Персонализированное 0d–3d-моделирование течения крови у новорожденных для прогнозирования рисков осложнений после оперативного лечения

Файл статьи: 
Иконка PDF health-risk-analysis-2022-4-15.pdf
УДК: 
532: [612.1+616.1]
DOI: 
10.21668/health.risk/2022.4.15
Авторы: 

А.Г. Кучумов1, М.Р. Камалтдинов2, А.Р. Хайрулин1, М.В. Кочергин1, М.И. Шмурак1

Организация: 

1Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29
2Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, Россия, 614045, г. Пермь, ул. Монастырская, 82

Аннотация: 

Аномалии развития сердечно-сосудистой системы являются распространенными врожденными пороками. Применение методов вычислительной гидродинамики и математического моделирования позволяет выполнять количественные прогнозные оценки гемодинамических характеристик в различных условиях.
Работа посвящена разработке сопряженной 0D–3D-модели течения крови у новорожденных для прогнозирования рисков осложнений после оперативного лечения. Основы построения 0D-модели системного кровотока заключаются в использовании аналогии между течением крови в сосудах и протеканием тока по электрической цепи. Участок аорты и легочной артерии с шунтом заменяется 3D-моделью с двусторонним взаимодействием «жидкость – твердое тело» (FSI). Участок сосуда с аортальным клапаном рассматривается в отдельной 3D-модели. Трехмерная геометрия создается на основе реальных снимков компьютерной томографии пациента. Алгоритм сопряжения моделей разного уровня основан на соблюдении условий равенства давлений и объемных расходов крови на границе взаимодействия.
Разработан алгоритм идентификации персональных параметров из результатов решения оптимизационной задачи. В результате численных экспериментов с различной индивидуальной геометрией аорты и клапана были проанализированы скорости течения крови, пристеночные напряжения, течения, деформации клапана. Наблюдаемые в результатах пристеночные напряжения могут рассматриваться как факторы риска возникновения кальцификации на створках клапана и других заболеваний клапана.
В результате численного решения в 3D-системе «аорта – шунт – легочная артерия» были получены пространственные распределения скоростей, давлений, пристеночных напряжений и других важных с точки зрения развития патологий характеристик. Разработанные подходы, в первую очередь, могут быть полезны для принятия решений в хирургической практике для прогнозирования риска послеоперационных осложнений. В дальнейшем планируется учет в модели процессов сатурации и кислородного обмена для оценки адекватности снабжения легких кислородом.

Ключевые слова: 
0D–3D-модель кровотока, алгоритм сопряжения, идентификация параметров, пациент-ориентированный, аорта, клапан сердца, новорожденный, шунт, риск послеоперационных осложнений
Персонализированное 0D–3D-моделирование течения крови у новорожденных для прогнозирования рисков осложнений после оперативного лечения / А.Г. Кучумов, М.Р. Камалтдинов, А.Р. Хайрулин, М.В. Кочергин, М.И. Шмурак // Анализ риска здоровью. – 2022. – № 4. – С. 159–167. DOI: 10.21668/health.risk/2022.4.15
Список литературы: 
  1. Occurrence risk for congenital heart defects in relatives of patients with aortic stenosis, pulmonary stenosis, or ventricular septal defect / D.J. Driscoll, V.V. Michels, W.M. Gersony, C.J. Hayes, J.F. Keane, L. Kidd, D.R. Pieroni, L.J. Rings, [et al.] // Circulation. – 1993. – Vol. 87, Suppl. 2. – P. I114–I120.
  2. Classic versus modified Blalock-Taussig shunts in neonates and infants / A.L. Moulton, J.I. Brenner, R. Ringel, A. Nordenberg, M.A. Berman, S. Ali, J. Burns // Circulation. – 1985. – Vol. 72, № 3, pt 2. – P. II35–II44.
  3. Modified Blalock-Taussig shunt. Use of subclavian artery orifice as flow regulator in prosthetic systemic-pulmonary artery shunts / M.R. de Leval, R. McKay, M. Jones, J. Stark, F.J. Macartney // J. Thorac. Cardiovasc. Surg. – 1981. – Vol. 81, № 1. – P. 112–119.
  4. Outcomes of systemic to pulmonary artery shunts in patients weighing less than 3 kg: analysis of shunt type, size, and surgical approach / J.W. Myers, N.S. Ghanayem, Y. Cao, P. Simpson, K. Trapp, M.E. Mitchell, J.S. Tweddell, R.K. Woods // J. Thorac. Cardiovasc. Surg. – 2014. – Vol. 147, № 2. – P. 672–677. DOI: 10.1016/j.jtcvs.2013.09.055
  5. Modified Blalock-Taussig shunt: immediate and short-term followup results in neonates / U. Ahmad, S.H. Fatimi, I. Naqvi, M. Atiq, S.S. Moizuddin, K.B. Sheikh, S. Shahbuddin, T.M. Naseem, M.A. Javed // Heart Lung Circ. – 2008. – Vol. 17, № 1. – P. 54–58. DOI: 10.1016/j.hlc.2007.06.003
  6. Modified Blalock Taussig shunt: a not-so-simple palliative procedure / V. Dirks, R. Prêtre, W. Knirsch, E.R. Valsangiacomo Buechel, B. Seifert, M. Schweiger, M. Hübler, H. Dave // Eur. J. Cardiothorac. Surg. – 2013. – Vol. 44, № 6. – P. 1096–1102. DOI: 10.1093/ejcts/ezt172
  7. Risk factors for acute shunt blockage in children after modified Blalock-Taussig shunt operations / M. Gedicke, G. Mor-gan, A. Parry, R. Martin, R. Tulloh // Heart Vessels. – 2010. – Vol. 25, № 5. – P. 405–409. DOI: 10.1007/s00380-009-1219-1
  8. Sun L., Chandra S., Sucosky P. Ex vivo evidence for the contribution of hemodynamic shear stress abnormalities to the early pathogenesis of calcific bicuspid aortic valve disease // PLoS One. – 2012. – Vol. 7, № 10. – P. e48843. DOI: 10.1371/journal.pone.0048843
  9. Ruiz J.L., Hutcheson J.D., Aikawa E. Cardiovascular calcification: current controversies and novel concepts // Cardio-vasc. Pathol. – 2015. – Vol. 24, № 4. – P. 207–212. DOI: 10.1016/j.carpath.2015.03.002
  10. Valvular heart disease: diagnosis and management / K. Maganti, V.H. Rigolin, M.E. Sarano, R.O. Bonow // Mayo Clin. Proc. – 2010. – Vol. 85, № 5. – P. 483–500. DOI: 10.4065/mcp.2009.0706
  11. Toward patient-specific simulations of cardiac valves: state-of-the-art and future directions / E. Votta, T.B. Le, M. Steva-nella, L. Fusini, E.G. Caiani, A. Redaelli, F. Sotiropoulos // J. Biomech. – 2013. – Vol. 46, № 2. – P. 217–228. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2012.10.026
  12. Patient-Specific Multi-Scale Model Analysis of Hemodynamics Following the Hybrid Norwood Procedure for Hypo-plastic Left Heart Syndrome: Effects of Reverse Blalock-Taussig Shunt Diameter / A. Ceballos, R. Prather, E. Divo, A.J. Kassab, W.M. DeCampli // Cardiovasc. Eng. Technol. – 2019. – Vol. 10, № 1. – P. 136–154. DOI: 10.1007/s13239-018-00396-w
  13. An integrated approach to patient-specific predictive modeling for single ventricle heart palliation / C. Corsini, C. Baker, E. Kung, S. Schievano, G. Arbia, A. Baretta, G. Biglino, F. Migliavacca [et al.] // Comput. Methods Biomech. Biomed. Engin. – 2014. – Vol. 17, № 14. – P. 1572–1589. DOI: 10.1080/10255842.2012.758254
  14. Application of multiscale coupling models in the numerical study of circulation system / Z. Chi, L. Beile, L. Deyu, F. Yubo // Medicine in Novel Technology and Devices. – 2022. – Vol. 14. – P. 100117. DOI: 10.1016/j.medntd.2022.100117
  15. Dobroserdova T., Olshanskii M., Simakov S. Multiscale coupling of compliant and rigid walls blood flow models // International journal for numerical methods in fluids. – 2016. – Vol. 82, № 12. – P. 799–817. DOI: 10.1002/fld.4241
  16. Multiscale Modeling Framework of Ventricular-Arterial Bi-directional Interactions in the Cardiopulmonary Circulation / S.M. Shavik, C. Tossas-Betancourt, C.A. Figueroa, S. Baek, L.C. Lee // Front. Physiol. – 2020. – Vol. 11. – P. 2. DOI: 10.3389/fphys.2020.00002
  17. A computationally efficient physiologically comprehensive 3D–0D closed-loop model of the heart and circulation / C.M. Augustin, M.A.F. Gsell, E. Karabelas, E. Willemen, F.W. Prinzen, J. Lumens, E.J. Vigmond, G. Plank // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. – 2021. – Vol. 386. – P. 114092. DOI: 10.1016/j.cma.2021.114092
  18. Subject-specific simulation for non-invasive assessment of aortic coarctation: Towards a translational approach / M. Mercuri, K. Wustmann, H. von Tengg-Kobligk, C. Göksu, D.R. Hose, A. Narracott // Med. Eng. Phys. ¬– 2020. – Vol. 77. – P. 69–79. DOI: 10.1016/j.medengphy.2019.12.003
  19. Fully-coupled fluid-structure interaction simulation of the aortic and mitral valves in a realistic 3D left ventricle model / W. Mao, A. Caballero, R. McKay, C. Primiano, W. Sun // PLoS One. – 2017. – Vol. 12, № 9. – P. e0184729. DOI: 10.1371/journal.pone.0184729
  20. 3D Fluid-Structure Interaction Simulation of Aortic Valves Using a Unified Continuum ALE FEM Model / J.H. Spühler, J. Jansson, N. Jansson, J. Hoffman // Front. Physiol. – 2018. – Vol. 9. – P. 363. DOI: 10.3389/fphys.2018.00363
  21. Fluid-structure interaction analysis of bioprosthetic heart valves: Significance of arterial wall deformation / M.C. Hsu, D. Kamensky, Y. Bazilevs, M.S. Sacks, T.J. Hughes // Comput. Mech. – 2014. – Vol. 54, № 4. – P. 1055–1071. DOI: 10.1007/s00466-014-1059-4
  22. Evaluation of an aortic valve prosthesis: Fluid-structure interaction or structural simulation? / G. Luraghi, W. Wu, F. De Gaetano, J.F. Rodriguez Matas, G.D. Moggridge, M. Serrani, J. Stasiak, M.L. Costantino, F. Migliavacca // J. Biomech. – 2017. – Vol. 58. – P. 45–51. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2017.04.004
  23. Камалтдинов М.Р., Кучумов А.Г. Применение математической модели системного кровообращения для опре-деления параметров кровотока после операции шунтирования у новорожденных // Российский журнал биомеханики. – 2021. – Т. 25, № 3. – С. 313–330. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2021.3.07
  24. Assessment of calcified aortic valve leaflet deformations and blood flow dynamics using fluid-structure interaction modeling / A. Amindari, L. Saltik, K. Kirkkopru, M. Yacoub, H.C. Yalcin // Inform. Med. Unlocked. – 2017. – Vol. 9. – P. 191–199. DOI: 10.1016/j.imu.2017.09.001
  25. Hemodynamic effects of the anastomoses in the modified Blalock–Taussig shunt: a numerical study using a 0D/3D coupling method / X. Zhao, Y. Liu, J. Ding, X. Ren, F. Bai, M. Zhang, L. Ma, W. Wang [et al.] // J. Mech. Med. Biol. – 2015. – Vol. 15, № 01. – P. 1550017. DOI: 10.1142/S0219519415500177
  26. Young D.F. Fluid mechanics of arterial stenosis // J. Biomech. Eng. – 1979. – Vol. 101, № 3. – P. 157–175. DOI: 10.1115/1.3426241
  27. Оценка эффективности установки модифицированного шунта Блэлок – Тауссиг у детей с врожденным пороком сердца / А.Г. Кучумов, А.Р. Хайрулин, А.Н. Биянов, А.А. Породиков, В.Б. Арутюнян, Ю.С. Синельников // Российский журнал биомеханики. – 2020. – Т. 24, № 1. – С. 76–96. DOI: 10.15593/RJBiomech/2020.1.08
  28. The Effects of the Mechanical Properties of Vascular Grafts and an Anisotropic Hyperelastic Aortic Model on Local Hemodynamics during Modified Blalock-Taussig Shunt Operation, Assessed Using FSI Simulation / A.G. Kuchumov, A. Khairulin, M. Shmurak, A. Porodikov, A. Merzlyakov // Materials (Basel). – 2022. – Vol. 15, № 8. – P. 2719. DOI: 10.3390/ma15082719
Получена: 
23.08.2022
Одобрена: 
03.10.2022
Принята к публикации: 
18.12.2022

Вы здесь

Главная