Компьютерное моделирование гемодинамических показателей в нормальной бифуркации общей сонной артерии

• Дербилова В.П.
• Виноградов Р.А.
• Захаров Ю.Н.
• Борисов В.Г.
• Трегубенко К.А.
• Мещерякова О.М.
• Капран Т.И.
• Матусевич В.В.
• Виноградова Э.Р.
• Хетеева Э.Э.
• Зяблова Е.И.
• Барышев А.Г.
• Порханов В.А.

Резюме

Вычислительная гидродинамика (CFD) в настоящее время широко применяется для изучения параметров кровотока и их изменений при патологических состояниях, которые являются важными индикаторами для диагностики атеросклероза.

Цель исследования - определить зоны риска развития атеросклероза с использованием методов вычислительной гидродинамики у пациентов без патологии сонных артерий.

Материал и методы. С помощью компьютерной томографии с контрастным усилением обследованы 10 бифуркаций общих сонных артерий. Полученные данные проанализированы методами вычислительной гидродинамики. Область бифуркации разделена на сегменты. В каждом сегменте обнаружены наиболее склонные к развитию атеросклероза зоны.

Результаты. Полученные результаты позволили сделать вывод, что у пациентов без патологии сонных артерий зона бифуркации является местом потенциального образования атеросклеротических бляшек. Это подтверждается низкими значениями пристеночного напряжения сдвига. Кроме того, наше исследование позволило определить точную локализацию рисковых зон - проксимальную часть внутренней сонной артерии.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Дербилова В.П., Виноградов Р.А., Захаров Ю.Н., Борисов В.Г., Трегубенко К.А., Мещерякова О.М., Капран Т.И., Матусевич В.В., Виноградова Э.Р., Хетеева Э.Э., Зяблова Е.И., Барышев А.Г., Пор ханов В.А. Компьютерное моделирование гемодинамических показателей в нормальной бифуркации общей сонной артерии. Ангиология и сосудистая хирургия. 2022; 28 (1): 29-35. DOI: https://doi.org/10.33029/1027-6661-2022-28-1-29-35

Ключевые слова:бифуркация сонной артерии; компьютерное моделирование; геометрия сонной артерии; внутрисосудистая гемодинамика; атеросклероз; пристеночное напряжение сдвига, wall shear stress, WSS; CFD; computational fluid dynamics

Введение

Сердечно-сосудистые заболевания представляют собой серьезную угрозу для здоровья человека, так как они являются основной причиной летальности [1, 2]. В этиологии этой группы заболеваний ведущее место занимает атеросклероз, при котором поражаются в основном артерии эластического и смешанного типов (мышечно-эластические), такие как коронарные и сонные артерии [2]. Многочисленные исследования подтверждают, что излюбленным местом возникновения и прогрессирования атеросклеротических бляшек становится бифуркация артерий [3-5]. Несмотря на достигнутый большой прогресс, природа заболевания до конца не изучена, и остаются "белые пятна" в понимании причин поражения разных анатомических бассейнов и несимметричности поражения артерий внутри одного бассейна. Ярким примером локализации процесса в области бифуркации служит общая сонная артерия (ОСА). Вследствие своей уникальности и сложности анатомии и геометрии, она сама может быть причиной нарушения локальной гемодинамики, являясь независимым фактором риска развития атеросклеротической бляшки [6, 7]. Для подтверждения этой теории нами проведено исследование гемодинамики в бифуркации ОСА у добровольцев без атеросклеротических стенозов.

Материал и методы

Исследование проводилось на здоровых добровольцах, давших письменное информированное согласие на обследование, которое было утверждено этическим комитетом Кубанского государственного медицинского университета Минздрава России. В исследование включено 10 бифуркаций ОСА. 5 добровольцам выполнена компьютерная томография с контрастным усилением (КТ-ангиография) с использованием мультиспирального компьютерного томографа Siemens Somatom Definition Flash, с количеством срезов 256, толщиной срезов 0,8 мм, в условиях Научно-исследовательского института - Краевой клинической больницы № 1 им. профессора С.В. Очаповского.

Критерии включения: возраст 25-27 лет, отсутствие атеросклеротических и диспластических изменений брахиоцефальных артерий по данным КТ-ангиографии. В анамнезе не отмечены такие заболевания, как сахарный диабет, артериальная гипертензия, метаболический синдром, врожденная дисплазия соединительной ткани.

На основе полученных сведений изучена локальная гемодинамика в бифуркации ОСА с использованием методов математического анализа кровотока (CFD-Computational Fluid Dynamics). Процесс моделирования включал четыре этапа: построение геометрической модели сосуда и расчетной сетки для моделирования течения, формирование данных о течении в сосуде, численные расчеты течения на каком-то интервале времени и использование этих расчетов для получения необходимых характеристик течения. С целью построения расчетных сеток использовалось программное обеспечение ClearCanvas, Salome, SimVascular, MeshMixer. Для выполнения вычисленных расчетов применялась SimVascular. Постпроцессинг, анализ результатов расчетов, визуализация производились в программе ParaView. Во всех случаях использовались идентичные параметры крови: динамическая вязкость 4·10^-3 Па∙с, плотность 1060 кг/м³. Длительность кардиоцикла была выбрана равной 0,9 с, что соответствует частоте пульса 67. Форма "идеального" графика изменения объемной скорости в ОСА построена по данным из литературных источников [8].

Определены зоны, имеющие высокий риск развития атеросклероза. Такие области характеризуются длительным нахождением частиц крови вблизи внутренней стенки сосуда и их осцилляторным поведением. Это выражается в высоких значениях гемодинамического показателя RRT (Relative Residence Time), который включает и значение пристеночного напряжения сдвига (Wall Shear Stress - WSS), и осцилляторность. Для детализации сравнения рисковых зон в разнородных моделях проведена сегментация всех моделей по единой методике, которая заключалась в следующем. Для каждой модели строилась секущая плоскость, проходящая через центр бифуркации, и ортогональная ОСА-ВСА (рис. 1).

Рис. 1. Построение секущей плоскости через центр бифуркации.

Затем строились 3-4 параллельные плоскости со сдвигом в 1 см. Одна в дистальном направлении, остальные - в проксимальном. Кроме того, наружная сонная артерия отсекалась. В результате возникали 5-6 сегментов (в зависимости от длины исследуемого фрагмента сосуда), которые представлены на рис. 2.

В каждом сегменте была построена зона, соответствующая значениям RRT, превышающим 6,25 Па^-1, называемая далее "рисковой зоной" (рис. 3). Для каждого сегмента всех моделей вычислялись площадь рисковой зоны и интегральное значение показателя RRT (обозначаемое далее "RRT_int"), характеризующее суммарное воздействие на стенку сосуда фактора WSS в данной зоне в течение одного кардиоцикла.

Затем сравнивались различные параметры моделей в каждой из зон, относящихся к ОСА-ВСА в отдельности. Данные по зоне 6 не анализировались, так как эта зона относится к наружной сонной артерии.

Рис. 2. Деление бифуркации ОСА на сегменты

Рис. 3. Зоны риска развития атеросклероза (RRT >6,25 Па^-1) по сегментам

Результаты и обсуждение

Интерес к СFD в магистральных артериях не угасает более 30 лет. Гемодинамика играет решающую роль в развитии атеросклеротической бляшки [3, 6]. Однако не только высокая скорость кровотока является повреждающим фактором. Ряд молекулярных и биологических изменений связаны с силой трения потока о стенку сосуда. Двумерное поле сил, распределенное на внутренней поверхности артерии, вызванное "трением крови" вблизи неподвижной стенки сосуда, получило название "пристеночное напряжение сдвига" (WSS). Этот показатель напрямую связан с процессами развития и прогрессирования атеросклероза. В результате воздействия WSS на эндотелиальные клетки интактный эндотелий способен инициировать каскад реакций, приводящих к утолщению артериальной стенки и образованию бляшек [9, 10].

Общеизвестно, что низкие значения WSS (<4 дин/см²) стимулируют атерогенез, тогда как умеренные (>15 дин/см²) вызывают атеропротектное действие [9, 11]. Как было отмечено выше, показатель RRT, вычисляемый через WSS, отражает степень воздействия напряжения сдвига в направлении атерогенеза вблизи тех или иных участков стенки сосуда. Чем больше RRT, тем более "застойное" и осцилляторное течение в этой зоне. Показатель RRT 6,25 Па^-1 рассчитывали по формулам, представленным в работах G.J. Harrison et al. (2014) и S. Lee et al. (2009) [12, 13]. Предполагаем, что области стенки сосуда, в которых значения показателя RRT не превышают величины 6,25 Па^-1 ("пороговое значение"), не подвержены риску развития атеросклероза. Зоны же, где это значение превышается, являются рисковыми зонами.

Результаты нашего исследования обнаружили, что рисковые зоны всех моделей локализуются в сегментах 1 и 2 и не пересекаются с сегментом 4 и проксимальнее расположенным сегментом 5. С сегментом 3 пересекаются только две модели - "Норма_3" и "Норма_4", принадлежащие одному пациенту. В табл. 1 приведены площади тех сегментов Segm_1-6 (см²), которые пересекаются с зонами риска. Для непересекающихся сегментов площади не приведены.

Таблица 1. Площади сегментов (см²), содержащих зоны риска

В табл. 2 приведены площади зон риска Zone_1-6 (см²) по всем сегментам и моделям. Средние значения взяты только по ненулевым ячейкам. В колонке "Сумма" выводится суммарная площадь всех рисковых зон для каждой модели. Отметим, что средняя площадь Zone_1 почти в 2 раза превышает среднюю площадь Zone_2, средняя площадь Zone_3 при этом на порядок меньше. Иначе говоря, основную роль в увеличении риска развития атеросклероза играет Zone_1 (дистальный сегмент ОСА). Для каждой модели суммарные площади всех рисковых зон не превышают 1 см².

Таблица 2. Площади зон риска развития атеросклероза, распределенные по зонам

Наиболее наглядно оценить величину площади рисковых зон можно с помощью диаграммы на рис. 4.

В табл. 3 и на рис. 5 приведены значения показателя RRT_int, отражающие суммарное воздействие напряжения сдвига внутри каждой из зон Zone_1-Zone_6 для каждой модели. На наш взгляд, высокие показатели RRT_int именно в Zone_1 в наибольшей степени влияют на вероятность возникновения атеросклеротической бляшки в области бифуркации, а Zone_2 лежит дистальнее бифуркации и влияет на это в меньшей степени. Средние значения в таблице взяты только по ненулевым ячейкам.

Рис. 4. Площади рисковых зон по сегментам (см²)

Рис. 5. Диаграмма распределения RRT_int по зонам

Таблица 3. Сравнение значений показателя RRT_int (Па^-1·см²) по Zone_1-Zone_6

Тот факт, что атеросклеротическая бляшка имеет тенденцию образовываться предпочтительно в местах со специфической гемодинамикой, привело к мнению, что геометрия сонной артерии может быть фактором риска атеросклероза [9, 11, 14].

Заключение

Атерогенез преимущественно затрагивает внешние стенки бифуркаций сосудов и точки рециркуляции и стаза кровотока. В этих зонах пристеночное напряжение сдвига значительно меньше по величине, а показатель, характеризующий длительность влияния низкого напряжения сдвига в определенной области сосудистой стенки, будет высоким. Поэтому проведение трехмерной геометрии сонной артерии и ее количественной оценки можно использовать для расчета таких механических факторов, связанных с развитием атеросклероза, как пристеночное напряжение сдвига и время нахождения частиц крови вблизи стенки сосуда.

Литература/References

1. Eckstein HH, Kuhnl А, Dorfler А, et al. The diagnosis, treatment and follow-up of extracranial carotid stenosis. Dtsch Arztebl Int. 2013; 110 (27-28): 468-476. doi: 10.3238/arztebl.2013.0468

2. Бокерия Л.А., Милиевская Е.Б., Кудзоева З.Ф. и др. Сердечно-сосудистая хирургия - 2017. Болезни и врожденные аномалии системы кровообращения. Москва: Научный центр сердечно-сосудистой хирургии РАМН. 2018; 252. [Bokeriya LA, Milievskaya EB, Kudzoeva ZF, et al. Serdechno-sosudistaya khirurgiya - 2017. Bolezni i vrozhdennye anomalii sistemy krovoobrashcheniya. Moskwa: Nauchnyi tsentr serdechno-sosudistoi khirurgii RAMN. 2018; 252. (In Russ.)]

3. Sekou G, Terry LY, France HM. Relationship between carotid artery atherosclerosis and bulb geometry. Int J Cardiovasc Imaging. 2018; 34 (7): 1081-1090. doi: 10.1007/s10554-018-1319-z

4. Singh R, Tubbs RS. Histological verification of atherosclerosis due to bends and bifurcations in carotid arteries predicted by hemodynamic model. J Vasc Bras. 2018; 17 (4): 280-289. doi: 10.1590/1677-5449. 004118

5. Strecker Ch, Krafft AJ, Kaufhold L, et al. Carotid geometry is an independent predictor of wall thickness - A 3D cardiovascular magnetic resonance study in patients with high cardiovascular risk. J Cardiovasc Magn Res. 2020; 22 (1): 67. doi: 10.1186/s12968-020-00657-5

6. Jiang P, Chen Zh, Hippe DS, et al. Association between carotid bifurcation geometry and atherosclerotic plaque vulnerability: a chinese atherosclerosis risk evaluation study. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 2020; 40 (5): 1383-1391. doi: 10.1161/ATVBAHA.119.313830

7. Morbiducci U, Kok AM, Kwak BR, et al. Atherosclerosis at arterial bifurcations: evidence for the role of haemodynamics and geometry. Thromb Haemost. 2016; 115: 484-492. doi: 10.1160/TH15-07-0597

8. Ультразвуковая диагностика сосудистых заболеваний: Руководство для врачей. Под ред. В.П. Куликова. 2-е издание. Москва: ООО "Фирма СТРОМ". 2011; 512. [Ul’trazvukovaya diagnostika sosudistykh zabolevanii: Rukovodstvo dlya vrachei. Pod red. V.P. Kulikova. 2-e izdanie. Moskva: OOO "Firma STROM". 2011; 512. (In Russ.)]

9. Malek AM. Hemodynamic Shear Stress and Its Role in Atherosclerosis. JAMA. 1999; 282 (21): 2035. doi: 10.1001/jama.282.21.2035

10. Zhang B, Gu J, Qian M, et al. Study of correlation between wall shear stress and elasticity in atherosclerotic carotid arteries. Biomed Eng Online. 2018; 17 (1): 5. doi: 10.1186/s12938-017-0431-y

11. Younis HF, Kaazempur-Mofrad MR, Chan RC, et al. Hemodinamics and wall mechanics in human carotid bifurcation and its consequences for atherogenesis: investigation of inter-individual variation. Biomechan Model Mechanobiol. 2004; 3: 17-32. doi: 10.1007/s10237-004-0046-7

12. Harrison GJ, How TV, Poole RJ, et al. Closure technique after carotid endarterectomy influences local hemodynamics. J Vasc Surg. 2014; 60 (2): 418-427.

13. Lee SW, Antiga L, Steinman DА. Correlations among indicators of disturbed flow at the normal carotid bifurcation. J Biomechan Engin. 2009; 131 (6): 61013. doi: 10.1115/1.3127252

14. Thomas JB, Jong L, Spence JD, et al. Anthropometric data for magnetic resonance imaging of the carotid bifurcation. J Magn Reson Imaging. 2005; 21 (6): 845-849. doi: 10.1002/jmri.20317