STROKE №4 / 2010
Изучение траектории движения эмболов по крупным мозговым артериям с использованием физической модели
Предпосылки и цель исследования. Наблюдаемая локализация очагов инфарктов головного мозга заметно отличается от ожидаемого результата, основанного на изучении объема кровотока или обнаружении эмболов с помощью допплеровского исследования. В своей работе мы использовали in vitro модель артерий мозга для изучения вопроса, мигрируют ли эмболические микросферы из Виллизиева круга пропорционально объему протекающей крови, или траектория движения эмболов зависит от морфологического строения артерий или размеров эмболов. Методы. Мы использовали силиконовую макромодель церебральных артерий, основанную на данных, полученных при исследовании сосудов реально существующих пациентов, в которой создали физиологически реалистичный пульсирующий поток жидкости, имитирующий кровоток со скоростью около 1000 мл/мин и давлением на входе примерно 150/70 мм рт. ст. Частицы диаметром 200, 500 и 1000 мкм с плотностью, эквивалентной плотности тромба, вводили в сонные артерии и подсчитывали их число в выходных отверстиях модели. Результаты. В среднюю мозговую артерию (СМА) модели поступило непропорционально большое число эмболов по сравнению с передней мозговой артерией (ПМА), 98±3% эмболов диаметром 1000 мкм и 93±2% эмболов диаметром 500 мкм поступило в СМА по сравнению с 82±5% объема общего кровотока. Наблюдаемое распределение крупных эмболов соответствовало соотношению инфарктов в бассейнах СМА/ПМА, при этом около 95% инфарктов наблюдали в бассейнах СМА. При уменьшении размеров эмболов их распределение соответствовало объему кровотока (примерно 89% эмболов диаметром 200 мкм поступило в СМА). Выводы. Траектория движения эмболов по артериям головного мозга зависит от их размера, крупные эмболы поступают преимущественно в СМА. Наблюдаемое при проведении ультразвуковой допплерографии соотношение эмболов в СМА/ПМА как 70:30 соответствует траектории движения эмболов малого диаметра, эмболия которыми, как правило, является бессимптомной.
Эпидемиологические данные [1, 2], патологоанатомические исследования [3, 4] и данные о траектории движения “баллонных эмболов” у пациентов, подвергшихся церебральной ангиографии [5], дают основания предполагать, что эмболы из общей сонной артерии (ОСА) более чем в 20 раз чаще попадают в бассейн средней мозговой артерии (СМА), чем передней мозговой артерии (ПМА). Тем не менее по результатам проведенной транскраниальной ультразвуковой допплерографии перехода СМА-ПМА, C.A.C. Wijman и соавт. обнаружили, что эмболы лишь в 2–3 раза чаще поступают в СМА [6] и предположили, что объем эмболии прямо пропорционален объему кровотока. C.A.C. Wijman и соавт. пришли к выводу, что “церебральная эмболия вряд ли является единственной причиной инфарктов в бассейнах ПМА и СМА”. В настоящем исследовании мы проясняем взаимосвязь между кровотоком, топологическими характеристиками артерий и траекторией движения эмболов с помощью физиологически реалистичных 3D фантомов магистральных артерий головы. Мы надеемся, что более глубокое понимание взаимосвязи между топологией артерий, показателями кровотока и траекторией движения эмболов поможет в разработке индивидуального компьютерного моделирования для мониторинга пациентов с высоким риском развития инсульта [7]. Хотя ранее уже были разработаны модели Виллизиева круга для исследования кровотока [8–11], мы впервые использовали 3D модель артерий головного мозга in vitro для изучения движения эмболов.
Материалы и методы
Анатомия модели
Физическая модель мозговых артерий была приобретена в компании, специализирующейся на изготовлении моделей сосудов (Elastrat, Женева, Швейцария). Подробная информация о сборе данных, последующей их обработке и изготовлении модели компанией Elastrat описана S.G. Wetzel и соавт. [12]. Окончательная физическая модель состояла из левой и правой позвоночных артерий и входных отверстий ОСА с парами выходных отверстий наружной сонной артерии (НСА), задней мозговой артерии, СМА и ПМА. Фантом был изготовлен из силиконового эластомера с толщиной стенки около 1 мм, коэффициентом затухания ультразвуковых колебаний – 3,5 дБ 1 см-1 МГц-1, скоростью звука – 1020 мс-1 и модулем упругости Янга – около 1,3 MПa [13]. Внутренний диаметр каждого сосуда определили при УЗ-сканировании в В-режиме с помощью установки кронциркуля с погрешностью ≤0,5 мм. Сравнение диаметров сосудов модели со средними их значениями in vivo представлено в таблице.
Использование модели
Подачу жидкости на входе осуществляли с помощью пары программируемых шестеренных насосов (Micropump Model 120-000-1100) и создавали
пульсирующую волну, как показано на рис. 1Г (см. цв. вклейку). Контур замкнули с помощью C-образной трубки (Cole Parmer) и заполнили 40% (по весу) раствором глицерина в воде (1099 кг/м3, μ=3,7 мПа.с при температуре 20°C). Этот водно-глицериновый раствор обладает аналогичными крови человека плотностью (ρ) и вязкостью (μ) (1053 кг/м3, 3 мПа.с соответственно). Для проведения ультразвуковой допплерографии эту жидкость заменили жидкостью с проверенными свойствами, содержащей частицы Оргазола для имитации свойств акустического рассеяния крови (жидкость, имитирующая кровь: 1037 кг/м3, 4,1 мПа.с) [14]. Настройки насосов скорректировали для достижения общей скорости кровотока через модель приблизительно 1000 мл/мин. Сопротивление регулировали методом коррекции длины и диаметра C-образных трубок на входных и выходных отверстиях модели, чтобы скорость потока была аналогична таковой в работе P. Scheel и соавт. [15] соответственно 328Ѓ}111 мл/мин для НСА (310 мл/мин в модели), 499Ѓ}108 мл/мин для ВСА (517 мл/мин в модели) и 158Ѓ}48 для позвоночны хартерий (188 мл/мин в модели). На рис. 2 приведена 2D схема длины и диаметра сосудов 3D фантома. Форму волны давления во входных отверстиях модели регистрировали при помощи катетера, оборудованного калиброванным твердотельным датчиком сопротивления (Gaeltec) и финометром (Finapress Medical Systems, BV). Пульсирующий кровоток с частотой пульсаций один “сердечный цикл” в секунду создавал давление 150/70 мм рт. ст.
Скорость кровотока измеряли по сбросу жидкости из выходных отверстий модели за определенный период времени (см. таблицу). При помощи инъекции красителей и ульт...
