Векторное картирование внутрисосудистых потоков для оценки напряжения сдвига стенки у пациентов со стенозом внутренней сонной артерии

• Сандриков В.А.
• Дутикова Е.Ф.
• Гавриленко А.В.
• Кулагина Т.Ю.
• Жигулина О.А.
• Лебедева Е.Ю.

Резюме

Цель - оценить изменения напряжения сдвига стенки внутренней сонной артерии посредством визуализации векторного потока до и после каротидной эндартерэктомии.

Материал и методы. Обследованы 30 здоровых волонтеров мужского и женского пола (34±2,2 года); 23 пациента с патологией внутренней сонной артерии до операции каротидной эндартерэктомии (65±2,9 года); 14 пациентов (из 23 оперированных) на 4-5-й день после операции каротидной эндартерэктомии (61,6±2,7 года).

Исследование проводились на ультразвуковом аппарате Mindray Resona 7 (Китай), оснащенном линейным датчиком (3-11 МГц) с обновленным программным обеспечением V flow. Систолическая скорость кровотока (Vs) до и после стеноза взаимосвязана с напряжением сдвига стенки (WSS) по векторному анализу. WSS анализировали во внутренней сонной артерии до и после бляшки. Изменение направления вектора WSS в течение сердечного цикла описывали с помощью индекса колебания (Oscillatory Shear Index, OSI). Оценивали турбулентность потока крови, толщину стенки на 1 см проксимальнее бифуркации общей сонной артерии и процент стеноза на уровне бляшки до и после операции. Стеноз внутренней сонной артерии определялся при продольном сканировании по методу EСST. Был рассчитан внутригрупповой коэффициент корреляции при измерении напряжения и сдвига стенки.

Результаты. Средние значения турбулентности при стенозе были выше в систолу, чем в диастолу (p<0,001). Турбулентный поток коррелировал с напряжением стенки до операции (-0,5137; p<0,05). Адекватность коррекции стеноза внутренней сонной артерии >70% оценивали по скорости кровотока и отношению WSS к проксимальному и дистальному руслу. Критериями адекватной коррекции считали нормализацию внутрисосудистых потоков крови, WSS и индекса колебания (OSI).

Заключение. При стенозе внутренней сонной артерии напряжение сдвига стенки было значительно выше по направлению кровотока, что характерно для турбулентности. Скорости движения при средних и высоких значениях деформации могут служить одним из показателей для оценки патологии и выявления участков стенозирования сосуда.

В послеоперационном периоде направление векторов потока соответствует нормальным значениям, что служит дополнительным критерием эффективности хирургической коррекции. Регистрация напряжения сдвига стенки с помощью векторного картирования потока у пациентов с цереброваскулярными заболеваниями - новое направление для оценки результатов хирургического лечения.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов. Концепция и дизайн исследования - Сандриков В.А., Гавриленко А.В.; сбор и обработка материала - Кулагина Т.Ю., Дутикова Е.Ф., Лебедева Е.Ю.; статистическая обработка - Жигулина О.А., Дутикова Е.Ф.; написание текста - Сандриков В.А., Кулагина Т.Ю.; редактирование - Гавриленко А.В.

Для цитирования: Сандриков В.А., Дутикова Е.Ф., Гавриленко А.В., Кулагина Т.Ю., Жигулина О.А., Лебедева Е.Ю. Векторное картирование внутрисосудистых потоков для оценки напряжения сдвига стенки у пациентов со стенозом внутренней сонной артерии. Ангиология и сосудистая хирургия. Журнал имени академика А.В. Покровского. 2023; 29 (4): 14-20. DOI: https://doi.org/10.33029/1027-6661-2023-29-4-14-20

Ключевые слова:стеноз внутренней сонной артерии; скорость кровотока; напряжение сдвига стенки; индекс колебания

Введение

Атеросклероз - основная причина стеноза внутренней сонной артерии (ВСА). Атеросклеротические бляшки в сонных артериях (СА) являются наиболее распространенной причиной острого ишемического инсульта [1]. В ряде публикаций высказываются мнения, что напряжение сдвига сосудистой стенки зависит от характеристик кровотока, артериального давления, анатомического диаметра и направления сосудов, а также от частоты и нарушения сердечного ритма [2]. Ускорение и направленность потока во многом зависят от анатомической структуры и степени выраженности поражения артериальной стенки. Уточнение степени выраженности патологии СА важно для выбора тактики лечения. Одним из способов диагностики становится оценка внутрисосудистого кровотока. Скорость кровотока играет важную роль в ускорении и направлении крови в сосудистое русло головного мозга. Несмотря на большое количество исследований, посвященных диагностике патологии СА, до настоящего времени не определены величины, характеризующие свойства сосудистой системы и ее вязкоупругие свойства с целью оценки патологии и результатов операции. Напряжение сдвига стенки артерии рассматривается как один из ключевых факторов развития атеросклероза. Чтобы повысить точность в диагностике для неламинарного потока, предлагается проводить расчет напряжения сдвига стенки на основе ультразвуковой векторной визуализации потока. Основываясь на этом, рядом авторов было проведено моделирование расчетов напряжения сдвига стенки для турбулентных потоков во ВСА [3, 4].

Цель исследования - оценить изменения напряжения сдвига стенки ВСА посредством визуализации векторного потока до и после каротидной эндартерэктомии.

Материал и методы

Обследованы 30 здоровых волонтеров мужского и женского пола (34±2,2 года); 23 пациента с патологией ВСА до операции каротидной эндартерэктомии (65±2,9 года); 14 пациентов (из 23 оперированных) на 4-5-й день после операции каротидной эндартерэктомии (61,6±2,7 года).

У 2 пациентов в анамнезе имелись нарушения мозгового кровообращения. Наиболее часто атеросклеротическая бляшка была длиной 3-4 см. Стеноз ВСА определялся при продольном сканировании по методу ECST и в среднем составлял 71,2±6,4% (64-93%). Сахарный диабет был выявлен у 8, гипертоническая болезнь - у 17 пациентов. Критерии исключения - пациенты с мерцательной аритмией, частой желудочковой экстрасистолией и сердечной недостаточностью III-IV функционального класса.

В послеоперационном периоде у пациентов не наблюдали нарушения мозгового кровообращения. В состоянии покоя у всех исследуемых измеряли артериальное давление. Все исследования выполнялись двумя экспертами, независимо друг от друга. Результаты были сопоставимы по оценке степени стеноза, скорости кровотока.

Настоящее исследование было одобрено комитетом по этике Российского научного центра хирургии им. акад. Б.В. Петровского.

Ультразвуковые исследования (УЗИ) проводились с помощью аппарата Mindray Resona 7 (Китай), оснащенного линейным датчиком (3-11 МГц) с обновленным программным обеспечением V flow для анализа кровотока в СА. Это давало возможность регистрировать и рассчитывать гемодинамические показатели, включая скорость кровотока, направление потока, турбулентность и анатомическую характеристику СА. Синхронно записали электрокардиограмму. СА оценивались с обеих сторон в трех сегментах (начальный, средний и ближний сегмент бифуркации), что позволило оценивать локальные скорости потока и измерять напряжение сдвига стенки.

При УЗИ и цветовой допплеровской визуализации ВСА определяли просвет артерии и систолическую скорость кровотока (Vs) до и после сужения и напряжение сдвига стенки (WSS). WSS в паскалях (Па) вычислялась автоматически по встроенной программе прибора. WSS анализировали во ВСА до и после бляшки. Направление вектора WSS в течение сердечного цикла рассчитывалось автоматически, также как и индекс колебания (Oscillatory Shear Index, OSI). Оценивали турбулентность потока, толщину стенки на 1 см проксимальнее бифуркации общей СА (ОСА) и процент стеноза на уровне бляшки до и после операции. Стеноз ВСА определялся при продольном сканировании по методу ECST. Результаты представлены на рисунках и в таблицах.

Статистический анализ

Переменные были выражены как среднее значение со стандартным отклонением. Сравнения проведены с использованием непарного t-критерия и коэффициента корреляции. Статистика выполнялась на программах Statistics 12.0 и JMP-5 (США). Нормальное распределение данных было проверено с помощью теста Шапиро-Уилка, когда дисперсия была однородной и соответствовала нормальному распределению. Для проведения сравнений между группами и попарных сравнений между группами использовался однофакторный дисперсионный анализ. Значение p<0,05 считалось статистически достоверным.

Результаты

Результаты обследования здоровых волонтеров и больных со стенозом ВСА до и после операции представлены в табл. 1.

В режиме V flow скорость кровотока оценивалась по векторам разного цвета. Красные векторы характеризуют высокие скорости кровотока, оранжевые и желтые - средние, а зеленые - низкие. На рис. 1 представлены данные кровотока в бифуркации ОСА и устья ВСА при продольном сканировании.

При режиме V flow векторное картирование было направлено на оценку скорости и направления кровотока. У здоровых волонтеров мы обратили внимание на то, что в различные периоды сердечного цикла наиболее значимыми в оценке были характеристики потока. Максимальное значение WSS в период сердечного цикла повторяло форму бляшки с увеличением во время подъема, достигая максимального значения в 1,6 Па на вершине бляшки, и уменьшалось после прохождения стеноза (рис. 2).

В период сердечного цикла цвет векторов изменяется с желтого на красный в зависимости от скорости кровотока. Средние значения WSS и OSI исследовали в 3 точках артерии с расчетом напряжения.

Отмечено, что как поперечный, так продольный WSS кровотока показали достаточно высокую информативность в оценке операции, даже при появлении сложного кровотока в виде турбулентности.

Выполнен анализ корреляционной зависимости между скоростью кровотока (Vs) в систолу, толщиной стенки, вихревыми потоками в артерии, напряжением сдвига стенки и направления векторов потока (табл. 2).

У практически здоровых людей не наблюдалось корреляционной зависимости между вихревым потоком и напряжением сдвига стенки (r=-0,277). При стенозе ВСА как до операции, так и после эндартерэктомии прослеживалась связь между этими показателями (r=-0,5137; 0,7377). Принимая во внимание такое взаимоотношение кровотока с напряжением сдвига стенки, появилась возможность оценки не только структурных, но и гемодинамических нарушений в артериальной системе, и в частности при динамическом наблюдении за пациентами в послеоперационном периоде.

Полученные результаты по скоростям движения при средних и высоких скоростях деформации WSS и OSI могут стать одними из показателей для оценки патологии с выявлением участков с наиболее проблемными участками стенозов артерий.

Обсуждение

В настоящее время УЗ-методы исследования сосудистой стенки с высоким разрешением являются наиболее востребованными и эффективными методами визуализации для характеристики патологии СА. Эти методы играют важную роль в ранней диагностике и проведении агрессивного лечения для снижения риска мозговых осложнений [5]. С помощью ультразвука мы исследовали векторы сдвига стенки ВСА в 3 точках у пациентов со стенозом и визуализацией просвета сосуда в области стеноза. Рассчитывали напряжение стенки и скорости векторов потока до и после бляшки. Это позволило более подробно оценить напряжение сдвига стенки посредством сопоставления проекции сосуда с процентом стеноза. Измерение кровотока признается простым, быстрым и выполнимым методом при оценке качества операции и диагностики рестеноза в ближайшем и отдаленном периодах [6, 7].

В последние годы достигнут значительный прогресс в визуализации изображений сосудистого русла, и в частности оценки турбулентности потоков, основанных на векторном анализе. В литературе обсуждаются новые подходы для оценки развития атеросклероза на основании изучения напряжения сдвига стенки (WSS) и индекса колебания (OSI) у пациентов с патологией артериального русла [8, 9].

Были проанализированы напряжения сдвига стенки, индекс колебательного сдвига (OSI) до и после операции в сравнении с нормой (рис. 4, 5). Чтобы обнаружить отрицательные напряжения сдвига, соответствующие обратному потоку, мы выполняли оценку сдвига на основе ориентации кровотока с привязкой к фазам сердечного цикла.

Таким образом, анализ степени напряжения сосудистой стенки на определенном расстоянии направлен на оценку стенотического процесса. Так, если в норме WSS в максимальном своем значении составляет более 3,5 Пa, то при стенозе более 70-80% не превышает 0,9 Пa. После эндартерэктомии напряжение стенки приближается к нормальным значениям, увеличиваясь практически в 3 раза и приближаясь к ≥3 Па.

Полученные результаты отражают локальное напряжение сосудистой стенки, что дает дополнительную информацию для оценки зон патологии, а после операции - возможность оценить результаты хирургической коррекции.

Коэффициент достоверности наблюдений у пациентов до и после операции составил 0,84. Показателем дефектов стенки сосуда является напряжение, оказываемое кровью на ткани сосуда, обычно выражаемое амплитудой вектора напряжения сдвига стенки (WSS) и его колебательным индексом сдвига. Так, напряжение стенки ВСА после эндартерэктомии практически приближается к нормальным значениям, а индекс колебания уменьшается на 44%. Индекс колебания практически ни у одного пациента не вернулся к нормальным значениям. Это связано только с одним - толщина стенки артерии, где не выполнялась эндартерэктомия, не изменяется.

Заключение

Регистрация напряжения сдвига стенки с помощью векторного картирования внутрисосудистых потоков крови у пациентов с цереброваскулярными заболеваниями направлена на оценку патологии и результатов хирургического лечения. Максимальные и средние значения напряжения сдвига стенки и изменение направления векторов потока при стенозе ВСА как до, так и после операции не взаимосвязаны. На уровне бляшек напряжение сдвига стенки значительно выше по направлению кровотока, что характерно для турбулентности. Нормализация скоростей кровотока, снижение градиента скоростей, напряжения сдвига стенки после операции эндартерэктомии из ВСА свидетельствуют об успешности операции.

Литература

1. Покровский А.В. Клиническая ангиология. Руководство для врачей: в 2 томах. М.: Медицина. 2004; 799.

2. Peiffer V., Sherwin S.J., Weinberg P.D. Does low and oscillatory wall shear stress correlate spatially with early atherosclerosis? A systematic review. Cardiovascular Research. 2013; 99 (2): 242-250.

3. Goddi A., Bartolotto C., Fiorina I., et al. High-frame rate vector flow imaging of the carotid bifurcation. Insights into Imaging. 2017; 8: 319-328. DOI: https://doi.org/10.1007/s13244-017-0554-5

4. Du Y., Goddi A., Bortolotto C., et al. Wall shear stress measurements based on ultrasound vector flow imaging: theoretical studies and clinical examples. Journal of Ultrasound in Medicine. 2020; 39 (8): 1649-1664. DOI: https://doi.org/10.1002/jum.15253

5. Qiu Y., Yang D., Zhang Q., et al. V Flow technology in measurement of wall shear stress of common carotid arteries in healthy adults: feasibility and normal values. Clinical Hemorheology and Microcirculation. 2020; 74 (4): 453-462. DOI: https://doi.org/10.3233/CH-190719

6. Покровский А.В., Дaн В.Н., Белоярцев Д.Ф. Рестенозы сонных артерий в отдаленные сроки после каротидной эндартерэктомии. Материалы 8-го Всероссийского съезда сердечно-сосудистых хирургов. М. 2002; 126.

7. Гавриленко А.В., Куклин А.В., Фомин В.В. Классическая и эверсионная каротидная эндартерэктомия у пациентов со стенозом внутренней сонной артерии. Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. 2018; 2: 87-92. DOI: https://doi.org/10.17116/hirurgia2018287-92

8. Yiu B.Y., Lai S.S., Yu A.C. Vector projectile imaging: time-resolved dynamic visualization of complex flow patterns. Ultrasound in Medicine and Biology. 2014; 40 (9): 2295-2309. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio. 2014.03.014

9. Soulis J.V., Fytanidis D.K., Giannoglou G., Lampri O.P. Relative residence time and oscillatory shear index of non-Newtonian flow models in aorta. 10th Int. Work. Bioengineering vs. Biomedical Engineering. 2011; 1: 1-3.

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© ООО Издательская группа «ГЭОТАР-Медиа». Использование текстового и иллюстративного материала данного издания для обучения любых систем искусственного интеллекта, включая машинное обучение и нейросети, запрещено без письменного разрешения правообладателя.