желчи в
билиарной системе человека [5]. Геометрия желчных протоков и пузыря была построена на основе
неинвазивных методов (холангиография и УЗИ). Анализ течения был выполнен с помощью МКЭ. Вторая
задача связана с аналитическим решением течения неньютоновской патологической желчи в канале
фатерова сосочка с камнем [15]. Третья задача связана с моделированием перистальтического течения для
анализа возникновения рефлюкса и выработки последующей стратегии для лечения данного феномена [18,
19].
Представленные расчеты течений можно рассматривать как виртуальный инструмент для оценки
физиологического состояния пациента и выработки практических рекомендаций врачам.
АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ШОВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Актуальным вопросом современной хирургии является создание и испытание шовного материала,
обладающего высокими манипуляционными и механическими характеристиками, способностью к
биодеградации, равномерной по диаметру гладкой поверхностью, низкой реактогенностью, отсутствием
токсического, аллергогенного, тератогенного действия, антибактериальными свойствами.
В настоящее время в хирургии расширяется применение шовных материалов с заданными сроками
рассасывания от 7 до 180 суток, которые позволяют позволяют дифференцированно применять однорядный
непрерывный шов в абдоминальной хирургии. При этом срок рассасывания не зависит от толщины нити,
типа ткани, условий кровоснабжения, ферментативной и иммунной активности и т.п.
В России на сегодня не разработаны единые обоснованные стандарты параметров хирургического
шва (вид, величина шага, сила затягивания, отступ от края раны, напряжение в ткани), оперативной техники
наложения межорганных анастомозов и ушивания лапаротомных ран. Преобладают рутинные
традиционные подходы использования прерывного многорядного узлового шва нерассасывающимися
плетеными шовными материалами, что сопровождается высоким процентом послеоперационных
осложнений.
Цель работы – сравнительное исследование структуры, механических свойств и микрорельефа
полифиламентных и монофиламентных хирургических нитей, а также создание комплексной multi-scale
концепции исследования и моделирования поведения шовных материалов в тканях человека на различных
масштабных уровнях (наноуровень, микроуровень, макроуровень).
Проведены экспериментальные исследования биомеханических свойств шовных материалов на
макроуровне (эксперименты на растяжение-сжатие) и на микро- и наноуровнях (методами атомно-силовой
микроскопии и растровой электронной микроскопии) в исходном состоянии и с учетом влияния
биологических жидкостей (желчь, панкреатический сок). На макроуровне получены диаграммы зависимости
нагрузка-деформация [14]. На микроуровне построены зависимости сила–глубина проникновения для
определения значения модуля упругости нити на в зависимости от локализации области индентирования, а
также проведена оценка шероховатости поверхности нити [9, 11].
Проведено сравнение двух методик наложения шва: прерывный шов и непрерывный шов для
оценки напряженно-деформированного состояния ткани апоневроза передней брюшной стенки. Анализ
выполняется с применением метода конечных элементов. В результате расчётов проведено
биомеханическое обоснование выбора способа сшивания ткани, исходя из критерия Старлинга. При
сравнении двух способов сшивания тканей (узловой и непрерывный швы) было показано, что менее
травматичным является непрерывный шов. В результате расчётов также получены зависимости σ–F
(напряжения в апоневрозе – сила, которую прикладывает хирург при ушивании), σ–d (напряжения в
апоневрозе – диаметр нити) и σ–n (напряжения в апоневрозе – количество стежков) для различных видов
шовного материала при наложении узлового и непрерывного швов [4, 8].
Выводы. Таким образом, использование биомеханическая multi-scale концепция исследования
современных шовных материалов в хирургии позволило обосновать оперативную технику наложения
однорядного непрерывного шва и рассчитать оптимальные характеристики шва апоневроза передней
брюшной стенки [1, 17].
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 14-01-31027.
Литература
В.А. Самарцев, В.Э. Вильдеман, Г.А. Терехин, С.В. Словиков, В.А. Гаврилов, А.Г. Кучумов, А.А. Сергеев.
Концепция применения современных шовных материалов в абдоминальной хирургии // Краевая научнопрактическая конференция, посвящённая 90-летию кафедры общей хирургии лечебного факультета
ПГМА «Актуальные вопросы хирургии», 25 марта 2011. – 2011. – С. 195
2. А.Г. Кучумов, Ю.И. Няшин, В.А. Самарцев, В.А. Гаврилов, М. Менар. Биомеханический подход к
моделированию билиарной системы как шаг в направлении к построению виртуальной модели
физиологии человека // Российский журнал биомеханики. – Т. 15, № 2 (52). – С. 32–48.
3. В.А. Попов, А.Г. Кучумов, В.Г. Гилёв. Экспериментальное исследование реологии желчи // XX
Всероссийская школа-конференция молодых учёных и студентов «Математическое моделирование в
естественных науках», Пермь. – 2011.
4. Е.С. Чайкина, А.Г. Кучумов, В.А. Самарцев, В.А. Гаврилов. Биомеханика шовных материалов в
абдоминальной хирургии // XX Всероссийская школа-конференция молодых учёных и студентов
«Математическое моделирование в естественных науках», Пермь. – 2011.
5. А.Ф. Шулятьев, А.Г. Кучумов. Гидродинамические аспекты течения желчи в билиарной системе // XX
Всероссийская школа-конференция молодых учёных и студентов «Математическое моделирование в
естественных науках», Пермь. – 2011.
6. А.Г. Кучумов, В.Г. Гилёв, В.А. Попов, В.А. Самарцев, В.А. Гаврилов. Экспериментальное исследование
реологии патологической желчи / // Российский журнал биомеханики. – 2011. – Т. 15, № 3 (53). – С. 52–
60.
7. В.А. Попов, А.Г. Кучумов. Экспериментальное исследование реологии желчи // Вестник Пермского
университета. Серия: Физика. – 2011. – Выпуск № 3 (18). – С. 92–96.
8. А.Г. Кучумов, В.А. Самарцев, Е.С. Чайкина, В.А. Гаврилов. Биомеханика шовных материалов в
абдоминальной хирургии // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – С. 1–12. (internetисточник)
9. А.Г. Кучумов, В.А. Самарцев, В.Н. Солодько, В.А. Гаврилов, Е.С. Чайкина. Оценка свойств современных
хирургических шовных материалов методами атомно-силовой и растровой электронной микроскопии для
оптимизации их применения в абдоминальной хирургии // «Методы компьютерной диагностики в
биологии и медицине»–2012, Саратов
10. A.G. Kuchumov, Yu.I. Nyashin, V.A. Samarcev, V.A. Gavrilov. Modelling of the normal and pathological bile
flow in the biliary system // 14 Conference Human Biomechanics, Trest, Czech Republic. – 2012
11. В.А. Самарцев, А.Г. Кучумов, В.Н. Солодько, В.А. Гаврилов, Е.С. Чайкина. Атомно-силовая и растровая
электронная микроскопия современных биополимерных шовных материалов // Пермский медицинский
журнал. – 2012. – Т. 29, № 5. – С. 131–136.
1.
12. A.G. Kuchumov, Y.I. Nyashin, V.A. Samartsev. CFD Approach to Bile Flow Problems Solution // 18th
International Symposium on Computational Biomechanics in Ulm CBU 2013, Ulm, Germany, 2013
13. А.Г. Кучумов, Ю.И. Няшин, В.А. Самарцев, А.П. Шестаков. Мультидисциплинарный подход к
решению задач биомеханики билиарной системы: от численных моделей до 3D прототипирования //
VIII Всероссийская школа-семинар «Математическое моделирование и биомеханика в современном
университете», Дивноморское. – 2013.
14. А.Г. Кучумов, Ю.И. Няшин, В.А. Самарцев, Е.С. Чайкина. Биомеханика шовных материалов в
абдоминальной хирургии // VIII Всероссийская школа -семинар «Математическое моделирование и
биомеханика в современном университете», Дивноморское. – 2013.
15. A.G. Kuchumov, Yu.I. Nyashin, V.A. Samarcev, V.A. Gavrilov. Modelling of the pathological bile flow in the
duct with a calculus // Acta Bioengineering and Biomechanics. – 2013. – Vol. 15, No. 4. – P. 9–17.
16. A.G. Kuchumov, V.G. Gilev, V.A. Popov, V.A. Samarcev, V.A. Gavrilov. Non-newtonian flow of pathological bile
in the biliary system: experimental investigation and CFD simulations // Korea-Australia Rheology Journal. –
2014. – Vol. 26, No. 1. – P. 81–90.
17. V.A. Samartsev, A.G. Kuchumov, V.A. Gavrilov. Sutures in abdominal surgery: biomechanical study and clinical
application / // Central European Journal of Medicine; 9(6), 2013. DOI: 10.2478/s11536-013-0334-7.
18. A.G. Kuchumov, Yu.I. Nyashin, V.A. Samarcev. Modeling of peristaltic flow of the pathological bile as Carreau's
fluid in the biliary system elements/ // 15 Conference Human Biomechanics, Pilsen, Czech Republic. – 2014.
19. А.Г. Кучумов, Ю.И. Няшин, В.А. Самарцев, В.А. Гаврилов, Е.В. Ивонина. Перистальтическое течение
патологической желчи при рубцовом стенозе большого дуоденального сосочка // Российский журнал
биомеханики. – Т. 18, № 4 (61): 441–451.