Помощь студентам в учебе
Моделирования коронарных артерий у пациентов с ишемической болезнью сердца
|
Реферат
Перечень условных обозначений, символов, сокращений, терминов 3
Введение 4
1 Обзор литературы 7
1.1 Ишемическая болезнь сердца 7
1.2 Неинвазивные методы, применяемые для диагностики ИБС 10
1.3 Методы инвазивного измерения ИБС 18
1.3.1. Фракционный резерв кровотока 19
1.4 Неинвазивное определение FFR на основе КТКАГ 20
2 Современные математические модели и подходы математического моделирования
кровотока 22
2.1 Существующие математические модели 22
2.2 Обоснование метода локальной гемодинамики 24
2.3 Метод расчета коронарного кровотока 26
2.3.1 Стандарт хранения и передачи медицинских данных - DICOM 26
2.3.2 Реконструкция 3И-изображений сердечно-сосудистой системы по МСКТ-
снимкам с использованием программного пакета 3D Slicer 28
2.3.3 Подготовка 3D-геометрии коронарных артерий с помощью программного
обеспечения Blender 32
2.3.4 Математический пакет Comsol Multiphysics ® 34
3 Численный эксперимент 36
Заключение 45
Список использованных источников и литературы 4
Перечень условных обозначений, символов, сокращений, терминов 3
Введение 4
1 Обзор литературы 7
1.1 Ишемическая болезнь сердца 7
1.2 Неинвазивные методы, применяемые для диагностики ИБС 10
1.3 Методы инвазивного измерения ИБС 18
1.3.1. Фракционный резерв кровотока 19
1.4 Неинвазивное определение FFR на основе КТКАГ 20
2 Современные математические модели и подходы математического моделирования
кровотока 22
2.1 Существующие математические модели 22
2.2 Обоснование метода локальной гемодинамики 24
2.3 Метод расчета коронарного кровотока 26
2.3.1 Стандарт хранения и передачи медицинских данных - DICOM 26
2.3.2 Реконструкция 3И-изображений сердечно-сосудистой системы по МСКТ-
снимкам с использованием программного пакета 3D Slicer 28
2.3.3 Подготовка 3D-геометрии коронарных артерий с помощью программного
обеспечения Blender 32
2.3.4 Математический пакет Comsol Multiphysics ® 34
3 Численный эксперимент 36
Заключение 45
Список использованных источников и литературы 4
Ишемическая болезнь сердца (ИБС) занимает лидирующее место по смертности в структуре всей кардиологической патологии [1]. Стенозирующий атеросклероз коронарных артерий (КА) является одной из причин ИБС и ограничивает кровоток к сердечной мышце, в следствие чего снижается приток крови, доставка кислорода и питательных веществ к миокарду. Дисбаланс между потребностью и доставкой приводит к нарушению перфузии миокарда и развитию метаболических нарушений, постепенно переходящих в функциональные, которые проявляются сначала диастолической, а затем и систолической дисфункцией. Все это, в свою очередь, может привести к серьезным последствиям, в частности к острому инфаркту миокарда и сердечной недостаточности. Таким образом, стенозирующий атеросклероз значительно изменяет гемодинамику кровотока на стенозированных участках коронарных артерий и негативно сказывается на реологических характеристиках крови. Актуальные рекомендации предлагают использование неинвазивной компьютерно-томографической коронарной ангиографии (КТКАГ) как теста первой линии у пациентов с низкой предтестовой вероятностью ИБС [ 4].
В случае промежуточного стеноза, при котором уменьшение артериального просвета находится в диапазоне от 40 до 70%, определяется фракционный резерв кровотока (Fractional Flow Reserve, FFR), данный показатель в норме равен 1 и позволяет оценить физиологическую значимость стеноза коронарной артерии. При FFR <0.8 стеноз указывает на ишемию, при лечении применяют инвазивные методы: стентирование или аорто- коронарное шунтирование [2]. Метод определения FFR демонстрирует высокую информативность и точность, а также позволяет идентифицировать гемодинамически значимые стенозы [3, 4].
Определение фракционного резерва кровотока по данным КТКАГ является современным методом оценки ишемии миокарда [3]. Однако в клинической практике данный метод используется недостаточно широко в связи с высокой стоимостью и тем фактом, что-анализ КТКАГ проводит только фирма HeartFlow Inc (США) [5].
В связи с этим разработка альтернативных решений для оценки FFR, которые пригодны для широкого использования в целях своевременного выявления значимых стенозов коронарных артерий по данным КТКАГ, является актуальной задачей.
В свою очередь, математическое моделирование коронарного кровотока на основе доступных экспериментальных данных позволяет обеспечить детальную информацию о состоянии сосудов. Так с 2010 г. активно развивается разработка технологии определения FFR на основе модели коронарного дерева, полученной при выполнении неинвазивной 4
КТКАГ. Данная технология основывается на методе вычислительного анализа гидродинамики (Computational Fluid Dynamics Analysis (CFD)), который позволяет моделировать физиологические процессы, с учетом пространственных характеристик объекта. В случае КА данный алгоритм позволяет установить значение фракционного резерва в каждой пространственной точке коронарного дерева.
Стоит отметить, что численное моделирование коронарного кровотока даже в нормальных физиологических условиях является затруднительной задачей ввиду сложной анатомии коронарных сосудов, гибкости артериальной стенки, пульсирующего потока, переменного сосудистого сопротивления и неньютоновских свойств крови. В общем случае гемодинамические процессы описываются трехмерными нестационарными уравнениями Навье-Стокса совместно с уравнениями динамики эластичных оболочек сосудов с учетом пространственной геометрии сосудов, физических свойств крови и вариаций сердечной нагрузки.
В настоящее время для экспресс-диагностики гемодинамических нарушений получили развитие упрощенные физико-математические модели, основанные на доступных экспериментальных данных, адекватные физическим процессам и позволяющие обеспечить их подробную детализацию, и допустимую точность. Актуальность такого рода моделей особенно проявляется в пограничных клинических ситуациях развития атеросклероза коронарных сосудов, когда необходимо принять решение об оперативном вмешательстве.
В связи с высокой актуальностью и необходимостью инновационных решений в данной области моделирование кровотока на стенозированном участке коронарного сосуда является эффективным методом неинвазивной экспресс-диагностики.
Цель работы: Оценка границ применимости метода локальной гемодинамики у пациентов с ишемической болезнью сердца с различной степенью сужения коронарных артерий.
Задачи:
1. Изучение морфологических и гемодинамических параметров коронарных сосудов сердца и системы коронарного кровообращения.
2. Овладение методом реконструкции SD-изображений сердечно-сосудистой системы по снимкам мультиспиральной компьютерной томографии (МСКТ) с использованием программных пакетов 3D Slicer, Blender и Comsol Multiphysics ®.
3. Расчет коронарного кровотока c учетом пространственной геометрии сосудов и вариации сердечной нагрузки для стенозированных участков коронарных артерий.
4. Проведение численных экспериментов по моделированию коронарного
кровотока в реальных клинических ситуациях, обработка полученных результатов.
В случае промежуточного стеноза, при котором уменьшение артериального просвета находится в диапазоне от 40 до 70%, определяется фракционный резерв кровотока (Fractional Flow Reserve, FFR), данный показатель в норме равен 1 и позволяет оценить физиологическую значимость стеноза коронарной артерии. При FFR <0.8 стеноз указывает на ишемию, при лечении применяют инвазивные методы: стентирование или аорто- коронарное шунтирование [2]. Метод определения FFR демонстрирует высокую информативность и точность, а также позволяет идентифицировать гемодинамически значимые стенозы [3, 4].
Определение фракционного резерва кровотока по данным КТКАГ является современным методом оценки ишемии миокарда [3]. Однако в клинической практике данный метод используется недостаточно широко в связи с высокой стоимостью и тем фактом, что-анализ КТКАГ проводит только фирма HeartFlow Inc (США) [5].
В связи с этим разработка альтернативных решений для оценки FFR, которые пригодны для широкого использования в целях своевременного выявления значимых стенозов коронарных артерий по данным КТКАГ, является актуальной задачей.
В свою очередь, математическое моделирование коронарного кровотока на основе доступных экспериментальных данных позволяет обеспечить детальную информацию о состоянии сосудов. Так с 2010 г. активно развивается разработка технологии определения FFR на основе модели коронарного дерева, полученной при выполнении неинвазивной 4
КТКАГ. Данная технология основывается на методе вычислительного анализа гидродинамики (Computational Fluid Dynamics Analysis (CFD)), который позволяет моделировать физиологические процессы, с учетом пространственных характеристик объекта. В случае КА данный алгоритм позволяет установить значение фракционного резерва в каждой пространственной точке коронарного дерева.
Стоит отметить, что численное моделирование коронарного кровотока даже в нормальных физиологических условиях является затруднительной задачей ввиду сложной анатомии коронарных сосудов, гибкости артериальной стенки, пульсирующего потока, переменного сосудистого сопротивления и неньютоновских свойств крови. В общем случае гемодинамические процессы описываются трехмерными нестационарными уравнениями Навье-Стокса совместно с уравнениями динамики эластичных оболочек сосудов с учетом пространственной геометрии сосудов, физических свойств крови и вариаций сердечной нагрузки.
В настоящее время для экспресс-диагностики гемодинамических нарушений получили развитие упрощенные физико-математические модели, основанные на доступных экспериментальных данных, адекватные физическим процессам и позволяющие обеспечить их подробную детализацию, и допустимую точность. Актуальность такого рода моделей особенно проявляется в пограничных клинических ситуациях развития атеросклероза коронарных сосудов, когда необходимо принять решение об оперативном вмешательстве.
В связи с высокой актуальностью и необходимостью инновационных решений в данной области моделирование кровотока на стенозированном участке коронарного сосуда является эффективным методом неинвазивной экспресс-диагностики.
Цель работы: Оценка границ применимости метода локальной гемодинамики у пациентов с ишемической болезнью сердца с различной степенью сужения коронарных артерий.
Задачи:
1. Изучение морфологических и гемодинамических параметров коронарных сосудов сердца и системы коронарного кровообращения.
2. Овладение методом реконструкции SD-изображений сердечно-сосудистой системы по снимкам мультиспиральной компьютерной томографии (МСКТ) с использованием программных пакетов 3D Slicer, Blender и Comsol Multiphysics ®.
3. Расчет коронарного кровотока c учетом пространственной геометрии сосудов и вариации сердечной нагрузки для стенозированных участков коронарных артерий.
4. Проведение численных экспериментов по моделированию коронарного
кровотока в реальных клинических ситуациях, обработка полученных результатов.
Поставленная цель проведенного исследования особенно актуальна в современных условиях, когда количество сердечно-сосудистых заболеваний неуклонно возрастает, причем продолжается рост заболеваемости людей всё более молодого возраста, что делает ССЗ важнейшей медико-социальной проблемой здравоохранения.
Анализ современной научно-технической литературы свидетельствует, что неинвазивная оценка FFR с применением математического моделирования, является, на сегодняшний день, эффективным методом неинвазивной экспресс-диагностики.
В ходе выполнения данного исследования была проделана следующая работа:
1. Изучены морфологические и гемодинамические параметры коронарных сосудов сердца и системы коронарного кровообращения.
2. Построены 3И-изображения сердечно-сосудистой системы по снимкам МСКТ, с использованием программного пакета 3D Slicer и были определены методы для сегментации, а также выявлен фактор, влияющий на качество 3 D-модели и ее чтение сторонними ПО, например, Comsol Multiphysics®.
3. Проведен расчет коронарного кровотока c учетом пространственной геометрии сосудов и вариации сердечной нагрузки для стенозированных участков коронарных артерий.
Численная модель гемодинамики невозможна без правильно построенной трёхмерной модели коронарных артерий. Основанная на правильной геометрии, численная модель, позволяет расширить представление о физиологии сердечно-сосудистых заболеваний и дает возможность создавать более реалистичные виртуальные макеты коронарных артерий на основании неинвазивного метода мультиспиральной компьютерной томографии.
Вычислительный эксперимент показал, что неинвазивная диагностика фракционного резерва кровотока является высокоинформативным методом и согласуется с результатами КТКАГ.
В заключении, важно отметить, что метод определения гемодинамической значимости стеноза артерии адекватный клиническим условиям позволит задавать определенные параметры персонально для каждого измерения. Это говорит о том, что возможно проводить персонифицированный мониторинг изменений гемодинамики не только на диагностическом этапе, но и после оперативного вмешательства. В целом, численное моделирование будет способствовать лучшему пониманию развития заболевания, его диагностики и лечения.
Анализ современной научно-технической литературы свидетельствует, что неинвазивная оценка FFR с применением математического моделирования, является, на сегодняшний день, эффективным методом неинвазивной экспресс-диагностики.
В ходе выполнения данного исследования была проделана следующая работа:
1. Изучены морфологические и гемодинамические параметры коронарных сосудов сердца и системы коронарного кровообращения.
2. Построены 3И-изображения сердечно-сосудистой системы по снимкам МСКТ, с использованием программного пакета 3D Slicer и были определены методы для сегментации, а также выявлен фактор, влияющий на качество 3 D-модели и ее чтение сторонними ПО, например, Comsol Multiphysics®.
3. Проведен расчет коронарного кровотока c учетом пространственной геометрии сосудов и вариации сердечной нагрузки для стенозированных участков коронарных артерий.
Численная модель гемодинамики невозможна без правильно построенной трёхмерной модели коронарных артерий. Основанная на правильной геометрии, численная модель, позволяет расширить представление о физиологии сердечно-сосудистых заболеваний и дает возможность создавать более реалистичные виртуальные макеты коронарных артерий на основании неинвазивного метода мультиспиральной компьютерной томографии.
Вычислительный эксперимент показал, что неинвазивная диагностика фракционного резерва кровотока является высокоинформативным методом и согласуется с результатами КТКАГ.
В заключении, важно отметить, что метод определения гемодинамической значимости стеноза артерии адекватный клиническим условиям позволит задавать определенные параметры персонально для каждого измерения. Это говорит о том, что возможно проводить персонифицированный мониторинг изменений гемодинамики не только на диагностическом этапе, но и после оперативного вмешательства. В целом, численное моделирование будет способствовать лучшему пониманию развития заболевания, его диагностики и лечения.
