Численное моделирование гемодинамики аневризм сосудов головного мозга

А.П.Чупахин, А.А.Черевко, Н.А.Воробцова, А.А.Янченко(ИГиЛ СО РАН, НГУ),

А.Л.Кривошапкин, К.Ю.Орлов, В.А.Панарин (ННИИПК им.Мешалкина Минздрава РФ),

В.И.Баранов (ин-т физиологии СО РАМН)

• Места появления аневризм: места бифуркации сосудов, места анатомических изменений строения сосудов, рядом с артериовенозной мальформацией

• Причины возникновения: структурные изменения артерий, гемодинамический фактор, механическое повреждение стенки сосуда

• Встречается у 0.3-5% взрослого населения, редкая встречаемость у детей.

• Материал стенки аневризмы отличается от материала стенки здорового сосуда

Аневризма – выпячивание стенки артерии вследствие ее растяжения

Особенности мозговых сосудов

• Мозговые сосуды менее растяжимы, имеют значительно более тонкую стенку, содержат меньше эластических волокон и не имеют механической поддержки окружающих тканей

• Мозговые сосуды являются низкорезистивными, что повышает долю кинетической энергии в течении (для нижних конечностей Епотенц : Екинет = 4:1, для мозга 1:1)

• Гемодинамические удары о стенки мозговых сосудов значительно больше, чем в других органах

Большая нагрузка на сосуды, большой риск возникновения аневризм

Эндоваскулярное лечение аневризм

Аневризма

Лечение:• Эмболизация• Установка стента

Осложнения:• Разрыв• Реканализация

Моделирование аневризм

• Дополнительная информация, позволяющая до операции – уточнить ход операции, после операции – точнее оценить результат.

• Должно выполняться достаточно быстро – 1-2 дня• Максимально простые модели, дающие достаточную точность• Геометрия аневризмы – данные компьютерной томографии

(ННИИПК им. акад. Мешалкина)• Параметры потока – использование данных внутрисосудистого

датчика давления и скорости (ННИИПК им. акад. Мешалкина)

• Расчет – ANSYS Fluent, CFX

Какие значения полученных величин следует считать опасными?Что такое «успешная операция»?

Численное моделирование гемодинамики

Модель:

• Уравнения: Трехмерное несжимаемое ньютоновское течение (уравнение Навье-Стокса)

• Граничные условия - реальные клинические данные снятые во время операции: на стенке сосуда условие прилипанияна входе задаем скорость на выходах задаем давление(с датчика давления и скорости находящегося во время операции внутри сосуда)

Гигантская аневризма (6-7см)

Пациент – женщина 75 лет

Расположение аневризмы (компьютерная томограмма)

Рентгеновская ангиограмма, снятая во время операции

Полученная из томограммы 3D модель

Обработанная, «сглаженная» аневризма (полу-ручная обработка). Для нее строится сетка и проводится стационарный расчет.

Исходная модель, имеющая характерные слои. (ITK-SNAP)

входвыходы

Давление на стенках аневризмы

Давление на стенках аневризмы распределено очень равномерно.Пятно давления в месте гемодинамического удара.

Линии тока внутри аневризмы

Небольшая скорость потока внутри – хорошо для тромбирования аневризмы

Задержка крови внутри аневризмы

Большая задержка крови (застойная зона в центре аневризмы) – хорошо для тромбирования

Касательные напряжения на стенке (WSS)

WSS на куполе аневризмы очень низкие, а на ножке – высокие.(Норма 1.5-2.0 Ра)

Не благоприятный прогноз без операции.

Особенности течения в гигантской аневризме

• Равномерное распределение давления по стенке• Малые WSS на куполе• Большое время задержки крови в аневризме• Допустимость стационарного расчета

Y-стентирование.3 этапа – до операции, после, контроль через год.

Поставленные стенты меняют геометрию сосудов

До стентирования После стентирования

аневризма аневризма

вход

выход 2

выход 1

Vвх=20см/с, Pвых1=67 mm Hg, Pвых2=68 mm Hg

Форма сосуда

до после контрольчерез год

Постепенное распрямление бифуркации

Пятно давления до лечения

Обычно аневризма работает на пределе прочности

Давление на стенке

Давление на стенке с течением времени монотонно снижается

Скорости и линии тока

Закручивание линий тока на развилке

Естественное течение крови на развилке – без закручивания

WSS

Особенно важны значения WSS в зоне аневризмы. Это помогает оценить опасность реканализации.

Опасные зоны большого WSS

Сравнение максимумов давления, скорости, градиента давления и напряжения сдвига

Изменение геометрии приводит к уменьшению модулей скоростей, давлений и модулей градиентов давлений. Напряжения сдвига по-прежнему остаются высокими (в норме среднее WSS 1.5-2 Pa) – есть опасность реканализации