Численное моделирование гемодинамики аневризм сосудов

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)
Аневризма – выпячивание стенки
артерии вследствие ее растяжения
• 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
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
Лечение:
• Эмболизация
• Установка стента
Аневризма
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 прилипания
на 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
Исходная модель, имеющая
характерные слои. (ITK-SNAP)
вход
выходы
Обработанная, «сглаженная» аневризма
(полу-ручная обработка). Для нее
строится сетка и проводится
стационарный расчет.
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
выход 2
аневризма
аневризма
выход 1
вход
Vвх=20см/с, Pвых1=67 mm Hg, Pвых2=68 mm Hg
Форма сосуда
до
после
Постепенное распрямление бифуркации
контроль
через год
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