Методы исследований механических свойств кровеносных сосудов искусственных протезов

Как было описано выше, артерии представляют собой достаточно сложную структуру с вязкоупругими свойствами и анизотропным изменением характеристик по толщине стенки, трудную для исследования. Развитие сосудистой хирургии заставляет тем или иным образом изучать характеристики сосудов и создавать на основе полученных данных адекватные заменители.

Основные методы исследования кровеносных сосудов делятся на 3 основные группы: математическое моделирование свойств, экспериментальное изучение характеристик сосудов (и их искусственных протезов), что в конечном итоге позволяет создать физические модели, более или менее адекватные по своим свойствам реальным сосудам, и экстраполировать результаты экспериментов с ними на реальные кровеносные сосуды [15].

Исторически сложилось так, что первые опыты над сосудами проводились по методикам, разработанным для испытаний изделий в резинотехнической промышленности (рис. 3.1, 3.2). Сосуд представляли в виде ортотропного объекта и исследовали свойства отдельных полосок и площадок, вырезаемых в направлениях главных осей, и испытываемых при 1- и 2-хосном нагружении, а результаты эксперимента экстраполировали на свойства всего сосуда в целом. Большинство из этих методов предполагало статический режим испытаний.

Рис. 3.1. Методы усталостных испытаний - двухосное растяжение: а) раздуванием, б) сферическим пуансоном.

Рис. 3.2. Измерение характеристик сосудистого кольца путем оценки пропускания света прициклическом нагружении тороидальным пуансоном (1 - образец,

2 - пуансон, 3 - источник света, 4 - фотоприемник)

Наряду с видимыми преимуществами (возможностью дифференцированной оценки пораженных и здоровых участков стенки, относительной простотой оснастки) у этих методов имелись и существенные недостатки: субъективность интегральной оценки свойств сосудов, основанной на результатах испытаний отдельных участков, невозможность оценки свойств сосудов in vivo, упрощенность ортотропной модели по сравнению с реальным сосудом, малая сопоставимость результатов различных исследований, вызванная различием в методиках регистрации и нагружения сосуда. Поэтому в дальнейшем сформировались, во-первых, системный подход к исследованию свойств (рис. 3.3), во-вторых, проявилось стремление к некоторой стандартизации методов исследования (для возможности сопоставления результатов исследований), в-третьих, произошел постепенный переход к динамическим и статическим методам исследования сосудов (а равно и их заменителей биологического и искусственного происхождения) как тонко- и толстостенных трехмерныхоболочек. Важно отметить развитие таких методов исследования, как математическое и физическое моделирование на основе теории сопротивления материалов, математического анализа и физики, данных биомеханики. При этом упомянутые методы редко применяются в «чистом» виде, как правило, они дополняют друг друга, поэтому практически следует говорить оразвитии физико-математических методов исследования [15, 26].

Рис. 3.3. Экспериментальные методы биомеханики (верхняя группа методов - для испытания стенки кровеносного сосуда, нижняя - для изучения процесса взаимодействия сосуда и хирургического инструмента).

Одним из основных требований к существующим методикам является универсализация и возможность сравнения результатов экспериментов разных исследователей. Как будет видно ниже, зачастую для одинаковых параметров сосудистой стенки получаются данные, отличающиеся более чем в 2-3 раза. Подобной универсальности можно было бы добиться с помощью специального комплекса, предназначенного для измерения прочностных и усталостных характеристик различных материалов (например, " Инстрон"). Но следует признать, что задачи биомеханики требуют создания множества дополнительных приспособлений, не предусмотренных в комплекте " Инстрона", поэтому пока необходимо констатировать практическую невозможность адекватного сопоставления данных по свойствам сосуда и стенки, полученных разными испытателями.

Среди методов практического экспериментального моделированиястенки кровеносного сосуда внимания заслуживает поляризационно-оптический метод оценки влияния на характер процесса взаимодействия сосуда и инструмента таких факторов, как профиль инструмента, наложение УЗК, предложенный в [16]. Суть этого метода заключается в том, что при силовом воздействии некоторые прозрачные материалы приобретают оптическую анизотропию, которая обнаруживается при просвечивании поляризованным светом и проявляется в виде чередующихся полос. С помощью эксперимента на полимерных моделях (при некоторых, описанных в [16] допущениях такая модель приемлемо отражает свойства реальной сосудистой стенки) и несложного математического аппарата мы получаем возможность качественно оценить взаимодействие сосудистой стенки с инструментом и установить зависимости, характерные и для реальногопроцесса иссечения атеросклеротических слоев стенки артерии. В результате проведенных исследований получены картины распределения напряжений, возникающих при взаимодействии сосудистой стенки с хирургическим инструментом, итогом чего явились рекомендации по оптимальному профилю инструмента для эндартерэктомии, а также теоретически подтверждена необходимость и целесообразность использования ультразвука в ангиопластике.

Методы математического моделирования позволяют анализировать с помощью математического аппарата и физических закономерностей поведение сосудов или их упрощенных моделей в реальности или в физическом эксперименте, служа в основном для качественной и количественной оценки и описания свойств выбранных моделей сосуда. Применение математических методов моделирования позволяет получить, несмотря на всю условность замещения реального сосуда моделью в 3-хмерном пространстве, достаточно хорошие результаты [6, 9, 17, 30].

При рассмотрении методов исследований, также следует внимание на эксперименты на животных in vivo, позволяющие получить характеристики не резецированных сосудов и имплантатов. Схема одного из подобных экспериментов представлена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Устройство для исследования свойств трансплантатов in vivo [23].

Полученные на подобных устройствах результаты, в частности форма, частота и порядок величины основных параметров сосуда, положены в основу создания стендов для экспериментов invitro. Вопросы, касающиеся биомеханических свойств протезов, вполне разрешимы на относительно простой модели стенда, позволяющей проводить оценку протезов и давать рекомендации как их изготовителю, так и сосудистому хирургу по применимости и модернизации существующих конструкций сосудистых трансплантатов. Множество исследовательских стендов, обзор конструкций и вариантов применений которых будет приведен ниже, подтверждает эту мысль.

Несмотря назначительное многообразие стендов и установок, применяющихся в исследованиях сосудов и протезов, связанных с внутренним нагружением целостной оболочки (то, что выше было названо 3-х мерным нагружением), все они выполнены по принципу, который иллюстрирует модель стенда, представленная на рис. 3.5.

Рис.3.5. Схема устройства для испытаний протезов – может послужить хорошей иллюстрацией общего принципа построения стендов дляисследования свойств кровеносных сосудов invitro, а также их заменителей [21].

Как можно отметить, основными элементами стенда для испытаний in vitro являются система нагнетания давления(обычно - клапанного типа) внутрь сосуда, емкость с жидкостью, имитирующей кровь и (или) внутреннюю среду организма, штуцера, на которых фиксируется протез. Отличаются подобные стенды друг от друга по нескольким позициям: 1) расположение сосуда (в жидкости или на воздухе); 2) тип и число используемых датчиков (зависит от изучаемых параметров); 3) способ нагнетания давления в просвет протеза (прямой или косвенный); 4) наличие в системе дополнительных элементов, например, сглаживающих кривую давления, поддерживающих постоянную температуру в зоне измерений и т.д.). Отсутствие в экспериментальных стендах некоторых из указанных компонент не позволяет с полной уверенностью говорить о сопоставимости результатов испытаний.

Рис. 3.6. Консольный преобразователь с исследуемым протезом. Использован сменный направляющий желоб для базирования протеза [21].

Одним из вариантов устройства, используемого для измерения податливости является консольный преобразователь (рис. 3.6), присоединенный к стандартному устройству записи и регистрации (как вариант – к измерительному осциллографу). Это устройство позволяет получить непрерывную запись, состоящую из большого числа отсчетов, для любого пульсирующего потока, протекающего в упругой трубке. Изменения в диаметре стенки обнаруживаются консолью, котораяслегка касается сосуда или трансплантата, который, в свою очередь, располагается в стальном сменном желобе соответствующего размера. Консоль является плечом датчика, расположенного на ее конце около блокирующего устройства. Изгиб консоли в результате изменения диаметра сосуда ведет к изменению сопротивления пары миниатюрных полупроводниковых полосок с тензометрическим датчиком, которые наклеиваются в районе основания консоли и формируют два плеча моста. Снимаемое с моста напряжение усиливается и показывается на устройстве регистрации и записи. Система калибруется с помощью эталонных стержней известных диаметров, и выходной сигнал линеен в интересующем нас диапазоне перемещений. Одновременное измерение пульсового давления производится с помощью стандартного катетера, помещаемого в поток, протекающий сквозь обследуемый сосуд. Консольный преобразователь может использоваться или для статических измерений, производимых с трансплантатом или сосудом, подключенным к насосу, поддерживающему постоянное давление, или в естественных условиях, когда измерения проводятся на выделенном сосуде или трансплантате после имплантации.

Консольный преобразователь является инвазивной техникой, требующей хирургического выделения исследуемого трансплантата. Для частых измерений в этом случае возникает проблема влияния окружающей волокнистой ткани и возможных артефактов, возникающих при выделении. Очевидно, атравматичная техника больше подходит для повторяющихся, частых измерений. Этим критериям, по крайней мере в теории, удовлетворяет следящая эхо-система Hokanson, используемая для измерения перемещения стенки сосуда или трансплантата в модели стенда, представленной на рис. 3.7 и 3.8.

Рис. 3.7. Схема измерительного устройства, используемого дляпрямого определения эластичности. (А) Капиллярная трубка применяется для изменения объема, ультразвуковой датчик (Hockanson) измеряет изменение диаметра объекта (трансплантата или сосуда). Это лабораторное (in vitro) устройство включает систему циркуляции, осциллограф, у/з датчик и датчики давления. [31].

Данная система использует для исследования характеристик протезов и сосудов ультразвуковое зондирование, осуществляемое датчиком, контактирующим со стенкой образца черезслой акустического геля. Система слежения, на которую передается сигнал от датчика, позволяет оператору выборочно получать сигналы, соответствующие двум стенкам артерии, как показано на осциллографе (рис. 3.8В).

Таким образом, существует большом разнообразии существующих методов свойств протезов кровеносных сосудов в лабораторных условиях.

Рис. 3.8. (А) Ультразвуковой датчик и измеритель давления на трансплантате в измерениях, проводимых in vivo; (B) Отражение перемещения стенки исследуемого сосуда на экране осциллографа; (С) и (D) Запись среднего пульсового артериального давления и изменения диаметра для эластичного и неэластичного пористого трансплантатов [31].

Используемое оборудование и программное обеспечение:

1. Испытательная машина INSTRON 3365

2. ПО для INSTRON 3365

3. Штамп для вырубки образцов

4. Электронный толщиномер

5. Нож

6. Ножницы

7. Штангенциркуль

Порядок выполнения работы:

1. Подготовить образцы прямоугольной формы (не менее 3 шт. на каждое испытание).
2. Измерить геометрические параметры образцов
3. Провести испытания образцов на машине Инстрон до разрушения.
4. Обработать диаграммы «нагрузка-удлинение».
5. Рассчитать характеристики образцов.
6. Сделать выводы по результатам испытаний.

Требования к содержанию отчёта:

1. Составлен конспект теоретической части.

2. Определены прочностные и упругие характеристики стенки протезов различной конструкции в направлении главной оси протеза.

3. Определены прочностные и упругие характеристики стенки протезов различной конструкции в поперечном направлении протеза кровеносного сосуда.

4. Проведён сравнительный анализ влияния конструкции протеза на упруго-прочностные свойства стенки.

Контрольные вопросы:

1. Дать определения следующим терминам:

a. Медицинская техника

b. Инструмент

c. Прибор

d. Аппарат

e. Оборудование

f. Комплекс

2. Основные сведения о биомедицинских материалах.Определение и классификациябиомедицинских материалов.

Литература:

1. Акчурин Р.С. (ред.) Болезни сердца и сосудов, М., 1992.

2. Покровский А.В. Заболевания аорты и ее ветвей, М., 1979.

3. Пуриня Б.А., Касьянов В.А. Биомеханика крупных кровеносных артерий человека, Рига, 1980.

4. Пуриня Б.А. Биомеханические свойства стенок сосудов человека и их биологических заменителей // Проблемы инженерной биомедицины, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 1985.

5. Бегун П.И. Биомеханическое моделирование объектов протезирования: учебное пособие –СПб.: Политехника, 2011. – 464 с.: ил.

6. Саврасов Г.В., Нарайкин О.С. Биомеханические свойства артерий человека при их различных состояниях // Проблемы инженерной биомедицины, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 1985.

7. Саврасов Г.В. Изучение физико-механических свойств био материалов при различных видах нагружения. – Методические указания. МГТУ, 1995.

8. Саврасов Г.В. Физико-механические свойства биоматериалов при различных видах нагружения, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 1999.