Информационное обеспечение предоперационного прогнозирования состояния сосудов в системе "Артериальные кровеносные сосуды" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Кривохижина, Оксана Владимировна

• Кривохижина, Оксана Владимировна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кривохижина, Оксана Владимировна

Введение.

Глава 1. Анализ современного состояния исследований артериальных кровеносных сосудов в норме, патологии и при хирургических операциях.

1.1. Распространенность сердечно-сосудистых заболевании.

1.2. Строение и функционирование артериальных кровеносных сосудов в норме и патологии.

1.3. Коррекция сосудов.

1.4. Исследование результатов коррекции артериальных сосудов. Проблемы предоперационного прогнозирования результатов коррекции сосудов.

Глава 2. Биомеханические основы компьютерного моделирования патологически-измененных артериальных сосудов и их коррекции.

2.1 Построение содержательной и компьютерной моделей артериального кровеносного сосуда с истинной аневризмой.

2.2. Построение содержательных и компьютерных моделей дилатации артериальных кровеносных сосудов.

2.2.1. Построение содержательной и компьютерной модели дилатации кровеносного сосуда с бляшкой.

2.2.2. Построение содержательной и компьютерной модели баллонной дилатации коарктации аорты.

2.3.Построение содержательных и компьютерных моделей стентов.

2.4. Построение содержательных и компьютерных моделей 107 баллонного стентирования артерий.

2.4.1. Построение содержательных и компьютерных моделей баллонного стентирования при коррекции артерии с осесимметричным расположением бляшки.

2.4.2. Расчет напряженно-деформированного состояния при дилатации сосуда с неосесимметричным расположением бляшки.

2.5. Построение содержательных и компьютерных моделей сегмента артериальных сосудов с дегенеративно-измененным сегментом и концентратом напряжений.

3.1. Исследование напряженно-деформированного состояния артериальных сосудов при патологии и коррекции.

3.1. Исследование напряженно-деформированного состояния при дила- 131 тации артериальных сосудов с осесимметричным расположением бляшки.

3.2. Исследование напряженно-деформированного состояния сегмента 142 внутренней сонной артерии и сегмента аорты с мешотчатыми аневризмами.

3.3 Исследование напряженно-деформированнного состояния дегенеративно-измененного сегмента внутренней сонной артерии.

3.4. Исследование напряженно-деформированного состояния стента 155 при дилатации.

3.5. Исследование напряженно-деформированного состояния биотехни- 156 ческой системы кровеносный сосуд-стент при баллонной дилатации.

3.6. Исследование напряженно-деформированного состояния при дилатации коарктации аорты.

Глава 4. Информационное обеспечение предоперационного прогно- 182 знровання состояния сосудов в системе «Артериальные кровеносные сосуды»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационное обеспечение предоперационного прогнозирования состояния сосудов в системе "Артериальные кровеносные сосуды"»

Актуальность темы. Данные Минздравмедпрома и Госкомстата Российской Федерации свидетельствуют о том, что среди причин смерти населения в последние годы первое место занимают болезни системы кровообращения (БСК). Наиболее распространенные заболевания кровеносных сосудов - атеросклероз и аневризмы. Атеросклероз является основным фактором, поражающим сосуды головного мозга, экстракраниальные сосуды, коронарные сосуды и сосуды других органов. В связи с этим, основными задачами в этой области являются ограничение и снижение заболеваемости, а при развитии патологии -проведение эффективного лечения.

На протяжении последних 10-15 лет артериальные аневризмы головного мозга стали объектом пристального внимания невропатологов и нейрохирургов многих стран мира. Это объясняется, прежде всего, тем, что артериальные аневризмы являются одной из наиболее частых причин опасных для жизни, нередко смертельных внутричерепных кровоизлияний, развивающихся обычно у физически здоровых людей молодого и среднего возраста.

Рентгенохирургия кровеносных сосудов - новой направление в медицине, сформировавшееся в последние три десятилетия. Один из эффективных путей снижения частоты осложнений при этих операциях - применение внутрисосу-дистых протезов-стентов.

В настоящее время в литературе отсутствуют исследования по биомеханическому взаимодействию дилатированных сосудов и стентов - это не позволяет 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 необходимые функции. Он может руководствоваться только предшествующим опытом и опираться на свою интуицию. Отсутствие необходимого информационного 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) критического состояния аневризм.

Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и внедрения в клиническую практику биомеханического метода предоперационного прогнозирования состояния артериальных кровеносных сосудов до операции и в результате коррекции.

Объект исследования - биотехническая система «Артериальные кровеносные сосуды», позволяющая проводить предоперационное прогнозирование состояния кровеносных сосудов до операции и после нее.

Предмет исследования - информационное и методическое обеспечение биотехнической системы предоперационного прогнозирования состояния артериальных кровеносных сосудов до коррекции и в ее результате.

Цель работы: создание биомеханического метода предоперационного прогнозирования состояния артериальных сосудов до и в результате коррекции.

Задачи исследования. Для разработки такого метода необходимо решить следующие задачи:

1. Построить компьютерные модели дилатации стенозированных артерий 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 артерий в общем случае неравномерного профиля с криволинейными сегментами 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 «Артериальные кровеносные сосуды», позволяющее прогнозировать критическое состояние 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 строить для них компьютерные модели;

2) построенные компьютерные модели стентирования стенозированных артериальных кровеносных сосудов неравномерного профиля с криволинейными сегментами позволяют исследовать напряженно-деформированное состояние биотехнической системы «стент-сосуд»;

3) построенные компьютерные модели артериальных кровеносных сосудов с аневризматическими образованиями позволяют исследовать их напряженно-деформированное и критическое состояние в зависимости от геометрических параметров и механических свойств;

4) предложенный метод, построенный на основе биомеханического компьютерного моделирования и анализа состояния сосудов по данным клинических топографических, ангиографических и эхокардиографических исследований, позволяет прогнозировать критическое состояние аневризм и результаты 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 результатов дилатации и стентирования стенозированных артериальных кровеносных сосудов в общем случае неравномерного профиля с криволинейными сегментами и бляшками разной степени развития и определения критического состояния аневризм;

3) информационное обеспечение биотехнической системы «Артериальные кровеносные сосуды», позволяющее прогнозировать критическое состояние аневризм и результаты эндоваскулярных рентгенохирургических операций при дилатации и стентировании артериальных кровеносных сосудов.

Внедрение результатов. Результаты работы внедрены: 1) в клиническую практику, что позволило повысить точность прогнозирования результатов эндоваскулярных операций и определения критического состояния аневризм; 2) в учебный процесс: лабораторная работа «Компьютерное моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния в кровеносных сосудах», в разделе методического пособия «Содержательные модели и моделирование конструкций» авторов Бегуна П.И., Кривохижиной О.В., Лебедевой Е.А., Смирновой М.Ю. и подтверждаются актами о внедрении.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на 9 всероссийских и международных научных и научно-технических конференциях, в том числе: 59-ая научно - техническая конференция, посвященная Дню радио. (СПб-2004); Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Биомедсистемы-2004 (Рязань-2004); всероссийская научно-техническая конференция «Наука - Производство - Технологии - Экология» (Киров-2005); «Юбилейная 60-я Научно-техническая конференция, посвященная 110-летию изобретению радио» (СПб-2005); «IV научно-практическая конференция. Планирование и обеспечение подготовки кадров для промышленно-экономического комплекса региона» (СПб-2005); «V международный симпозиум «Электороника в медицине, мониторинг, диагностика, терапия» (СПб-2006)»; VIII всероссийская конференция по биомеханике «Биомеханика-2006» (Н.Новгород-2006); VII международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии - ФРЭМЭ-2006» (Владимир-2006); Политехнический симпозиум «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» (СПб- 2006); Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям «SCM'2007» (СПб-июнь 2007).

Научные положения, выносимые на защиту:

1) алгоритм исследований напряжений и перемещений в стенках кровеносных сосудов и атеросклеротических бляшках, позволяющий строить для них компьютерные модели;

2) компьютерные модели стентирования стенозированных артериальных кровеносных сосудов неравномерного профиля с криволинейными сегментами, позволяющие исследовать напряженно-деформированное состояние биотехнической системы «стент-сосуд»;

3) компьютерные модели артериальных кровеносных сосудов с аневриз-матическими образованиями, позволяющие исследовать их напряженно-деформированное и критическое состояние в зависимости от геометрических параметров и механических свойств;

4) алгоритм проведения исследований, позволяющий прогнозировать критическое состояние аневризм и результаты эндоваскулярных рентгенохи-рургических 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 введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 42 наименования. Основная часть работы изложена на 106 страницах машинописного текста. Работа содержит 210 рисунков и 5 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Кривохижина, Оксана Владимировна

Результаты работы внедрены: 1) в клиническую практику, что позволило повысить точность прогнозирования результатов эндоваскулярных операций и определения критического состояния аневризм (акт о внедрении); 2) в учебный процесс: лабораторная работа «Компьютерное моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния в кровеносных сосудах», раздел в методическом пособии «Содержательные модели и моделирование конструкций» (акт о внедрении).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании комплексных теоретических и клинических исследований решена актуальная проблема: построено информационное обеспечение, позволяющее проводить предоперационное прогнозирование состояния артериальных кровеносных сосудов. Достоверность полученных результатов подтверждена согласованностью с клиническими данными, и в тех случаях, когда возможно, с результатами других авторов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кривохижина, Оксана Владимировна, 2007 год

1. Здоровье населения Российской Федерации и хирургическое лечение болезней сердца и сосудов в 2003г: сб.ст./ Бюллетень НЦССХ им А.Н. Бакулева РАМН; под ред. JI. А Бокерия. М.: НЦССХ им А.Н. Бакулева РАМН, 2004. -312 с.; ил. - Библиогр. в конце ст.

2. Андреев, В.В. Методы эндоваскулярного лечения заболеваний сосудов /В.В. Андреев, Т.Х Гамзатов, Светликов А.В// Амбулаторная хирургия: матер. II международной конференции «Проблемы современной ангиологии 2005». Москва, 2005 г. С.20-24

3. Шарыкин, А.С. Коарктация аорты у детей грудного возраста // А.С. Шары-кин/ Грудная и сердечно-сосудистая хирургия. 1994. - №6. - С. 6-11

4. Бегун, П.И. "Биомеханика: Учебник для вузов"/ П.И. Бегун, Ю.А. Шукейло. -СПб.: Политехника, 2000. 463 с.

5. Бегун, П.И. "Гибкие элементы медицинских систем"/ П.И.Бегун. СПб.: Политехника, 2002. - 300 с.

6. Сердечно-сосудистые заболевания: сб. ст./ Бюллетень НЦССХ им. Бакулева РАМНМ; под ред. Л. А Бокерия. М.: НЦССХ им А.Н. Бакулева РАМН, 2000. -№2 - 368 е.; ил. - Библиогр. в конце ст.

7. Сердечно-сосудистые заболевания: сб. ст./ Бюллетень НЦССХ им. Бакулева РАМНМ; под ред. Л. А Бокерия. М.: НЦССХ им А.Н. Бакулева РАМН, 2002. -№6 - 109 е.; ил. - Библиогр. в конце ст.

8. Шарыкин, А.С. Модифицированная истомопластика левой подключичной артерией при коарктации аорты у грудных детей// А.С. Шарыкин, Г.В. Зубкова, Г.М. Фалько/ Грудная и сердечно-сосудистая хирургия. 1994. - №4. - С. 31-34

9. Любомудров, В.Г. Хирургическое лечение врожденных пороков сердца у детей первого года жизни//В.Г. Любомудров, B.C. Довгань, В.Л. Кунгурцев,

10. B.А. Болчсуновский/ Грудная и сердечно-сосудистая хирургия. 1994. - № 6.1. C. 11-14

11. Хилько, В.А. Внутрисосудистая нейрохирургия /В.А. Хилько, Ю.Н.Зубков; по ред. В.М. Угрюмова, Б.А. Самоткина. Л.: Медицина, 1982. - 210 с.

12. Седов, П.И. Аневризмы брюшного отдела аорты / П.И. Седов, М.С. Богомолов, А.А. Бабков; под ред. П.И. Седова. СПб.: СПб ГМУ, 2001. - 58 с.

13. Нарушение мозгового кровообращения и их хирургическое лечение/ под ред. Е.В. Шмидта. М.: Медицина, 1967. -300с

14. Бегун, П.И. Проблемы информационного обеспечения малоинвазивных интервенционных рентгенохирургических операций // П.И. Бегун, В.К. Сухов/ Информационно-управляющие системы. Сер. Управление в медицине и биологии. СПб, 2002. № 1. - С.52-57

15. Textbok of intervention cardiology, edited by Eric J Topol, Philadelphia: W.B. Saunders Company, 1 st ed - 1990. - 684 p, 3 rd ed, V 1,2 - 1392

16. Бакланов, Д.В. Коронарная ангиопластика: Пособие для врачей/ Д.В.Бакланов, P.P. Мэздэн; под ред. Д.В. Бакланова. СПб.: Кардиоваскулар Консалтантс, 1996. - 104 с.

17. Нейрокардиология. Каталог. СПб.: Bait-Extrusion, 1999. - 33 с.

18. Cristal Ballon. Ангиопластика. Каталог. СПб.: Bait-Extrusion, 1999. - 16 с.

19. Cristal Ballon. Презентация продукции для транслюминальной ангиопластики. Каталог. СПб.: Balt-Exstrusion, 1999. - 22 с.

20. Grossman W. Cardiac Cateterization, Anqioqraphy and Intervention/ W.Grossman. Philadelphia: Wolters Kluwer Company, 2000. - 943 p.

21. Tenth complex coronary angioplasty course book/ Edited by Marco J. Paris: Eu-ropa Edition, 1999.-946 p.

22. Handbook of Coronary Stents / Edited by P.W.Seruys. London: Martin Duntz LTD, 2002.-424 p.

23. Baldus S. Treatment of Aortocoronary Vein Graft Lesions With Membrane/ S.Baldus, R.Koster// Circulation. 2000. - V.102. - P.2024-2027.

24. Бокерия, JI.A. Применение внутрисосудистого ультразвука при эндоваску-лярных вмешательствах на артериях// Л.А Бокерия, Б.Г Алекян, Ю.И. Бузиа-швили / Сердечно-сосудистые хаболевания. 2002. -Т.З. - С.28-29

25. Можаев, С.В. Нейрохирургия: Учебник для студентов медицинских вузов/ С.В. Можаев, А.А. Скоромец, Т.А. Скоромец. СПб.: Политехника, 2001. - 355 с.: с ил.

26. Аневризмы сосудов головного мозга. /Neurosurgery Online/ http: //neurosurgery-online.com/

27. Пятая Всесоюзная конференция по биомеханике: сб. докл. Нижний Новгород: НПФ РАН, 2000. - 230 с.

28. Шестая Всероссийская конференция по биомеханике: сб. докл. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2002. - 278 с.

29. Bluestein, D. Vortex shedding in steady flow through a model of an arterial stenosis and its relevance to mural platelet deposition// Bluestein, D. / Journal of Biomechanics. 2001. - V. 34.-P. 1020.

30. Пуриня, Б.А. Биомеханика крупных кровеносных сосудов человека/ Б.А.Пуриня, В.А.Касьянов. Рига: Зинатне, 1980. - 260 с.

31. Moore, J. A. et al. Accuracy of Computational Hemodynamics in Complex Arterial Geometries Reconstructed from Magnetic Resonance Imaging/ J.A.Moore// Annals of Biomedical Engineering. 1999. - V.27. - P.32-41.

32. Алямовский, A.A. Solid Works компьютерное моделирование в инженерной практике /А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов и др. СПб.: БХВ-Петербург, 2005- 800 е.: с ил.

33. Mano J. Thubrikar. Vascular mechanics and pathology / Mano J. Thubrikar. Springer: 2007.494 p.

34. Krohn, C. Ultrasonographic screening for abdominal aortic aneurysm// С Krohn, G Kullmann, A Kroese / Eur J Surg. 1992;158:527-530.

35. Darling RC, Messina CR, Brewster DC, Ottiinger LW: Autopsy aneurysms of unoperated abdominal aortic aneurysms. The case for early resection. Circulation 1977;56(3):II-161 -II-164.

36. Coady MA, Rizzo JA, Hammond GL, Mandapati D, Darr U, Kopf GS, Elefte-riades JA:What is the appropriate size criterion for resection of thoracic aortic aneurysms? J Thorac Cardivasc Surg 1997; 113(3):476-491.

37. F. Etave et all. Mechanical properties of coronary stents determined by using finite element analysis // Journal of Biomechanics 34 (2001) p. 1065 -1075.

38. Macfarlane TWR, Canham PB, Roach MR: Shape changes at the apex of isolated human cerebral bifurcations with changes in transmural pressure. Stoke 1982; 14:7076.