Диссертация (Биотехническая система бесшовной имплантации аортального клапана сердца), страница 6

С учетом общей продолжительности работы клапанов ворганизме человека, составляющей приблизительно 3·109 циклов в расчете на 7036лет жизни, биомеханическая нагрузка створок становится критически значимой.Исходя из этого, можно объяснить, почему наиболее нагруженные клапанысердца – митральный и аортальный – являются наиболее проблемными (склинической точки зрения) и требуют существенно более частого протезирования[124].Аорта – самый крупный артериальный сосуд в теле человека.

Во времясистолического сокращения поток крови попадает через аортальный клапан вкорень аорты, откуда небольшая часть крови уходит непосредственно черезкоронарные артерии на питание сердца, остальная – распределяется далее пососудистой системе. Однако, помимо проводящей функции, корень аорты такжевыполняет демпфирующую функцию и функцию буфера за счет механическихсвойств собственной ткани [23, 36].

Ткань аорты и ее синусов содержит гораздобольше эластиновых волокон и имеет меньшую жесткость в сравнении с ее«ближайшим аналогом» - легочной артерией [45]. В момент систолическогосокращения стенки аорты накапливают энергию упругой деформации,передаваемой через «гидравлический удар», которая затем расходуется вдиастолическую фазу,обеспечивая продолжительное течение крови кпериферическим сосудам и пролонгированному поддержанию давления всосудистой системе [5]. Другой важной функцией, выполняемой корнем аорты,является формирование турбулентного потока в синусах Вальсальвы, которыйучаствует в работе створчатого аппарата [4, 99].Из аорты кровь непосредственно распределяется к органам, конечностям иголовному мозгу, далее по венам – в правое предсердие.

Затем кровь проходитмалый круг кровообращения: правоe предсердие – трикуспидальный клапан –правый желудочек – клапан легочного ствола – легочная артерия, и, наконец,обогащаясь кислородом в легких попадает в левое предсердие, где черезмитральный клапан в диастолическую фазу заполняет левый желудочек, темсамым замыкая большой круг кровообращения.37Все функции кровеносной системы строго согласованы благодаря нервнорефлекторной регуляции, что позволяет поддерживать гомеостаз в условияхпостоянно изменяющихся условий внешней и внутренней среды.

Кроме того,гидравлическая связь всех компонентов биологической системы обеспечивает ихвзаимнуюрегуляцию.Нарушениесистемныхсвязейобуславливаетпатологическое состояние, к примеру, в случае стеноза клапана аорты деградацияи кальцификация створок ведет к уменьшению проходного отверстия клапана исокращению объема сердечного выброса, что в свою очередь, через системуобратных связей, приводит к ряду функциональных осложнений, в частности,гипертрофии левого желудочка, размер миокарда которого увеличивается вобъеме в попытке увеличить сердечный выброс и тем самым компенсироватьпадение кровяного давления.Имплантация протеза клапана с целью лечения аортального стеноза,успешную корректирует гемодинамическую патологию, однако введениеискусственного объекта в биологическую систему требует совместногорассмотрения протеза и органа в рамках единой БТС.

Данный тезис подтверждаетанализ клинических результатов ранних моделей искусственных клапанов: вчастности, возникновение гемодинамических нарушений при имплантациимеханических дисковых протезов и стенозирующий эффект каркасов биопротезов[12]. С другой стороны, имплантация каркасного биологического протезачастично нарушает биомеханику корня аорты [12, 56] ввиду того, что створчатыйаппарат такого протеза изолирован от эластичного корня аорты жесткимкаркасом, в тоже время протез гидравлически остается связанным со всейсистемой. В этом отношении бесшовно-имплантируемые протезы являютсясущественно более системно-интегрированными: каркас подобных протезовкрепится за счет баланса радиальных сил и силы реакции аорты, в тоже время,изменение его диаметра ведет к изменению геометрии створчатого аппарата, и,как следствие, изменению гидродинамики всей системы. Широкая вариативностьклинических результатов отдельно взятого бесшовно-имплантируемого протеза38наглядно демонстрирует влияние состояния и анатомии биологических структурна исход процедуры в целом [50, 121, 127].

Подобные различия в результатахимплантации являются следствием взаимодействия двух объектов со сложнойпространственной конфигурацией: биопротеза на основе каркаса из металла спамятью формы с биологическим створчатым аппаратом и корня аорты, которыйкромеисходнойнеоднородностиматериалапатологические кальциевые конгломераты.такжеможетсодержатьДанное взаимодействие, оценкакоторого в полной мере невозможна методами клинической диагностики, можетбыть представлено в виде единой системы на основании Теории БТС [11] (Рис.2.2).Рис. 2.2. Исследуемая биотехническая система в первом приближенииСостояние БТС согласно эволюционному анализу можно принципиальноразделить на две фазы: имплантация и циклическая работа в организме. В первойфазе происходит взаимодействие трех основных компонентов «система доставки– каркас протеза – корень аорты», причем основная работа в данной фазесовершается за счет сил сжатия протеза в систему доставки, осуществляемойвоздействием оператора (хирурга).

По завершению имплантации протеза,происходит его полная экстракция из катетера, и удаление системы доставки, врезультате чего БТС переходит в перманентную фазу.39Впервом приближении функционирующую модель БТС можнопредставить в виде комплекса «биопротез – корень аорты», в котором поток кровиаорты формируется искусственным клапаном на основе биологическогоматериала – ксеноперикарда. Геометрия клапанного аппарата в любой из фазсердечного сокращения зависит от балансного состояния каркаса биопротеза икорня аорты и определяет гидродинамическую эффективность БТС. В своюочередь балансное состояние определено свойствами тканей аорты, еегеометрией, а также радиальными силами каркаса, необходимыми для созданиядостаточной силы трения, препятствующей сдвигу протеза под действиемдавления крови на створчатый аппарат искусственного клапана.

Нарушенияданного баланса сил со стороны клапанного аппарата ведет к ухудшениюгидродинамической эффективности БТС за счет искусственного стеноза, либовозрастания регургитации вследствие дилатации ФК, а также деформациистворчатого аппарата, приводящей к повышенному износу биологическогоматериала. Со стороны каркаса недостаток радиальной силы может обуславливатьдислокацию протеза, переизбыток – приводить к разрыву, расслоению аорты,атриовентрикулярной блокаде. Из этого следует, что ключевым звеномпроектирования сбалансированной БТС является адекватная модель корня аорты,учитывающая как ее геометрию, так и свойств ее тканей на основестатистического анализа.На энергетическом уровне взаимодействие компонентов БТС можнопредставить в виде последовательного перехода накопленной при сжатиивнутренней энергии эластической деформации каркаса биопротеза черезкинетическую энергию в энергию деформации корня аорты, при этом происходитнеполная передача энергии, что и обуславливает, в конечном итоге, балансноеравновесие радиальной силы каркаса и силы реакции аорты.

Последующая фазациклической работы системы также содержит три основных компонента«створчатый аппарат протеза – каркас протеза – корень аорты», однако в данномслучае на систему оказывает существенное внешнее энергетическое воздействие40сокращение миокарда левого желудочка, передаваемое через давление кровотока.Таким образом, для анализа функции разрабатываемого устройства недостаточноизолированной оценки работы его створчатого аппарата и каркаса, посколькунеобходимо учитывать общую реакцию системы на воздействие внешних сил.Согласно теории БТС [11] одним из основополагающих этаповпроектирования является выбор вектора состояния, определенного в условияхвзаимодействия биологического компонента сВзаимодействие разрабатываемого изделиястехническими звеньями.биологическим объектомпроисходит как на контактном уровне «каркас протеза – корень аорты», так и науровнегидродинамического взаимодействиястворчатыйаппарат».«сердце –Поскольку искусственныйклапанискусственныйучаствуетвформировании потока, можно предложить следующую формулировку векторасостояния:с = (∆P, EOA,Vрег, Dбфк)T ,(2.1)где ∆P – транспротезный градиент, EOA – эффективная площадь отверстия,Vрег –объем регургитации, Dбфк – балансный диаметр ФК, определяющий егонапряженно-деформируемое состояние.Двойственный механизм взаимодействия компонентов БТС также непозволяет сформулировать единую целевую функцию.

Основываясь на критериибиоадекватности необходимо предъявлять требования как к каркасу протеза, таки гемодинамическим показателям створчатого аппарата. В первом случае,основным критерием выступает баланс радиальных сил (сил трения): =,(2.2)где F и Fmin – соответствующие значения силы трения создаваемой каркасом исдвиговой силы кровотока. Во втором случае (в случае формулировки целевойфункций основываясь на критерии адекватности гемодинамики), целесообразноиспользовать критерий соотношения полезной энергии к энергии сокращенияжелудочка:41 = −,(2.3)где Elv – энергия сокращения левого желудочка, Eloss – суммарная энергия потерьна клапанном переходе. Подобный подход позволяет осуществлять интегральныйанализ работы створчатого аппарата на протяжении всего цикла сердечнососудистого сокращения, в отличие от принятых в клинической практикеизолированных показателей, приведенных в векторе состояний и их производных,таких как индекс производительности.Как следует из формулировки целевой функции – оба ее компонента вомногом определены состоянием биообъекта, в частности его напряженнодеформированное состояние определяет балансный диаметр БТС «каркас-аорта»,что в свою очередь влияет на значение радиальных сил каркаса ипространственную конфигурацию створчатого аппарата, исходя из этого, можнозаключить что корень аорты – является основным объектом БТС и требуеттщательно изучения в рамках создания его эквивалентной модели.Новые подходы в разработке биопротезов с бесшовным способомфиксации, в частности МКЭ [3, 21], предполагают высокоточную реконструкциютрехмерных моделей целевого органа.