Моделирование гемодинамических изменений в артериях и артериальных аневризмах головного мозга при сосудистом спазме

Цель: изучить изменение потоков крови и основных параметров гемодинамики путем математического моделирования движения крови по артериям головного мозга и в интракраниальной аневризме при сохранении постоянного просвета сосуда и на фоне различных вариантов ангиоспазма. Материалы и методы: в работе использована методика компьютерного моделирования для определения изменений параметров гемодинамики аневризм, возникающих вследствие спазма приводящих артерий, на примере модели артериальной аневризмы, построенной с помощью компьютерного проектирования, а также на примерах 2 моделей аневризм базилярной и передней соединительной артерии, построенных на основе данных компьютерно-томографической ангиографии. В ходе исследования изучали влияние измененных скоростей и форм профилей потоков крови на напряжение пристеночного сдвига, особенно при изменениях потока, вызванных различными возможными вариантами спазма приводящих сосудов. Результаты: анализ гемодинамических характеристик моделей аневризм при разных видах спазма показал, что в случае сужения просвета приводящего сосуда скорость потока крови значительно увеличивается как в спазмированном участке, так и в самой аневризме, профиль потока существенно изменяется, особенно при наличии последовательных участков спазма приводящего сосуда либо в случае локализации аневризмы в месте соединения нескольких сосудов. В области места попадания ударной волны крови в аневризме возрастает напряжение пристеночного сдвига, что повышает риск повторного разрыва аневризмы. Заключение: математическое моделирование дает возможность количественно оценить, понять и визуально представить процессы, происходящие при прохождении крови по сосудам и в аневризме, а также изменения, возникающие на фоне ангиоспазма. Построение математических моделей изменений гемодинамики при ангиоспазме позволит понять и предвидеть характер осложнений, которые возможны в остром периоде кровоизлияния (например, повторный разрыв аневризмы), что имеет большое значение при определении хирургической тактики.

ангиоспазм, аневризма, математическое моделирование, церебральная гемодинамика, cerebral angiospasm, cerebral aneurysm, mathematical modeling, cerebral hemodynamics

1. Гаврилов А.В., Архипов И.В., Куликов И.В., Парусников А.В., Ятченко А.М. 3D цифровой пациент. Математическое моделирование аневризм сосудов головного мозга.// Образовательный цикл “Сосудистая нейрохирургия”. Федеральный центр нейрохирургии. - Тюмень. - 2013. - C. 23-25

2. Григорьева Е.В., Годков И.М., Полунина Н.А., Крылов В.В. Особенности гемодинамики интракраниальных аневризм. // Нейрохирургия. - 2013. - N. 3. - С. 15-17

3. Крылов В.В., Годков И.М. Хирургия аневризм головного мозга. Под ред. В.В. Крылова. // М.: Новое время, 2011. - Том 1. - С. 23-35

4. Крылов В.В., Годков И.М. Гемодинамические факторы образования, роста и разрыва аневризм головного мозга. // Неврологический журнал. - 2011. - N 1. - С. 4-9

5. Крылов В.В., Гусев С.А., Титова Г.П., Гусев А.С. Сосудистый спазм при субарахноидальном кровоизлиянии. Клинический атлас. // М.: Макцентр, 2000. 191 С.

6. Лебедев В.В., Крылов В.В., Шелковский В.Н. Клиника, диагностика и лечение внутричепеных артериальных аневризм в остром периоде кровоизлияния. // М.: Антидор, 1996. - 217 С.

7. Чупахин А.П., Черевко А.А., с соавт. Измерения и анализ локальной церебральной гемодинамики у больных с сосудистыми мальформациями головного мозга. // Патология кровообращения и кардиохирургия. - 2012. - № 4. - С. 27-31.

8. Шарабчиев Ю.Т., Дудина Т.В. Показатели здоровья в цифрах и фактах. Справочник. // Минск, «Книжный дом», 2004. 315 С.

9. Adams H.P., Kassell N.F., Torner J.C., Haley E.C. Predicting cerebral ischemia after aneurysmal subarachnoid hemorrhage: influences of clinical condition, CT results, and antifibrinolytic therapy. A report of the Cooperative Aneurysm Study. // Neurology. - 1987. - Vol. 37. - Р. 1586-1591

10. Bazilevs Y., Hsu M.C., Zhang Y., Wang W., Kvamsdal T., Hentschel S., Isaksen J.G. Computational vascular fluid-structure interaction: methodology and application to cerebral aneurysms. // Biomech, Model. Mechanobiol. - 2010. - Vol. 9:4. - Р. 481-98

11. Cebral J.R., Hendrickson S., Putman C.M.: Hemodynamics in a lethal basilar artery aneurysm just before its rupture. // Am. J. Neuroradiology. - 2009. - Vol. 30. - Р. 95-98

12. Cebral J.R., Castro M.A., Burgess J.E., Pergolizzi R., Putman C.M. Characterization of Cerebral Aneurysm for Assessing Risk of Rupture Using Patient-Specific Computational Hemodynamics Models // Am. J. Neurorad. - 2005. - Vol. 26. - Р. 2550-2559.

13. Duangkamol Poltem: A Review: Hemodynamics of Cerebral Aneurysm with Mathematical Modeling. // International Mathematical Forum. - 2012. - Vol. 7: 54. - Р. 2687- 2693.

14. Drebin R.A., Carpenter L., Hanrahan P. Volume rendering. SIGGRAPH‘88 // Proceedings of the 15th annual conference on Computer graphics and interactive techniques. - 1988. - Р. 65-74

15. Eklunda A., Dufortb P., Forsbergc D., LaConte S.M. Medical image processing on the GPU - Past, present and future. // Medical Image Analysis. - 2013. - Vol. 17: 8. - Р. 1073- 1094

16. Falkovich G. Fluid Mechanics. // Cambridge University Press. - 2011. - 180 P.

17. Hassan T., Ezura M., Timofeev E.V., Tominaga T., Saito T., Takahashi A., Takayama K., Yoshimoto T. Computational Simulation of Therapeutic Parent Artery Occlusion to Treat Giant Vertebrobasilar Aneurysm. // Am. J. Neurorad. - 2004. - Vol. 25:1. - Р. 63-68

18. Hoskins P.R., Hardman D.: Three-dimensional imaging and computational modeling for estimation of wall stresses in arteries. // Br. J. Radiol. - 2009. - Vol. 82. - Р. 3-17

19. Heng Y., Gu L. GPU-based Volume Rendering for Medical Image Visualization. // 27th Annual International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society. - 2006. - Р. 5145-5148

20. Jou L.D., Quick C.M., Young W.L., Lawton M.T., Higashida R., Martin A., Saloner D. Computational Approach to Quantifying Hemodynamic Forces in Giant Cerebral Aneurysms. // Am. J. Neuroradiology. - 2003. - Vol. 24:9. - Р. 1804-1810

21. Kassell N.F., Torner J.C., Haley E.C. Jr., Jane J.A., Adams H.P., Kongable G.L. The International Cooperative Study on the Timing of Aneurysm Surgery. Part 1: Overall management results. // J Neurosurg. - 1990. - Vol. 73. - Р. 18-36

22. Kassell N.F., Torner J.C., Jane J.A., Haley E.C. Jr., Adams H.P.: The International Cooperative Study on the Timing of Aneurysm Surgery. Part 2: Surgical results. // J Neurosurg. - 1990. - Vol. 73. - Р. 37-47

23. Kassell N.F., Haley J.C., Apperson-Hansen C.: Randomized, double-blind, vehicle-controlled trial of tirilazedmesylate patients with aneurysm subarachnoid hemorrhage: a cooperative study in Europe, Australia and New Zeland. // J. Neurosurg. - 1996. - Vol. 84:2. - Р. 221-228

24. Lorensen W.E., Cline H.E. Marching cubes: A high resolution 3D surface construction algorithm. ACM SIGGRAPH // Computer Graphics. - 1987. - Vol. 21:4. - Р. 163-169

25. Oshima M., Torii R., Kobayashi T., Taniguchi N., Takagi K. Finite element simulation of blood flow in the cerebral artery. // Comp. Meth. Appl. Mech. Eng. - 2001. - Vol. 191 - Р. 6-7

26. Papaioannou T.G., Stefanadis C. Vascular Wall Shear Stress: Basic Principles and Methods. // Hellenic J Cardiol. - 2005. - Vol. 46. - Р. 9-15

27. Pöthkow K., Weber B., Hege H. Probabilistic Marching Cubes. // Computer Graphics Forum. - 2011. - Vol. 30:3. - Р. 931-940

28. Reynolds O. An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and of the law of resistance in parallel channels. // Philosophical Transactions of the Royal Society. - 1883. - Vol. 174. - Р. 935-982

29. Russell J.H., Kelson N., Barry M., Pearcy M., Fletcher D.F., Winter C.D. FRACS. Computational Fluid Dynamic Analysis of Intracranial Aneurysmal Bleb Formation // Neurosurgery. - 2013. - Р. 187-193

30. Sforza D.M., Putman C.M., Cebral J.R. Haemodynamics of Cerebral Aneurysm. // Annu Rev Fluid Mech. - 2009. - January 1. - Vol. 41. - Р. 91-107

31. Shekhar R., Fayyad E., Yagel R., Cornhill J.F. Octree-based decimation of marching cubes surfaces. // Visualization ‘96, Proceedings. - 1996. - Р. 335-342.

32. Solenski N.J., Haley E.C. Jr., Kassell N.F., Kongable G., Germanson T., Truskowski L., Torner J.C. Medical complications of aneurismal subarachnoid hemorrhage: a report of the multicenter, cooperative aneurysm study. Participants of the Multicenter Cooperative Aneurysm Study. // Crit Care Med. - 1995. - Vol. 23. - Р. 1007-1017.

33. Szafranskik K. Complex Analysis of Rupture Risk of Intracranial Saccular Aneurysms upon Hemodynamic and Geometric Parameters. // Biocybernetics and Biomedical Engineering. - 2009. - Vol. 29: 1. - Р. 43-59.

34. Torii R., Oshima M., Kobayashi T., Takagi K., Tezduyar T. Fluid-structure interaction modeling of blood flow and cerebral aneurysm: Significance of artery and aneurysm shapes. // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. - 2009. - Vol. 198: 45-46. - Р. 3613-3621.

35. Xu Bai-Nan, Wang Fu-Yu, Liu Lei, Zhang Xiao-Jun, Ju Hai-Yue. Hemodynamics model of fluid-solid interaction in internal carotid artery aneurysms. // Neurosurg. Rev. - 2011. - Vol. 34:1. - Р. 39-43.

36. Xiang J., Natarajan S., Tremmel M., Ma D., Mocco J., Hopkins L., Siddiqui A., Levy E., Hui Meng. Hemodynamic- Morphologic Discriminants for Intracranial Aneurysm Rupture. // Stroke. - 2011. - Vol. 42. - P. 144-152.

37. Watton P.N., Ventikos Y., Holzapfel G.A. Modelling Cerebral Aneurysm Evolution. // Stud Mechanobiol Tissue Eng Biomater. - 2011. - Vol. 7. - Р. 373-399.