Л.В. Сазыкина1, С.Н. Маковеев2, В.А. Лищук3, С.В. Фролов4, И. Кофранек5, Д.Ш. Газизова6, Г.В. Шевченко7

1,6 ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр сердечно-сосудистой хирургии
им. А.Н. Бакулева» МЗ РФ (Москва, Россия)

2 ТОГБУ «Компьютерный центр» (г. Тамбов, Россия)

3 Академия медико-технических наук (Москва, Россия)

4 Тамбовский государственный технический университет (г. Тамбов, Россия)

5 Карлов Университет, Институт патофизиологии (г. Прага, Чехия)

7 Акционерное общество «Открытые технологии» (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Актуальность построения математической модели аорты связана с необходимостью изучения и понимания многочисленных расстройств: от нарушения работы аортального клапана до патологических изменений сосудистой стенки, а также в связи с выбором тактики лечения при сердечно-сосудистых операциях. На сегодня созданы и исследованы многочисленные модели левого и правого желудочков сердца, отдельных сосудистых компартментов и сосудистой сети в целом. Необходимо разработать начальный модуль сосудистого артериального русла, включающий аортальный клапан и луковицу аорты для исследования их поведения при норме и патологии.

Цель работы – разработка математической модели луковицы аорты (модуль в среде LabVIEW) для исследования ее поведения при дефектах аортального клапана и повреждений сосудистого разветвления дуги аорты (аневризмы, кардиохирургические вмешательства и т.п.), а также для включения модуля в целостную модель сердечно-сосудистой системы, являющуюся основой системы обеспечения решений врача при кардиохирургических операциях.

Результаты. Сделано математическое описание и представлены результаты имитационного исследования в среде LabVIEW модели луковицы аорты и аортального клапана. Функции кровотока: объём, давление и поток, однозначно в соответствии с физиологическими закономерностями, заданы через свойства сосудистых резервуаров: жёсткость, тонус, сопротивление и инерционность. Модель построена в терминах, позволяющих включить описание луковицы аорты в состав разветвлённой многоуровневой системы сосудов, а также общей модели сердечно-сосудистой системы.

Практическая значимость. Математическая модель модуля луковицы аорты позволит исследовать влияние изменений поведения выходного отдела левого желудочка (включая патологические) на кровоток в сосудистом русле и наоборот, влияние повреждений в сосудистом русле луковицы аорты на поведение аортального клапана и сердца в целом.

Сазыкина Л.В., Маковеев С.Н., Лищук В.А., Фролов С.В., Кофранек И., Газизова Д.Ш., Шевченко Г.В. Реализация математической модели луковицы аорты в среде LabVIEW // Биомедицинская радиоэлектроника. 2022. T. 25. № 6. С. 31-45. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604136-202206-04

1. Газизова Д.Ш., Сазыкина Л.В., Маковеев С.Н., Кофранек И., Леонов Б.И. Применение цифровых технологий для персонифицированных рекомендаций по лечению сердечной недостаточности // Биомедицинская радиоэлектроника. 2019. № 7. С. 75–86.
2. Шаталов К.В., Арнаутова И.В., Гамисония А.М. Хирургическое лечение подклапанного стеноза аорты в детском возрасте. Сердечно-сосудистые заболевания // Бюллетень НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН. 2021. Т. 22(2). С. 300–307. DOI: 10.24022/1810-0694-2021-22-2-300-307
3. Лищук В.А., Столяр В.Л. Общее математическое описание сердечно-сосудистой системы. В кн. Применение математических моделей в клинике сердечно-сосудистой хирургии. М.: Машиностроение. 1980. С. 17–30.
4. Лищук В.А. Реализация математической модели элементарного сосудистого участка в среде LabVIEW, ориентированной на кардиохирургическую клинику // Клиническая физиология кровообращения. 2006. № 4. С. 67–81.
5. Маковеев С.Н., Газизова Д.Ш., Горбач А.А., Лiщук В.А., Фролов С.В. Дослiження математичної моделi бiфуркацiї судинної дiлянки з детальнiстю, що вiдповiдає контролевi хворого в середовищi LabVIEW // Медична iнформатика та iнженерiя. 2008. № 4. С. 25–45.
6. Zavorokhin G.L. A mathematical model of an arterial bifurcation // Ural Mathematical Journal. 2019. V. 5(1). P. 109–126.
7. Naik K.B. Mathematical modelling and Simulation of human systemic arterial system // International Journal of Ingineering and Innovative Technology (IJEIT). 2014. V. 4(1). P. 142–147.
8. Liu J., Lan I.S., Marsden A.L. Mathematical modeling of the vascular system. arXiv:2102.11064v1 [q-bio.TO] 19 Feb 2021 https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1642491690&tld=ru&lang=en&nam e=2102.11064.pdf&text=mathematical%20model%20arterial&url=https%3A%2F%2Farxiv.or
9. Campbell K.B., Rhode E.A., Cox R.H., Hunter W.C., Noordergraaf A. Functional consequences of expanded aortic bulb: a model study // Am. J. Physiol. 1981. V. 240. P. 200–210.
10. Dougan D.F., Wade D.N. Octopamine receptors in the molluscan aortic bulb: effects of clozapine and chlordimeform // Journal of Comp. Biochem. Physiol. 1985. V. 82(1). Р. 193–197.
11. Korakianitis T., Shi Y. Numerical simulation of cardiovascular dynamics with healthy and diseased heart valves // Journal of Biomechanics. 2006. V. 39. P. 1964–1982.
12. Korakianitis T., Shi Y. A concentrated parameter model for the human cardiovascular system including heart valve dynamics and atrioventricular interaction // Medical Engineering & Physics. 2006. V. 28. P. 613–628.
13. Paradis N.A., Martin G.B., Goetting M.G., Rosenberg J.M., Rivers E.P., Appleton T.J., Nowak R.M. Simultaneous aortic, jugular bulb, and right atrial pressures during cardiopulmonary resuscitation in humans. Insights into mechanisms // Journal of Circulation. 1989. V. 80. Р. 361–368.
14. Yong G.L., Krishnan B.C., Lemmon J. A numerical simulation of mechanical heart valve closure fluid dynamics // Journal of Biomechanics. 2002. V. 35. P. 881–892.
15. Лищук В.А., Мосткова Е.В. Математическая модель сердца для интенсивной терапии и острого физиологического эксперимента. В кн.: Применение математических моделей в клинике сердечно-сосудистой хирургии. М. 1980. С. 49–61.
16. Лищук В.А. Математическая теория кровообращения. М.: Медицина. 1991. 256 с.
17. Zacek M., Krause E. Numerical simulation of the blood flow in the human cardiovascular system // Journal of Biomechanics. 1996. V. 29(1). P. 13–20.