Сердечные митральные клапаны

Инженеры Техасского университета в Остине разработали новую неинвазивную технику для симуляции восстановления митрального клапана сердца с уровнями точности, достаточно надежными для использования в клинических условиях. Заболевание митрального клапана (МК) является одним из наиболее распространенных заболеваний сердца, связанных с клапанами, и впервые диагностируется у 5 миллионов американцев каждый год. Оставленная без контроля, больные митральные клапаны могут привести к сердечной недостаточности и/или инсульту. Этот прогресс в технологии компьютерного моделирования позволяет хирургам предоставлять специфичные для пациента методы лечения, что улучшит долгосрочную эффективность современных медицинских подходов.

Возглавляемая Майклом Саксом, профессором Department of Biomedical Engineering in the Cockrell School of Engineering  (кафедры биомедицинской инженерии в Школе инженерии Кокрелла), команда описала свою методику компьютерного моделирования для визуализации МК – клапанов, расположенных на основании клапана, которые открываются и закрываются для регулирования кровотока от левого предсердия до левого желудочка сердца – рассказывается в недавних выпусках Международного журнала по численным методам в биомедицинской инженерии и Анналах биомедицинской инженерии (International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering and the Annals of Biomedical Engineering).

Предоперационная вычислительная модель митрального клапана сердца. Новая технология визуализации настолько точна, что ее можно использовать в клинических условиях для создания моделей для конкретного пациента, поэтому хирурги могут адаптировать лечение заболеваний митрального клапана в каждом конкретном случае. Фото: Cockrell School of Engineering, The University of Texas at Austin

Митральные клапаны играют решающую роль в поддержании здорового кровотока в сердце, но их нормальная функция может быть нарушена несколькими способами. Например, сердечные приступы могут нарушить способность створок МК правильно закрываться, что приводит к утечке крови обратно в левое предсердие сердца. Таким образом, важность здоровой функции МК широко понимается в медицинском сообществе, но нет единого мнения о том, как лучше лечить распространенные расстройства МК, такие как регургитация, пролапс и стеноз митрального клапана.

До сих пор хирургам не хватало возможности точного моделирования для прогнозирования наилучших хирургических методов восстановления функции МК.

«Сердечные клапаны очень трудно изучать. Они представляют собой сложные структуры, которые движутся невероятно быстро и расположены внутри сердца, что делает их чрезвычайно сложными для отображения», – говорит директор James T. Willerson Center for Cardiovascular Modeling and Simulation in the university’s Institute for Computational Engineering and Sciences (Центра моделирования сердечно-сосудистых заболеваний им. Джеймса Т. Виллерсона и моделирования в Институте вычислительной техники и наук университета) г-н Сакс. «Наша новая вычислительная модель предоставляет хирургам инструмент для прогнозирования послеоперационных результатов только на основании клинически полученных предоперационных данных».

Г-н Сакс провел большую часть своей академической карьеры, анализируя и моделируя функцию сердечного клапана. Последние достижения в области вычислительной техники и технологий 3D-визуализации позволили г-ну Сакс и его команде неинвазивно и точно получить геометрию МК in vivo (вживую) у пациентов из трехмерной эхокардиографии в реальном времени – клинической техники, использующей звук волны для мониторинга работы сердца.

Вычислительная модель команды UT была разработана в сотрудничестве с исследователями из Penn Medicine и Georgia Tech.

«Наши модели объединили полную трехмерную геометрию митрального клапана в открытом и закрытом состояниях, что сделало возможным беспрецедентный уровень точности прогнозирования», – сказал г-н Сакс. «Чтобы смоделировать изображение МК, мы интегрировали в модели МК структуру и механические свойства внутренних компонентов, таких как коллагеновые волокна, которые составляют большую часть клапана, для разработки полнофункциональных моделей МК».

Несколько исследований показали существенные недостатки в долгосрочном успехе современных хирургических подходов к лечению распространенных заболеваний клапанов сердца. До 60 процентов пациентов, перенесших операцию по регургитации МК, сообщают о рецидиве через два года после операции.

«Кардиохирурги должны выбирать наилучшее возможное лечение для восстановления сердечного клапана, не зная всех фактов», – объясняет доктор Роберт Горман, профессор хирургии в Медицинской школе Перельмана в Университете Пенсильвании и ключевой сотрудник исследования. «Большинство полагается на собственный опыт или на то, как их учили выполнять операции на клапанах в медицинской школе».

С новой методикой прогнозирования исследований хирургам не нужно будет использовать предыдущий универсальный подход, восстанавливая митральные клапаны.

«Инструмент компьютерного моделирования, который мы разработали, устранит большую часть неопределенности и позволит учесть специфику пациента», – сказал Горман. «Это преобразует работу практикующих хирургов».

Следующим шагом для г-на Сакса и его исследовательской группы является коммерциализация их техники.

«Как только кардиохирурги получат доступ к этому инструменту в клинических условиях, мы ожидаем значительного улучшения долгосрочного состояния пациентов, перенесших операцию на митральном клапане», – сказал он.

Исследование финансировалось Национальными Институтами Здоровья.

Amir H. Khalighi, Bruno V. Rego, Andrew Drach, Robert C. Gorman, Joseph H. Gorman, Michael S. Sacks. 

Development of a Functionally Equivalent Model of the Mitral Valve Chordae Tendineae Through Topology Optimization. 

Annals of Biomedical Engineering, 2018; 47 (1): 60 DOI: 10.1007/s10439-018-02122-y