Российские ученые разработали комплексную методику моделирования работы аортального клапана

Результаты моделирования: распределение поля скоростей для двумерной и трехмерной постановки. Фото: пресс-служба ПНИПУ

Сердечно-сосудистые заболевания остаются одной из основных причин смертности в мире. Среди них особое место занимает стеноз аортального клапана, при которой нарушается кровоток из левого желудочка в аорту — главную артерию организма. В подавляющем большинстве случаев она связана с возрастными изменениями. По статистике, среди людей старше 75 лет признаки патологии выявляются у 12,4%, то есть в среднем у 49 миллионов человек.

При стенозе створки аортального клапана, регулирующие выброс крови из сердца, становятся жесткими и хуже открываются. Левому желудочку приходится сокращаться с большей силой, чтобы протолкнуть ее в аорту. Из-за перегрузки у пациента могут появиться одышка, боль в груди и обмороки. Без хирургического вмешательства тяжелая форма стеноза становится причиной сердечной недостаточности, а средняя продолжительность жизни не превышает 2–5 лет.

При тяжелой форме заболевания основным методом лечения становится замена клапана. Ее проводят либо хирургически, либо менее инвазивно — когда сложенный клапан доставляют к сердцу через крупный сосуд без вскрытия грудной клетки. Выбор зависит от возраста пациента, состояния здоровья и других особенностей. Например, существуют механические протезы: они служат долго, но требуют пожизненного приема препаратов, снижающих свертываемость крови. Биологические клапаны со временем могут изнашиваться, из-за чего может понадобиться повторная операция.

Сейчас тип и размер протеза выбирают в основном по данным УЗИ сердца и компьютерной томографии. Врачи оценивают анатомию клапана, скорость кровотока и перепад давления, однако эти исследования не позволяют заранее увидеть, как конкретный вариант будет работать после установки.

Точнее предсказать поведение протеза можно с помощью компьютерных моделей. На основе медицинских данных они рассчитывают, как будет функционировать новый клапан. Сегодня такие модели могут дополнить диагностику, но часто описывают лишь отдельные процессы: кровоток, движение створок или свойства материала. Поскольку в организме они взаимосвязаны, существующие модели не позволяют в полной мере оценить, как форма протеза и проходящий через него поток влияют друг на друга.

Ученые научно-технологического университета «Сириус» и Пермского Политеха объединили все этапы в одну методику. В отличие от существующих подходов, которые работают разрозненно, она учитывает геометрию клапана, свойства створок, их движение и воздействие кровотока. В перспективе это позволит еще до операции сравнивать несколько вариантов протеза и выбирать наиболее подходящий для конкретного пациента.

Сначала исследователи разработали трехмерную модель корня (основания) аорты и трех створок клапана. Ее можно менять с помощью нескольких параметров: размеров, высоты и кривизны створок, а также формы их свободного края. Благодаря этому формируется основа для создания базы геометрий, в которой можно автоматически генерировать разные анатомические варианты и просчитывать широкий спектр сценариев.

– В литературе существует множество подходов к моделированию аортального клапана, однако мы рассмотрели два наиболее распространенных – с учетом и без учета влияния кровотока. В упрощенном варианте движение створок определяют по заранее заданному перепаду давления. Это сокращает время расчета, но не показывает, как поток воздействует на клапан. Во втором подходе кровь и створки мы рассматриваем как единую систему. Сравнение показало, что в первом варианте не воспроизвести неоднородное давление, возникающее из-за ускорения потока и формирования вихрей, а также не получить полную картину гемодинамики. Именно поэтому в основу разработанной методики мы положили взаимодействие жидкости и твердого тела, — отметил Никита Пиль, младший научный сотрудник лаборатории биожидкостей ПНИПУ и научного центра генетики и наук о жизни НТУ Сириус.

Далее ученые применили модель для оценки различных клинических случаев: нормы, патологии и операции Озаки (когда створки восстанавливают из ткани пациента, а не из искусственных материалов). Для каждого варианта применили наиболее подходящий материал створок и оценили скорость кровотока, перепады давления и нагрузки. Такой подход показал, что для этих клинических случаев необходимо использовать разное описание материала, поскольку это существенно влияет на результаты моделирования.

Однако для каждого пациента параметры нужно определять индивидуально. Ученые предложили подход на основе анализа видеоданных УЗИ сердца. Они впервые применили специальную нейросеть, которая выделяла створку на кадрах томографии и восстанавливала траектории ее движения. Описание материала ученые последовательно изменяли до тех пор, пока движение не совпало со снимками УЗИ. В результате удалось определить параметры модели, согласованные с реальной работой клапана пациента.

Еще один недостаток существующих моделей в том, что они считают кровь на входе в аорту однородной. В действительности поток движется неравномерно: скорость и направление меняются в пространстве.

– Чтобы учесть этот процесс, мы создали дополнительную модель левого желудочка, который связан с аортой. Она описывает распространение электрического возбуждения, сокращение сердечной мышцы и выброс крови. Полученные значения скорости затем передали в модель клапана. Это позволило воспроизвести более реалистичную форму струи и точнее оценить распределение нагрузок на створки, – дополнил Никита Пиль.

Завершающим этапом стало применение разработанных подходов к моделированию биопротезного клапана из свиного перикарда. Изготовленные образцы ткани испытали на растяжение, чтобы понять, как они ведут себя под нагрузкой. Полученные данные затем использовали для численного моделирования и дополнительного анализа гемодинамических показателей.

Разработка ученых создает основу к комплексной оценке работы аортального клапана. В перспективе она может стать частью программ поддержки принятия врачебных решений, которые будут объединять данные медицинских исследований и результаты численного моделирования. Это позволит учитывать индивидуальную анатомию и особенности кровотока, а также еще до операции сравнивать гемодинамику различных типов и размеров протезов.

Также предложенный подход может быть полезен на этапе разработки клапанов. С его помощью можно оценивать, как геометрия конструкции, форма створок и свойства материала влияют на его открытие, скорость потока, перепад давления и распределение механических нагрузок. Полученные данные могут использоваться для оптимизации протезов, снижения неблагоприятных гемодинамических эффектов и повышения их долговечности.

Статья опубликована в журнале «Russian Journal of Biomechanics».