СПОСОБ ВЫБОРА ПОТОКОНАПРАВЛЯЮЩЕГО СТЕНТА
METHOD FOR FLOW-DIRECTING STENT SELECTION

Предлагаемое изобретение относится к области инструментов, приспособлений или вспомогательных принадлежностей для хирургии и диагностики и может быть использован в клинической практике для выбора потоконаправляющего стенда для эндоваскулярных операций по установке потоконаправляющих стентов.
Аневризма церебральной артерии является одним из наиболее распространенных заболеваний церебрального кровообращения. При лечении этого заболевания наибольшее применение нашли миниинвазивные методы, в частности стентирование. Подобная процедура позволяет нормализовать гемодинамику пораженной артерии и восстановить естественный ток крови. От правильности выбора потоконаправляющего стента зависит успешность лечения. Выбор необходимой конфигурации потоконаправляющего стента представляет собой нетривиальную задачу.
По патенту US 600/504, А61В 5/026, А61В 5/0037, А61В 5/02007, А61В 5/026, опубл. 14.03.2013 г. известен способ по формированию математической модели для оценки эффективности имплантации потоконаправляющего стента в кровеносные сосуды. В способе используется реконструкция сосуда пациента на основе обработки данных медицинских систем визуализации. На основе полученной геометрической модели сосуда пациента строится геометрическая модель сосуда после лечения, в которую виртуально имплантируется выбранный потоконаправляющий стент, что позволяет создать математическую модель для оценки эффективности потоконаправляющего стента. Техническим результатом предложенного способа является повышение точности выбора потоконаправляющего стента за счет оценки эффективности потоконаправляющего стента, основанной на предложенном авторами способе формирования математической модели, что приводит к значительному снижению риска разрыва церебральной аневризмы.
К недостаткам данного способа следует отнести то, что при выборе потоконаправляющего стента не учитываются биомеханические свойства стенки пораженного сосуда и моделирование кровотока через потоконаправляющий стент происходит на основе упрощенных математических моделей, что в свою очередь может привести к тому, что ожидаемый лечебный эффект от установки потоконаправляющего стента будет снижен.
По патенту US 8897513 В2, МПК G06K 9/00, G06T 7/00, G06T 2207/30101, G06T 7/0016, G06T 7/0012, опубл. 25.11.2014 г. известен способ выбора стента, основанный на определении напряжения стенки кровеносного сосуда. В способе используется диастолическое и систолическое изображение пораженного сосуда. Напряжение в сосуде определяется с помощью сравнения размера сосуда в момент окончания диастолы и в момент окончания систолы. На основании величины напряжения стенки сосуда определяется необходимый стент. Техническим результатом предложенного способа является повышение точности выбора стента, основанное на определении величины напряжения стенки сосуда.
К недостаткам данного способа следует отнести то, что при выборе потоконаправляющего стента не учитываются биомеханические свойства стенки пораженного сосуда и моделирование кровотока через потоконаправляющий стент происходит на основе упрощенных математических моделей, что в свою очередь может привести к тому, что ожидаемый лечебный эффект от установки потоконаправляющего стента будет снижен.
Ближайшим аналогом (прототипом) разработанного способа является способ моделирования кровотока через потоконаправляющий стент (US 382/128, US 382/285, G06F 19/00, G06K 9/00, G06T 19/00, G06K 9/36, А61В 6/00, А61В 6/03, G06T 19/00, А61В 6/486, А61В 6/504, А61В 6/032, G06T 2210/41, G06F 19/3437, А61В 6/5217, опубл. 24.02.2015 г.), включающий получение медицинских изображений, содержащих кровеносные сосуды, извлечение геометрии сосуда из медицинских изображений, пометку входов и выходов в извлеченной геометрии сосуда, выбор необходимого потоконаправляющего стента, генерацию модели потоконаправляющего стента внутри геометрической модели сосуда, определение кровотока через потоконаправляющий стент. Способ основан на представлении потоконаправляющего стента в виде трубки имеющей пористую поверхность, характеризующуюся вязкостным и инерционным сопротивлением. Техническим результатом предложенного способа является повышение точности выбора потоконаправляющего стента, основанное на геометрических характеристиках пораженной артерии и данных о параметрах потоконаправляющего стента с использованием предложенного авторами способа моделирования кровотока через потоконаправляющий стент, в котором потоконаправляющий стент представляется в виде трубки с пористой поверхностью.
К недостаткам данного способа следует отнести то, что при выборе потоконаправляющего стента не учитываются биомеханические свойства стенки пораженного сосуда и моделирование кровотока через потоконаправляющий стент происходит на основе упрощенных математических моделей, что в свою очередь может привести к тому, что ожидаемый лечебный эффект от установки потоконаправляющего стента будет снижен.
Технической задачей предлагаемого способа является повышение точности выбора потоконаправляющего стента для проведения эндоваскулярных операций по установке потоконаправляющих стентов в церебральной артерии за счет математического моделирования кровотока через потоконаправляющий стент с учетом биомеханических свойств (модуля Юнга и коэффициента Пуассона) стенки церебральной артерии, получаемых посредством эластографии зондом прямого обзора на основе эндоскопической оптической когерентной томографии.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ выбора потоконаправляющего стента, включающий получение медицинских изображений содержащих кровеносные сосуды, извлечение геометрии сосуда из медицинских изображений, пометку входов и выходов в извлеченной геометрии сосуда, выбор необходимого потоконаправляющего стента, генерацию геометрической модели потоконаправляющего стента внутри геометрической модели сосуда, определение кровотока через потоконаправляющий стент.
Новым в предложенном способе является то, что размер потоконаправляющего стента определяется по эмпирической формуле
0.9⋅(prox+dist)/2,
где prox - проксимальный диаметр сосуда; dist - дистальный диаметр сосуда;
проверка доступности потоконаправляющих стентов требуемого размера производится посредством подбора наиболее близкого размера потоконаправляющего стента из перечня стандартных размеров; структурные изображения стенки аневризмы церебральной артерии для систолы и диастолы получаются с помощью метода эндоскопической оптической когерентной томографии; толщина стенки аневризмы церебральной артерии определяется на основе полученных с помощью эндоскопической оптической когерентной томографии структурных изображений, посредством умножения количества пикселей, соответствующих самой тонкой части стенки церебральной аневризмы на аксиальное разрешение структурного изображения; модуль Юнга для стенки аневризмы церебральной артерии определяется на основе отношения осевого напряжения стенки аневризмы церебральной артерии к ее осевой деформации; осевая деформация находится с помощью попиксельного анализа структурных изображений стенки аневризмы церебральной артерии, сделанных для систолы и диастолы, с использованием кросскорреляционной функции; осевое напряжение находится как отношение эмпирически оцениваемой силы пульсовой волны, воздействующей на область сканирования к попиксельно оцененной площади поперечного сечения этой области; коэффициент Пуассона определяется как отношение аксиальной деформации стенки аневризмы церебральной артерии к осевой деформации стенки аневризмы церебральной артерии; эти деформации находятся из кривых зависимости деформации от напряжения, рассчитываемых на основе попиксельного анализа серии из по меньшей мере нескольких десятков структурных изображений стенки аневризм, описывающих процесс распространения пульсовой волны; в качестве источника механического воздействия на исследуемый объект используется только пульсовая волна; на основе попиксельного анализа изображений с использованием кросскорреляционной функции определяются относительные изменения толщины участков стенки сосуда; с помощью компрессионной эластографии в оптической когерентной томографии с зондом прямого обзора определяются биомеханические параметры стенки аневризмы церебральной артерии; на основе полученных значений индивидуализированных биомеханических свойств стенки церебральной артерии записывается математическая модель стенки церебральной артерии; математическая модель стенки церебральной артерии сопрягается с разработанной авторами математической моделью локальной гемодинамики церебральной артерии; на основе сопряженной математической модели определяются изменения трех компонент скорости крови и давления в выбранной церебральной артерии при наличии различных моделей потоконаправляющих стентов; на основе рассчитанных гемодинамических параметров и пристеночного напряжения сдвига оцениваются изменения гемодинамики в области аневризмы пораженного сосуда, что позволяет повысить точность выбора потоконаправляющего стента для проведения эндоваскулярных операций по установке потоконаправляющего стента.
На фиг. 1 представлена схема предложенного способа оценки эффективности эндоваскулярных операций по установке потоконаправляющих стентов.
Предложенный способ может быть представлен в виде следующих этапов:
1. Получение медицинских изображений, содержащих кровеносные сосуды с помощью методов медицинской визуализации. Определение формы церебральной артерии и размера аневризмы.
2. Обработка и сегментация данных медицинской визуализации для извлечения геометрической 3D модели пораженной церебральной артерии пациента из медицинских изображений.
3. Пометка входов и выходов в извлеченной геометрии сосуда.
4. Определение проксимального и дистального диаметра участка церебральной артерии с аневризмой.
5. По эмпирической формуле
0.9⋅(prox+dist)/2,
где prox - проксимальный диаметр сосуда; dist - дистальный диаметр сосуда,
вычисляется необходимый размер потоконаправляющего стента.
6. Проверка доступности потоконаправляющих стентов требуемого размера, подбор наиболее близкого размера потоконаправляющего стента из перечня стандартных размеров.
7. Получение структурных изображений стенки церебральной артерии с помощью эндоскопической оптической когерентной томографии.
8. Определение неинвазивными методами объемного расхода крови во входном сегменте пораженной церебральной артерии.
9. Определение свойств стенки церебральной артерии с помощью метода компрессионной эластографии.
10. Настройка математической модели стенки церебральной артерии с учетом индивидуальных биомеханических свойств церебральной артерии пациента.
11. Сопряжение математической модели локальной гемодинамики церебральной артерии с моделью стенки церебральной артерии.
12. Расчет уравнений индивидуализированной модели локальной гемодинамики пораженной церебральной аневризмы без потоконаправляющего стента (предоперационное состояние).
13. По окончании расчета будет определено трехмерное распределение скорости крови и давления в области аневризмы выбранной церебральной артерии, а также вычислено значение пристеночного напряжения сдвига.
14. Из имеющегося набора потоконаправляющих стентов последовательно для каждой модели потоконаправляющего стента строится его геометрическая модель, которая виртуально имплантируется в модель церебральной артерии пациента с аневризмой. Определяется кровоток через i-ую модель потоконаправляющего стента и анализ гемодинамических изменений в церебральной артерии с аневризмой после установки i-ой модели потоконаправляющего стента.
15. По окончании расчетов локальной гемодинамики в области аневризмы при установке всех вариантов моделей потоконаправляющего стента происходит анализ изменений кровотока, вызванных имплантацией каждой конкретной модели стента.
16. На основе анализа полученных результатов и экспертной оценки врача-нейрохирурга принимается решения о выборе модели потоконаправляющего стента для эндоваскулярной операции по установке потоконаправляющего стента. При этом учитывается индивидуальная форма пораженного сосуда и индивидуальные биомеханические свойства стенки пораженного сосуда.
17. Осуществляется вывод информации о модели и размере выбранного потоконаправляющего стента.
Используемые в предложенном способе методы математического моделирования гемодинамики и методы эндоскопической оптической когерентной томографии позволяют повысить точность выбора потоконаправляющего стента для эндоваскулярных операций по установке потоконаправляющего стента. При проведении виртуальных экспериментов используется индивидуальная модель церебральной артерии с аневризмой, повторяющая морфологию церебральной артерии пациента и индивидуализированные значения биомеханических свойств стенки аневризмы церебральной артерии, полученные с помощью метода компрессионной эластографии. С помощью индивидуализированной математической модели проводится серия виртуальных экспериментов по имплантации различных моделей потоконаправляющих стентов в пораженную церебральную артерию с аневризмой. Результаты каждого виртуального эксперимента используются для оценки гемодинамических изменений в области аневризмы церебральной артерии, вызванных установкой каждой конкретной модели потоконаправляющего стента, с учетом индивидуализированных значений биомеханических свойств стенки аневризмы, что позволяет существенно повысить точность выбора потоконаправляющего стента для эндоваскулярных операций по установке потоконаправляющего стента.
Эндоскопическая оптическая когерентная томография позволяет получать структурные изображения стенок церебральной артерии с пространственным разрешением порядка 1-3 микрон и доплеровские изображения кровотока в сосуде с точность до нескольких мм/с. Для учета биомеханических свойств церебральной артерии и аневризмы используются результаты компрессионной эластографии (картограммы пространственного распределения деформаций в исследуемом объекте, модуль Юнга, коэффициент Пуассона). Метод компрессионной эластографии основан на эндоскопической оптической когерентной томографии с зондом прямого обзора. В компрессионной эластографии используются двумерные структурные изображения стенок сосудов. Под воздействием внешней нагрузки исследуемая биологическая ткань деформируется. С помощью оптической когерентной томографии последовательно получаются структурные изображения (В-сканы) до и после воздействия нагрузки. На основе попиксельного анализа В-сканов с использованием кросскорреляционной функции определяются относительные изменения толщины различных участков исследуемого объекта. Для вычисления локальных значений модуля упругости делается предположение, что исследуемые объекты являются эластичными изотропными несжимаемыми средами, а все напряжения являются аксиально направленными. В этом случае модуль Юнга определяется как отношение осевого (нормально направленного) напряжения к осевой деформации. В свою очередь осевое напряжение представляет собой отношение внешней силы к площади поперечного сечения, на которую она воздействует. Осевая деформация находится из относительного изменения толщины образца. Вычисление коэффициента Пуассона основано на отслеживании осевой и аксиальной деформации внутренних структур стенки церебральной артерии, что возможно в случае предварительной цифровой обработки (удаление высоко- и низкочастотных составляющих, повышение контраста и т.п.) сигнала, полученного с помощью оптической когерентной томографии. Для повышения точности вычисления коэффициента Пуассона используются кривые зависимости деформации от напряжения, т.е. используется не два структурных изображения (для систолы и диастолы), а серия последовательных В-сканов.
Предлагаемый способ был апробирован при выборе потоконаправляющего стента для процедуры установки потоконаправляющего стента во внутреннюю сонную артерию с аневризмой. С помощью ангиографии была определена форма и размер аневризмы внутренней сонной артерии. По эмпирической формуле (пункт 5) был определен размер стента - 5 мм. Методом эндоскопической оптической когерентной томографии были получены структурные изображения стенки аневризмы церебральной артерии и была определена ее толщина - 0.82 мм. С помощью метода компрессионной томографии были определены индивидуализированные значения основных биомеханических свойств стенки аневризмы церебральной артерии: модель Юнга - 1.92 МПа и коэффициент Пуассона - 0.46. На основе индивидуализированных значений биомеханических свойств стенки аневризмы церебральной артерии была записана математическая модель стенки церебральной артерии. Математическая модель стенки церебральной артерии была сопряжена с разработанной авторами математической моделью локальной гемодинамики церебральной артерии. С помощью компьютерного моделирования на основе математической модели локальной гемодинамики церебральной артерии были рассчитаны изменения трех компонент скорости крови и давления в течение 7 секунд во внутренней сонной артерии при наличии различных моделей стентов. На основе рассчитанных гемодинамических параметров и пристеночного напряжения сдвига были оценены изменения гемодинамики в области аневризмы внутренней сонной артерии. В результате использования предлагаемого метода путем сравнительного анализа была найден потоконаправляющий стент (SILK stent, фирмы Balt Extrusion), позволяющий максимально снизить среднюю скорость течения крови внутри полости аневризмы (на 96%), при этом восстанавливая естественный ток крови во внутренней сонной артерии.
Предлагаемый способ может быть использован в клинической практике при выборе потоконаправляющего стента для проведения эндоваскулярных операций по установке потоконаправляющих стентов и для прогнозирования послеоперационного состояния церебральной гемодинамики пациента.