анализ гемодинамики желудочков сердца при

АНАЛИЗ ГЕМОДИНАМИКИ ЖЕЛУДОЧКОВ СЕРДЦА ПРИ НАЛИЧИИ
ПОСТИНФАРКТНОЙ АНЕВРИЗМЫ МЕЖЖЕЛУДОЧКОВОЙ ПЕРЕГОРОДКИ
А.А. Голядкина1, А.В. Полиенко1, Л.Р. Хайдарова1, Е.А. Номеровская1, К.М. Морозов2
1 - Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
2 - Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России
[email protected]
Аннотация. Исследование направлено на изучение вопросов возникновения, формирования и
хирургического лечения постинфарктных аневризм левого желудочка сердца человека. На основе
данных компьютерной томографии построены модели желудочков сердца. С использованием
трехмерного конечно-элементного моделирования проведен анализ гемодинамики с учетом
напряженно-деформированного состояния стенок желудочков сердца при наличии постинфарктной
аневризмы межжелудочковой перегородки.
ВВЕДЕНИЕ
Среди многочисленных причин патологических состояний миокарда (сердечной мышцы) первое
место занимает ишемическая болезнь сердца, которая, в свою очередь, может приводить к инфаркту
миокарда. Нередко (в 10–34% случаев) инфаркт миокарда осложняется развитием постинфарктной
аневризмы [1, 2]. В подавляющем большинстве случаев аневризма сердца образуется в стенке его левого
желудочка (ЛЖ). Формирование аневризмы связанно с выраженным изменением геометрии ЛЖ,
увеличением его объемов, массы миокарда, нарушением насосной функции. Аневризма в большинстве
случаев развивается после обширного инфаркта миокарда, сопровождающегося некрозом мышечной ткани
и замещением ее рубцовой. Особо выделяют аневризму межжелудочковой перегородки, при которой
происходят важные гемодинамические изменения не только в ЛЖ, но и в правом желудочке (ПЖ) сердца,
поскольку его полость частично заполняет выпирающая в него аневризма. В большинстве случаев данная
патология требует незамедлительной хирургической коррекции с реконструкций ЛЖ, а также реваскуляции
миокарда [3, 4].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Построение моделей желудочков сердца осуществлялось по данным компьютерной томографии с
использованием программного пакета 3D Slicer и системы автоматизированного проектирования
SolidWorks. Данные компьютерной томографии были предоставлены Клиникой аортальной и сердечнососудистой хирургии ГБОУ ВПО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России». В результате
были построены модели желудочков сердца человека и соответствующие им объемы крови (рис. 1).
Рис. 1. Этапы построения моделей желудочков сердца человека
Численный эксперимент был проведен в расчетном комплексе Ansys Multiphysics, который
позволяет решать широкий класс задач механики сплошной среды, используя метод конечных элементов. В
качестве граничных условий предполагалось, что узлы, принадлежащие элементам зоны клапанного
аппарата, жестко закреплены, т.е. наложено ограничение по степеням свободы. На стенке желудочков
ставилось условие равенства скоростей частиц жидкости, прилегающих к соответствующим частицам
стенки. Кровь предполагалась однородной, несжимаемой и ньютоновской жидкостью с заданными
плотностью 1  1050 кг/м3 и динамической вязкостью   0.0037 Па∙с. Материал стенок предполагался
нелинейным гиперупругим. Был проведен анализ моделей материала стенки, соответствующей графикам
зависимости напряжение-деформация, полученных в процессе натурных экспериментов. В результате при
численном эксперименте нами была использована 3-х параметрическая модель Mooney-Rivlin, с
определенными константами
c10  1.88 10 6 Па,
c 01  1.44 10 6 Па,
c11  7.81 10 5 Па. Граничные и
начальные условия были наложены исходя из клинической картины и были определены с использованием
данных магнито-резонансной и компьютерной томографий и ультразвукового исследования.
Численный анализ моделей желудочков проведен по фазам сердечного цикла (СЦ). При анализе
диастолической фазы СЦ на внутренние поверхности ЛЖ и ПЖ было наложено давление. При проведении
численного анализа систолической фазы СЦ на внешнюю поверхность моделей желудочков были наложены
перемещения, а на жидкость, на выходе в сосуды, задавалось давление функцией по времени.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Были рассмотрены три модели желудочков сердца: в норме, при ишемии и наличии
постинфарктной
аневризмы
межжелудочковой
перегородки.
Результаты
конечно-элементного
моделирования желудочков сердца были проанализированы с точки зрения определения влияния
гемодинамических усилий на образование и разрыв постинфарктных аневризм. Стоит отметить, что при
планировании хирургического лечения практикующих специалистов интересует анализ кровотока, и
поэтому особое внимание было уделено оценке конечно-диастолического объема и фракции выброса
желудочков сердца при различных патологических состояниях межжелудочковой перегородки. Фракции
выброса (ФВ) желудочков сердца показывает, какая часть конечно-диастолического объема крови
выбрасывается из желудочков во время систолы в аорту. Расчет фракции выброса осуществляется по
формуле:
УО
ФВ 
 100 % ,
КДО
где УО – ударный объем (количество крови, выбрасываемой желудочком в аорту при каждом сокращении),
КДО – конечно-диастолический объем крови.
При ишемии межжелудочковой перегородки не выявлены явные гемодинамические изменения по
сравнению с нормой, поскольку давление со стороны правого желудочка компенсирует давление потока в
ЛЖ. Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что минимальные значения эквивалентных
напряжений наблюдаются в зоне ишемии, высокие - на границе патологической зоны с миокардом в норме.
В модели желудочков сердца при наличии диффузной аневризмы межжелудочковой перегородки
высокие значения модуля вектора перемещения и эквивалентных напряжений стенки достигаются на
границе образования аневризмы, что может привести к увеличению ее объема и изменению формы. При
рассмотрении модели с мешковидной аневризмой наблюдается истончение стенки в устьи аневризмы, что
может приводить, по медицинской статистике, к разрыву стенки в данной области [1, 4]. Выявлено,
увеличение конечно-диастолического объема ЛЖ, и прямо пропорциональное уменьшение данного
показателя в ПЖ, поскольку его полость частично заполнила выпирающая в него аневризма. Фракция
выброса желудочков не превосходит 60% от нормы для ПЖ, и 57% для ЛЖ. График зависимости изменения
объема крови, изгоняемого ЛЖ в аорту, при наличии аневризматического мешка межжедудочковой
перегородки в сравнении с нормой, представлен на рисунке 2.
0,003
Объем крови, м
3
0,0025
0,002
0,0015
0,001
0,0005
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
Время, с
Рис. 2. График изменения объема крови, изгоняемой ЛЖ в аорту, в норме (––)
и при наличии аневризматического мешка МЖП диффузного (––) и мешковидного (––) типов
Верификация биомеханических моделей проведена на основе сопоставления с клинической
картиной. Проведено сравнение данных практической хирургии значений фракции выброса с результатами
конечно-элементного анализа моделей желудочков сердца. Выявлено, что погрешность составляет не более
10%. Данные погрешности обусловлены введенными упрощениями в моделях и физиологическими
особенностями организма, которые пока невозможно внести в виртуальную модель.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №14-01-31383-мол_а.
Литература
1.
2.
Бокерия Л.А. Ишемическое ремоделирование левого желудочка (методологические аспекты, вопросы
диагностики и лечения) // М.: Изд-во НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН, 2002, 152 с.
Бокерия Л.А. Хирургическое лечение постинфарктной аневризмы сердца: прошлое, настоящее и будущее
// Анналы хирургии, 2002, №3, с. 23–31.
3.
4.
Белов Ю.В. Хирургическое ремоделирование левого желудочка при постинфарктных аневризмах //
Грудная и сердечно-сосудистая хирургия, 2000, № 3, с. 68–72.
Белов Ю.В. Постинфарктное ремоделирование левого желудочка. От концепции к хирургическому
лечению // М.: ДеНово, 2002, 194с.