Спосіб діагностики обмеження локального резерву у звитій коронарній артерії у хворих на ішемічну хворобу серця та коронарний синдром х

Реферат: Винахід належить до галузі медицини, а саме до кардіології, рентгенології та серцево-судинної хірургії, а також до механіки рідини та може бути застосований для діагностики гемодинамічної значущості звитості коронарної артерії при ішемічній хворобі серця (ІХС). UA 108776 C2 (12) UA 108776 C2 UA 108776 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі медицини, а саме до кардіології, рентгенології та серцевосудинної хірургії, а також до механіки рідини, та може бути застосований для діагностики гемодинамічної значущості звитості коронарної артерії при ішемічній хворобі серця (ІХС). Відомі деякі способи діагностики гемодинамічної значущості анатомічних змін в ділянці коронарної артерії (визначення обмеження локального коронарного резерву). Так, відомий метод діагностики, в якому за допомогою велоергометри (тредмілу) при виконанні дозованого фізичного навантаження визначається обмеження коронарного резерву за даними специфічних ЕКГ-ознак [1]. Проте, застосування цього методу є обмеженим. Методика визначення є досить приблизною, проведення залежить від фізичних можливостей пацієнта, не враховує вплив дистального колатерального кровообігу в патологічно змінених ділянках артерій. ЕКГ-критерії також мають обмеження в специфічності виявлення ішемічних прояв. Найбільш близьким до запропонованого технічного рішення та найточнішим засобом змін гемодинаміки в судині є інвазивний метод визначення реґіонарного резерву кровотоку (FFRFractional Flow Reserve), який обчислюють за формулою: FFR=тиск в коронарній артерії дистальніше зміненої ділянки/тиск в аорті, в якій обидва тиски визначаються за допомогою спеціального коронарного провідника з датчиком тиску на кінці на фоні максимальної гіперемії. Метод FFR ґрунтується на прямому вимірюванні тиску попереду і позаду зміненої ділянки артерії, має достатню ефективність визначення гемодинамічної значущості лише при атеросклеротичному ураженні судини (у його рамках гемодинамічно значущі зміни кровотоку виникають при FFR, меншому від 0,75) і застосовується при виявленні коронарного стенозу [2]. Водночас, він практично не використовується при дослідженні неатеросклеротичних уражень артерій, є досить дорогим і потребує спеціального обладнання - коронарного провідника та системи інвазивного визначення тиску. При цьому проведення зазначеного провідника крізь звитість судини є досить важким завданням, а інколи технічно неможливим. Також, вказаний метод не дозволяє оцінювати зміни об'ємної витрати крові у звитій судині. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу діагностики обмеження локального резерву в ділянці звитості коронарної артерії під час проведення спеціального рентгенівського дослідження селективної коронарної ангіографії та визначення відносної втрати об'ємної витрати крові в звитій ділянці коронарної артерії порівняно з прямою ділянкою за інших рівних умов, що дозволить зробити висновок щодо гемодинамічної значущості звитості коронарної артерії. Поставлена задача вирішується тим, що, згідно з винаходом, за даними власної фізикоматематичної моделі розраховують співвідношення втрат об'ємної витрати крові у звитій судині порівняно з прямою ділянкою коронарної артерії, для чого діагностують коронарний синдром X: наявність об'єктивних ознак ішемії міокарда та за даними коронарної ангіографії відсутність атеросклеротичного та будь-якого іншого стенозування з присутністю звитості коронарної артерії, потім визначають довжину осі звитої ділянки коронарної артерії шляхом апроксимації неправильної синусоїди, надалі у коронарній ангіографії знаходять пряму ділянку артерії ідентичної довжини та приблизний час, за який кров проходить відстань у нормальній та звитій артерії і визначається середня швидкість руху крові на цих ділянках за часом та поперечним перерізом нормальної та звитої ділянки, згодом визначають об'ємні витрати крові відповідно у прямій та звитій артеріях та знаходять відносну втрату об'ємної витрати крові в звитій артерії порівняно з прямою ділянкою, потім за формулою Арет В.А визначають гемодинамічну значущість втрати крові при 25 % перепаду тиску в артерії, який є гемодинамічно значущим за даними інвазивного методу визначення реґіонарного резерву кровотоку (FFR), яка дорівнює ≈40 %, тобто гемодинамічно значущою звитістю коронарної артерії вважають ту, яка порівняно з прямою ділянкою судини знижує об'ємну втрату крові на 40 % та більше за інших рівних умов, найбільш важливими з яких є системний артеріальний тиск, частота серцевих скорочень, хвилинний об'єм крові, в'язкість крові, загальний периферичний судинний опір тощо, що свідчить про значуще обмеження локального коронарного резерву у звитій коронарній артерії у хворих на ІХС та коронарний синдром X. Спосіб здійснюється наступним чином. Авторами розроблено фізико-математичну модель для визначення відносної різниці EQ об'ємних витрат крові на звитій Qw та прямій Q0 ділянках коронарної артерії, яку зображено на фіг. 1 та фіг. 2. Ця модель побудована на основі вивчення й аналізу коронарної ангіографії (КАГ) пацієнтів, і в її основі лежить ряд фізично обґрунтованих припущень стосовно геометрії артерії, фізичних властивостей її стінок, реологічних властивостей крові та характеру її руху по судині [3-6]. Всі необхідні для моделі вхідні дані беруться з КАГ: для модельованої ділянки 1 UA 108776 C2 5 10 15 20 25 артерії зі звитістю як правило, вибирають звиту ділянку передньої міжшлуночкової гілки (ПМШГ) лівої коронарної артерії (ЛКА) - найчастіша і найбільш значуща судина для ураження, які одержуються у такому разі з лівої косої краніальної проекції, для модельованої прямої ділянки артерії вибираються дані КАГ незвитої коронарної артерії, близької до звитої ділянки за діаметром - як правило, з огинаючої гілки (ОГ) ЛКА у серединному сегменті, які одержуються в такому разі з прямої каудальної проекції. У запропонованій моделі розглядаються ділянка коронарної артерії зі звитістю (фіг. 1, а) та пряма ділянка цієї ж артерії (фіг. 1, б). Перша з них з фізичної точки зору являє собою планарно звиту трубочку кругового поперечного перерізу сталого (по довжині трубки) діаметра D w . Моделювання коронарної артерії такою трубочкою (діаметр D w якої визначається з відповідної КАГ як середнє арифметичне діаметрів початкового та кінцевого поперечних перерізів звитої ділянки) зумовлене близькістю геометрії трубочки до геометрії зазначеної ділянки. Незначне ж відхилення форми поперечного перерізу артерії від кругової та незначна комічність артерії не матимуть при цьому принципового впливу на одержані результати [3-5]. Що стосується планарної звитості трубочки (геометрія якої відповідає геометрії звитої ділянки артерії, котра спостерігається на КАГ у лівій косій краніальній проекції), то вона є першим наближенням при моделюванні зазвичай просторової звитості артерії. Друга артерія з фізичної точки зору є прямою трубочкою також кругової форми поперечного перерізу, діаметр D 0 якого є незмінним по довжині і загалом трохи більшим від D w ( D0  Dw ). Поява звитості на якійсь ділянці артерії супроводжується видовженням артерії, а відтак (при незмінній кількості тканини її стінок) - її звуженням та відповідним зменшенням діаметра поперечного перерізу. Миттєва об'ємна витрата крові Q w z, t  у довільному поперечному перерізі A w z  звитої ділянки артерії визначається як відношення об'єму крові Vw z, t  , який проходить крізь цей переріз за нескінченно малий проміжок часу t , до часу t : Vw z, t  , (1) t де z - осьова координати перерізу A w z  . Qw z, t   r Якщо миттєву локальну осьову швидкість крові у точці r перерізу A w z  (ця швидкість 30 r перпендикулярна до A w z  ) позначити через u w  r, t  (фіг. 3, де зображено об'єм рідини Vw ,       який проходить крізь поперечний переріз звитої артерії A w z  за проміжок часу t ), то об'єм Vw визначатиметься співвідношенням [3-6]: r  r  Vw z, t    dV   u w  r, t  tdA z   t  u w  r, t dA z  ,         Vw A w z  A w z  а об'ємна витрата (1) - відповідно виразом: 35 r  Q w z, t    u w  r, t dA z  . (2)     A w z  Якщо ж врахувати, що відношення: r     u w  r, t dA z  / A w z  , A w z    де A w z  - площа перерізу A w z  , є середньою осьовою швидкістю крові Uw у перерізі A w z  [3-6]: Uw z, t   40 1 r   u w  r, t dA z  , (3) A w z  A w  z      то співвідношення (2) набуде такого вигляду: D2 w . (4) 4 Аналогічно одержують вираз для об'ємної витрати крові Q0 z, t  у довільному поперечному перерізі A 0 прямої ділянки артерії: Q w z, t   Uw z, t  A w z   Uw z, t  2 UA 108776 C2  r    u0  r, t dA z ,     A , (5) Q 0 z, t    0 2  D0 U0 z, t  A 0  U0 z, t   4 в якому: U0 z, t   1 r   u0  r, t dA z   (6) A 0 A0     r є середньою осьовою швидкістю крові у перерізі A 0 прямої ділянки, а u0  r, t  - миттєвою       r 5 10 15 20 25 30 35 40 локальною осьовою швидкістю крові у точці r зазначеного перерізу. Співвідношення (2), (4) і (5) дають можливість у рамках заявленої моделі визначати об'ємні витрати крові на звитій Qw і прямій Q0 ділянках коронарної артерії у разі, якщо відома достовірна інформація про середні швидкості (3) та (6) (або миттєві локальні швидкості u w та u 0 ) - відповідно. Таку інформацію можна одержати за допомогою двох моделей. Перша з них ґрунтується на прямому чисельному моделюванні течії на досліджуваній ділянці артерії із врахуванням реології, масової густини, в'язкості і температури крові, фізичних властивостей стінок артерії, граничних умов її закріплення, характеру взаємодії крові з артерією тощо. Вона дає можливість з високим ступенем точності визначати миттєві локальні швидкості u w та u 0 , а відтак і осереднені швидкості Uw та U0 , які також залежать від точності моделювання крові, судини та їхньої взаємодії, а також від точності вибраного чисельного методу інтегрування рівнянь руху крові. Проте ця модель пов'язана зі значними фінансовими та часовими затратами, а тому, особливо з огляду на необхідність отримання даних для пацієнта, поки є неприйнятною. Друга модель полягає в експериментальному визначенні, за даними відповідних КАГ, середніх швидкостей Uw та U0 з подальшим знаходженням на основі формули (4) і (5) об'ємних витрат Qw та Q0 . При цьому реологія, масова густина, в'язкість і температура крові, фізичні властивості стінок артерії, граничні умови її закріплення, характер взаємодії крові з артерією тощо враховуються однаковими для обох ділянок артерій шляхом отримання даних з однієї позиції КАГ. Вказана модель практично не потребує фінансових і значних часових затрат, її точність є задовільною (хоча й меншою у порівнянні з першою моделлю), а тому є більш застосовною. Тому для знаходження швидкостей Uw та U0 (а отже і об'ємних витрат Qw і Q0 ) вибирається друга, експериментальна модель, яка грунтується на: - визначенні за даними КАГ відстані, яку долає рентген-контрастна речовина (контраст) при проходженні разом із кров'ю досліджуваної ділянки артерії (йдеться про усереднену за поперечним перерізом дослідженої ділянки відстань, яку долають розташовані у фронті контрасту частинки при проходженні ними цієї ділянки, тобто відстань, яку долає відповідним чином усереднена течія при проходженні цієї ділянки); - визначенні за даними КАГ часу (за кількістю кадрів та часовим інтервалом одного кадра), за який контраст проходить цю відстань; - визначенні шуканої швидкості як відношення зазначеної відстані до зазначеного часу. Для звитої та прямої ділянок коронарної артерії реалізація цих пунктів виглядає наступним чином. Звита ділянка коронарної артерії. Відстань L w , яку долає контраст при проходженні звитої ділянки (фіг. 1,а), дорівнює довжині осі цієї ділянки (фіг. 2). Якщо зазначену вісь апроксимувати неправильною синусоїдою: 0  z  l1 ,  y1 z ,  ... ...   yz    y1 z , l1  ...  li 1  z  l1  ...  li ,  ...   y N z , l1  ...  l N 1  z  l1  ...  l N ,  (7) в якій: 3 UA 108776 C2 y1 z   A 1 sin z , l1 y1 z    1 A i sin i1 z  l1  ...  lN1  , lN а амплітуда A i та ширина li , і-го завитку (під завитком вважають частину осі між її двома сусідніми нулями) осі (і=1,…,N) визначаються з відповідної КАГ, то відстань L w даватиметься співвідношенням: yN z    1 N1 5 z  l1  ...  li1  , (8) l1 A N sin N L w   Li , (9) i1 в якому: l1 ... li 10 2 2 li A   z   dy  Li   1   i    1   i  cos 2  dz   l   l   dz   i   i  l1 ... li 1 0 довжина i-го завитку. Тоді наявність відстані (11) і часу Tw (цей час визначається за кількістю та часовою довжиною кадрів), за який ділянка артерії долається контрастом, дає можливість знайти швидкість Uw : L w . (10) Tw Пряма (незвита) ділянка коронарної артерії. Довжина L 0 прямої ділянки артерії (фіг. 1,б) і час T0 , за який контраст проходить цю ділянку визначаються з відповідної КАГ шляхом безпосереднього вимірювання довжини L 0 і підрахунку часу T0 за числом кадрів та часовою довжиною кожного з них. Тоді швидкість U0 знаходиться зі співвідношення: Uw  15 L0 . (11) T0 Одержані співвідношення дають підстави запропонувати наступний алгоритм діагностики гемодинамічної значущості звитості коронарних артерій. 1. При об'єктивних ознаках ішемії міокарда пацієнтові проводиться КАГ. 2. У разі відсутності на одержаній коронарограмі атеросклеротичного або будь-якого іншого стенозування та наявності ділянки з вираженою звитістю, за даними КАГ визначаються: діаметр D w поперечного перерізу звитості, а також амплітуда A i та ширина li і-го завитку осі (і=1,…,N) зазначеної ділянки для всіх N завитків (фіг. 1,а та фіг. 2). 3. На основі них даних вісь звитої ділянки коронарної артерії апроксимується неправильною синусоїдою (7), (8). 4. На основі співвідношень (7), (8) визначається довжина L w осі звитої ділянки коронарної артерії за формулою (9). 5. За даними КАГ (за кількісно кадрів та часовим інтервалом одного кадру), наближено визначається час Tw , за який контраст проходить шлях L w . 6. За формулою (10) визначається середня швидкість Uw руху контрасту (крові) на звитій ділянці. 7. На тій же КАГ вибирається нормальна артерія без звитості. У цій артерії вибирається пряма ділянка завдовжки L0  l1  l2  ...  lN , діаметр D 0 поперечного перерізу якої близький до діаметра D w ( D0  Dw ). 8. За даними КАГ (за кількістю кадрів та часовим інтервалом одного кадру), наближено визначається час T0 , за який контраст (кров) долає зазначену ділянку завдовжки L 0 . Дані визначаються на тій же коронарограмі, на якій були визначені дані звитої артерії (щодо складення інших рівних умов), а ділянку прямої артерії перепроектовують з іншої агіографічної позиції, де вона йде у прямій площині щодо знищення похибки відстані. 9. За формулою (11) визначається середня швидкість U0 руху контрасту на цій ділянці. U0  20 25 30 35 40 4 UA 108776 C2 5 10 10. За формулами (4) і (5) виявляються об'ємні витрати крові Qw і Q0 відповідно на звитій та прямій ділянках досліджуваної артерії. 11. На основі співвідношення: Q  Qw EQ  0  100 % (12) Q0 знаходиться відносна втрата об'ємної витрати крові в артерії EQ , яка виникає в ній у зв'язку зі звитістю. 12. Гемодинамічно значущий рівень Eh відносного зменшення об'ємної витрати крові на cr звитій ділянці (з яким потім порівнюватимуться результати розрахунку величини EQ ) визначається на основі запропонованої у роботі Арет В.А. [7] формули залежності об'ємної витрати Q від перепаду тиску p у вигнутій трубці: 1 15 nR  Rp  n , (13) Q   3n  1  2Lk  де R - радіус кривизни трубки, L - її довжина, n - індекс течії, а k - коефіцієнт консистенції. З цієї формули випливає, що зниження перепаду тиску на 25 % у вигнутій трубці: p  0,75 p , тобто до гемодинамічно значущого значення, за даними інвазивного методу визначення реґіонарного резервного кровотоку (FFR), зумовлює зменшення об'ємної витрати Q на 40 %: Q p Q 0,75 p 1,79 Eh   100 %  1  0,75   100 %  40,247 %  40 % (14). cr Q p   Шляхом порівняння величини EQ з критичним значенням Eh визначається гемодинамічна cr значущість втрати крові у звитій артерії EQ при 25 % (гемодинамічно значущому за даними 20 25 30 35 FFR) зменшенні перепаду тиску в ній. При цьому у разі EQ  Eh , втрата крові EQ є cr гемодинамічно значущою, а при EQ  Eh - не є значущою. cr Приклади конкретного виконання способу. На фіг. 4 зображено КАГ пацієнтки І., 1962 р.н., яку проведено у зв'язку з наявністю об'єктивних ознак ішемічної хвороби серця; ці ознаки були виявлені під час проведення електрокардіографічної проби з фізичним навантаженням (стрес-тест велоергометрія). Проте, на ангіограмі відсутні атеросклеротичні ураження артерій (стенози), що дозволило встановити діагноз ішемічної хвороби серця і коронарного синдрому X. Водночас на ангіограмі можна виділити артерію (фіг. 4 (а)) з вираженою звитістю, про яку йшлося у розділах 1 і 2 (це ПМШГ ЛКА з дев'ятьма (N=9) послідовними витками). Наявність цих факторів дає підстави застосовувати заявлений спосіб для визначення можливого обмеження локального резерву у звитій коронарний артерії. Згідно з пунктами 2 і 5 запропонованого способу, визначається: - діаметр D w поперечного перерізу звитості ( Dw  1 8 мм ); , - амплітуда A i та ширина li , і-го завитку її осі для всіх N завитків (фіг. 1,а та фіг. 2); у таблиці 1 представлені дані від виділеної на фіг. 4 (а) артерії з вираженою звитістю; Таблиця 1 І A i , мм 2 2,8 3 2,9 4 2,8 5 2,9 6 2 7 1,8 8 1,1 N=9 1,6 Сума li , мм Li , мм 40 1 2,8 6,7 6,8 5,6 4,3 4,6 3,5 5,0 2,6 2,5 41,6 9,03 9,08 8,33 7,31 7,65 5,52 6,34 3,51 4,21 60,98 - час Tw заповнення контрастом звитої ділянки артерії (фіг. 4(а)), ця ділянка заповнювалася контрастною речовиною за 6 кадрів. Оскільки часова довжина одного кадру становила 0,1 с, то Tw  0,6 с . 5 UA 108776 C2 Наявність цих даних дає можливість апроксимувати вісь звитої ділянки неправильною синусоїдою (7), (8), (пункт 3 алгоритму) і, на основі співвідношення (9), визначити відстань L w , яку долає контраст при проходженні цієї ділянки (пункт 4 алгоритму): N L w   Li  60,98 мм . i1 5 10 15 20 25 Звідси за формулою (10) одержується середня швидкість Uw руху крові (контрасту) на звитій ділянці артерії (пункт 6 алгоритму): L Uw  w  101,63 мм / с , (15) Tw а на основі співвідношення (4) - відповідна об'ємна витрата крові Qw (пункт 10 алгоритму): Q w  230,7 мм3 / с . (16) Як нормальну артерію вибирають на тій же КАГ (фіг. 4 (б)) артерію без звитості (пункт 7 алгоритму). У даному випадку це - ОГ ЛKA. У ній вибирається пряма ділянка завдовжки L0=41,6 мм (сума всіх lі), діаметром поперечного перерізу D0=1,8 мм, яку вибирають на іншій проекції КАГ (прямій каудальній) у зв'язку з тим, що саме в такій проекції відсутні похибки прямого ходу артерії. Час T0 заповнення контрастом вказаної ділянки визначають знову на косій краніальній проекції шляхом перепроектовування ділянки прямої артерії щодо визначення інших рівних умов, та який у даному прикладі складає 0,2 с (пункт 8 алгоритму). Для цих даних за формулою (11) визначають середню швидкість U0 руху крові на досліджувальній ділянці (пункт 9 алгоритму): L U0  0  208 мм / с , (17) T0 а за другою формулою (5) - об'ємну витрату крові Q0 на прямій ділянці артерії (пункт 10 алгоритму): Q0  529,3 мм3 / с . (18) Годі наявність даних (15)-(18) дає можливість розрахувати відносні втрати середньої швидкості EU та об'ємної витрати EQ крові у досліджуваній артерії внаслідок наявності в ній зображеної на фіг. 4 звитості (пункт 11 алгоритму): U  Uw EU  0  100 %  51,14 % , U0 Q0  Q w  100 %  56,41% (19). Q0 Гемодинамічну значущість об'ємної втрати крові EQ в звитій ділянці артерії визначають шляхом порівняння її значення (19) зі значенням (14). Оскільки значення (19) перевищує значення (14), то ця втрата є гемодинамічно значущою (пункт 12 алгоритму). Запропонований спосіб діагностики обмеження локального резерву у звитій коронарній артерії в хворих па ІХС та коронарний синдром X було використано у 112 папістів з вираженою звитістю коронарних артерій (ВЗКА): це два чи більше послідовних 180-градусних витка ПМШГ ЛКА [8]. У всіх пацієнтів було виявлено об'єктивні ознаки ішемії міокарду, доведені пробою з фізичним навантаженням (стрес-тест велоергометрія), проведено КАГ, де було відсутнє атеросклеротичне ураження артерій (коронарний синдром X) та наявний синдром ВЗКЛ. Найбільша кількість пацієнтів мали 4-6 витків звитої ділянки, середня кількість витків склала 6,1±0,2. У таблиці 2 представлені дані проведеного порівняльного аналізу залежності середньої відносної втрати швидкості і об'ємної витрати від кількості витків звитої ділянки артерії у пацієнтів на ІХС, коронарний синдром X та ВЗКА. EQ  30 35 40 6 UA 108776 C2 Таблиця 2 Показник 3 4 5 Кількість витків 6 7 8 9 Усього Усього пацієнтів з 4 18 21 23 21 16 9 112 ВЗКА ПМШГ ЛKA, n Середня відносна втрата швидкості (Ev) у 28,69±1,79 33,78±0,92 42,52±2,33 46,24±1,67 50,63±1,62 55,48±2,04 60,30±2,39 46,18±1,06 звитих артеріях, % Середня відносна втрата об'ємної 31,73±3,16 34,69±1,30 44,32±2,47 47,79±1,52 53,08±1,63 57,59±1,62 62,20±3,30 48,01±1,09 витрати (EQ) в звитих артеріях, % 5 10 Таким чином, середні показники відносної втрати швидкості та об'ємної витрати крові у пацієнтів зі звитими артеріями склали (46,18±1,06)% та (48,01±1,09)% - відповідно, а зі самостійною гемодинамічною значущістю щодо обмеження локального коронарного резерву (зменшення відносної втрати об'ємної витрати менш ніж 40 %) можна в середньому вважати ті коронарні артерії, які мають звитість з 5 витками і більше. Кількість гемодинамічно значущих (ЕQ≥0,4) та незначущих (ЕQ