Биомеханическое моделирование мочевого пузыря в норме, при патологии и реконструкции Текст научной статьи по специальности «Ветеринарные науки»

УДК 531/534: [57+61]

БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЧЕВОГО ПУЗЫРЯ В НОРМЕ, ПРИ ПАТОЛОГИИ И РЕКОНСТРУКЦИИ

И. И. Аль-Муджагед

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), Россия, 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5, e-mail: [email protected]

Аннотация. Разработан алгоритм построения биомеханических моделей и анализа напряженно-деформированного состояния мочевого пузыря в норме, при патологии и реконструкции. Проведено исследование зависимости напряженно-деформированного состояния естественного, патологически измененного и искусственного мочевого пузыря в момент открытия внутреннего сфинктера от его геометрических параметров.

Ключевые слова: мочевой пузырь, детрузор, дивертикул, резервуар, кишка, биомеханическая модель, напряжения, деформация.

Исследование мочевого пузыря в норме

Проблема полного или частичного замещения мочевого пузыря актуальна в современной урологии. В структуре смертности населения России от злокачественных опухолей удельный вес больных со злокачественными заболеваниями мочевых органов составил 6,5%, причем среди мужского населения злокачественные опухоли мочевой системы занимают четвертое место [8].

Мочевой пузырь (рис. 1, рис. 2, а, рис. 2, б) - полый внутренний орган, состоящий из трех слоев: подслизистого, мышцы мочевого пузыря (детрузора) и наружного адвентициального. Удержание мочи обеспечивается главным образом строением шейки мочевого пузыря и внутреннего отверстия уретры. Гладкомышечные волокна детрузора при переходе на заднюю уретру вместе с другими образованиями этой зоны формируют замыкательный аппарат мочевого пузыря (сфинктер). Он включает утолщение, образованное гладкомышечными волокнами детрузора в области заднего сегмента шейки мочевого пузыря - внутренний сфинктер. При его сокращении утолщенная часть шейки прижимается к передней стенке внутреннего отверстия мочеиспускательного канала, при этом оно замыкается. Функционирование внутреннего сфинктера связано с баро- и терморецепторами, находящимися в детрузоре. Его замыкание происходит вне зависимости от воли или желания человека. Поперечнополосатый сфинктер расположен ниже внутреннего сфинктера в конце предстательной части уретры. Этот сфинктер жестко соединен с брюшиной. Его функционирование может зависеть от воли и желания человека [3].

При постепенном заполнении мочевого пузыря в объеме 300-600 мл внутрипузырное давление остается низким и составляет от 5-102 до 15-102 Па.

© Аль-Муджагед И.И., 2009

Аль-Муджагед Исаак Исмаил, аспирант кафедры биомедицинской электроники и охраны среды, СПб

Рис. 1. Схема мочевого пузыря: 1 - дно; 2 - тело; 3 - межмочеточниковая складка; 4 - отверстия мочеточников; 5 - простатическая часть мочеиспускательного канала; 6 - гребень мочеиспускательного канала; 7 - синус предстательной железы; 8 - перепончатая часть мочеиспускательного канала; 9 - мышечная стенка; 10 - слизистая оболочка; 11 - треугольник; 12 - отверстие мочеиспускательного канала; 13 - язычок; 14 - предстательная железа; 15 - семенной бугорок; 16 - отверстия

семявыбрасывающих протоков

Рис. 2. Схемы расположения мочевого пузыря: а - наполненного, б - пустого. 1 - мочевой пузырь, 2 - лобковый симфиз, 3 - предпузырное пространство, 4 - поперечная пузырная складка, 5 - брюшина, 6 - прямокишечно-пузырное углубление; 7 - прямая кишка,

8 - уретра

Отрытие просвета происходит при давлении примерно 4-103 Па благодаря тоническому сокращению внутреннего сфинктера мочевого пузыря. Через несколько секунд происходит открытие поперечно-полосатого сфинктера. Сокращение детрузора сохраняется в течение всего периода опорожнения мочевого пузыря.

Физиологическая емкость мочевого пузыря - объем мочи в пузыре, при котором возникает позыв к мочеиспусканию. Физиологическая емкость мочевого пузыря у взрослых людей в норме колеблется в диапазоне 250-600 мл.

\

Рис. 3. Схема биомеханической модели мочевого пузыря

Биомеханическая модель мочевого пузыря (рис. 3) для исследования напряженно-деформированного состояния в момент открытия внутреннего сфинктера построена при следующих допущениях: 1) материалы мочевого пузыря и внутреннего сфинктера однородные и изотропные с приведенными модулями упругости Ем, Ес и коэффициентами Пуассона ум, V,;; 2) начальные напряжения в стенках мочевого пузыря и внутреннего сфинктера не учитываются; 3) шейка мочевого пузыря жестко защемлена на кольце шириной 10 мм; 4) к внутренней поверхности мочевого пузыря приложено гидростатическое давление р, при котором открывается внутренний сфинктер; 5) толщина стенки /-го наполненного мочевого пузыря плавно изменяется от кц = к/-к1 в верхушке до 1,67к1г- на границе участков верхней и средней трети мочевого пузыря и 2кц при основании (к1 = 3 мм); 6) кН - отношение высоты Н/ /-й

осесимметричной модели мочевого пузыря куполообразной формы к его наибольшей ширине

На рис. 4 приведены эпюры напряжений, перемещений и деформаций в мочевом пузыре с физиологическими объемами 263 мл (/ = 1) и 512 мл (/ = 2) в момент открытия внутреннего сфинктера при следующих геометрических параметрах и механических свойствах: Ем = 0,6 МПа, Ес = 1,2 МПа, vм = 0,45, Vc = 0,4; к1= к2 = 1; кН[ = 0,95; кН = 0,88; Н1 = 89 мм, Н2 = 98 мм; 81 = 94 мм; 82 = 112 мм.

На рис. 5 приведены зависимости напряжений и перемещений в мочевом пузыре с физиологическими объемами 263 мл (а, б) и 512 мл (в, г) в момент открытия внутреннего сфинктера от параметра к/, характеризующего изменение толщины стенки мочевого пузыря.

Исследование мочевого пузыря при патологии

Существует множество патологических состояний, приводящих к сморщиванию мочевого пузыря, утрате им сократительной способности.

Дивертикул - мешковидное выпячивание стенки мочевого пузыря, сообщающееся через шейку с основной его полостью. Причины формирования такого выпячивания могут быть разными: слабость стенки мочевого пузыря, повышенное внутрипузырное давление или сочетание этих факторов. У детей этот дефект чаще бывает врожденным, реже - приобретенным. Чаше отмечают одиночные, реже -множественные дивертикулы.

а, Н/мм2

В 26030 23910 21740 19560

■ 17390

■ 15220 13040 10870 8695

■6521 ,-4348 I 2174 Ш 0,02169

I

0,005192 0,001759 0,004327 0,003894

■ 0,003461

■ 0,003029

■ 0,002596

■ 0,002163

■ 0,001731

■ 0,001298 . 0,0008653 I 0,0004327

■ 0

и, м

1 0,001323 0,001213 0,001103 0,0009923 0,0008821 0,0007718 0,0006615 П,0005513 0,000441

аооаззоз

0,0002205 0,0001 103 ■ ■ О

а, Н/мм2

г51170 [46910 ■42640 38380 ■34110 ■29850 25590 21320 17060

(12790 8529 4264 3873

1

£

1

и, м

_■ 0,000248 I 0,0002273 ■0,0002066 ■0,0001860 ■0,0001653 ■0,0001446 0,000240 0,0001033 ■0,00008265 0,00006199 0,00004133 0,00002066 0

I

0,01037

0,009503

0,008639

0,007775

0,006911

0,006047

0,005183

0,004319

0,003456

0,002592

0,001728

0,0008639

0

Рис. 4. Эпюры напряжений (а, г), перемещений (б, д) и деформаций (в, е) в мочевом пузыре с физиологическими объемами 263 мл (а, б, в) и 512 мл (г, д, е) в момент

открытия внутреннего сфинктера

г

е

г-10 4. Па

//•10'. м

6-

4-

2-

о-10 4. Па

8

«10. м

■у-+к.

к. 1

Рис. 5. Зависимости напряжений и перемещений в мочевом пузыре с физиологическими объемами 263 мл (а, б) и 512 мл (в, г) в момент открытия внутреннего сфинктера от

параметра к/

Дивертикулы подразделяют на истинные, при которых стенка дивертикула представлена всеми слоями стенки мочевого пузыря, и ложные, образованные выпячиванием только слизистой мочевого пузыря через волокна детрузора. Множественные дивертикулы в большинстве случаев ложные [2].

Основные симптомы дивертикула мочевого пузыря: затруднение

мочеиспускания (иногда полная его задержка) и мочеиспускание в два приема -сначала опорожняется мочевой пузырь, затем - дивертикул.

Дивертикулы чаще всего локализуются на заднебоковых стенках мочевого пузыря (рис. 6). Они могут достигать большого размера, нередко сопоставимого с размером мочевого пузыря. Дивертикулы могут быть выявлены при ультразвуковом исследовании, при выполнении компьютерной или магнитно-резонансной томографии органов малого таза [5, 6]. В дивертикуле нередко возникают злокачественные новообразования. В отдельных случаях в полости дивертикула обнаруживаются камни. Наличие дивертикула приводит к застою в нем мочи (особенно при узкой шейке дивертикула), развитию цистита и пиелонефрита, образованию камней пузыря. Иногда в полость дивертикула (при больших его размерах) открывается одно из устьев мочеточника. Нередко в этих случаях нарушается замыкательная функция пузырномочеточникового соустья, в результате чего возникает пузырно-мочеточниковый рефлюкс с нарушением функции почек и атаками пиелонефрита. Истончение дивертикула приводит к его разрушению.

При реконструкции мочевого пузыря с дивертикулом проводится иссечение мешковидного выпячивания стенки пузыря. Получившийся дефект в стенке ушивается двухрядным швом.

г

Рис. 6. Схема мочевого пузыря с дивертикулом: 1 - мочевой пузырь; 2 - дивертикул

Рис. 7. Геометрическая схема биомеханической модели мочевого пузыря

с дивертикулом

При построении биомеханической модели мочевого пузыря с дивертикулом (рис. 7) для исследования напряженно-деформированного состояния в момент открытия внутреннего сфинктера в дополнение к допущениям при построении модели мочевого пузыря в норме введем следующие: 1) материал дивертикула однородный и изотропный с приведенным модулем упругости Ед, и коэффициентом Пуассона уд;

2) начальные напряжения в стенках дивертикула отсутствуют; 3) устье в шейке дивертикула круглое с внутренним радиусом Яу; 4) к внутренней поверхности дивертикула приложено гидростатическое давление р, при котором открывается внутренний сфинктер; 5) стенка дивертикула образована из сегмента мочевого пузыря, ограниченного устьем дивертикула; 6) толщина стенки наполненного дивертикула постоянная; 7) форма дивертикула шарообразная с внутренним радиусом Яд; 8) а - угол между осью дивертикула и горизонтальной плоскостью.

На рис. 8 приведены эпюры напряжений и перемещений в мочевом пузыре с дивертикулом при физиологическом объеме собственно мочевого пузыря в момент открытия внутреннего сфинктера 263 мл при следующих геометрических параметрах и механических свойствах: Ем = 0,6 МПа, Ес = 1,2 МПа, Vм = 0,45, vc = 0,4; к1= к2 = 1, кн = 0,95; Н1 = 39,7 мм; Ед = 0,3 МПа, у = 0,45, vc = 0,4; а = 45°. Значения модуля

упругости при различных образованиях дивертикула приведены в табл.

На рис. 9 приведены зависимости напряжений (а, в) и перемещений (б, г) в мочевом пузыре с радиусами устьев дивертикулов 10 мм (а, б) и 20 мм (в, г) при физиологическом объеме 263 мм в момент открытия внутреннего сфинктера от радиуса дивертикула.

Исследование мочевого пузыря при реконструкции

При лечении возникает необходимость в полном или частичном удалении мочевого пузыря и последующем его замещении или в увеличении его емкости.

Поиски оптимальных вариантов реконструктивных операций после удаления мочевого пузыря предпринимались еще в начале прошлого века, но и сегодня выбор оптимального метода отведения мочи остается одной из актуальных проблем урологии. Для реконструкции нижних мочевых путей после удаления мочевого пузыря использовались различные сегменты кишечника, однако пока не найдено идеальной замены естественному мочевому пузырю. Новый мочевой пузырь по своим параметрам и конфигурации следует максимально приблизить к естественному. Механизмы накопления и выведения мочи из него должны учитывать физиологические параметры пациента.

Основными принципами резекции мочевого пузыря являются: 1) удаление адекватного количества пораженной стенки, 2) замещение ее здоровым,

васкуляризированным кишечным трансплантатом, 3) увеличение анатомической емкости мочевого пузыря, 4) устранение симптомов заболевания. Преимуществами частичной резекция мочевого пузыря являются сохранение треугольника Льето и антирефлюксного механизма устьев мочеточников. При поражении всех отделов мочевого пузыря и наличии пузырно-мочеточниковых рефлюксов проводят полную резекцию пораженного органа [1, 7].

При реконструкции мочевого пузыря используются различные отделы желудочно-кишечного тракта от желудка до толстого кишечника. В выборе сегмента кишечника для создания искусственного мочевого пузыря руководствуются возрастом и соматическим состоянием больных, вариантами кровоснабжения, длиной и мобильностью брыжейки, наличием сопутствующих заболеваний кишечника и интраоперационными обстоятельствами.

Тонкий кишечник включает три отдела: двенадцатиперстную кишку (длиной 20-30 см), тощую кишку, имеющую в длину 1,5-2,5 м, и подвздошную кишку (длиной 2-3 м), в которую тощая кишка переходит без четкой границы. Общая длина тонкого кишечника составляет около 4 м в состоянии тонического напряжения (при жизни) и около 6-8 м в атоническом состоянии (после смерти).

Диаметр тонкой кишки уменьшается от начального отдела, где он колеблется от 3,5 до 4,8 см, к конечному, где он равен у места впадения в толстую 2,0-2,7 см.

Подвздошная кишка имеет меньший диаметр, разветвленные сосудистые аркады и более тонкую брыжейку. Питание стенки тонкой кишки сохраняется на расстоянии 15 см от основного сосуда. Брыжейка может быть отделена от стенки тонкой кишки на протяжении 15 см без развития ее некроза. Толщина стенки тонкой кишки в норме 1-3 мм.

о. Нг'мм2

536800 492000 \ 447300

- 402600

- 357800

- 313100

- 268400

- 223600 -178900

- 134200 1-89460 I 44730

0,005917

а. Н иті2

щ418500 I 383600 Ш- 348800 313900 279000 ■244100

■ 209300

■ 174400

■ 139500 -104600

К 69750 ■ 34880 *0,189

б

и, м

0,003154 0,002892 ■ 0,002629 ■ 0,0002366 0,0002103

- 0,000184 И - 0,0001577

0,0001314

-0,0001051

- 0,00007886 В 0,00005257 I 0,00002629 — 0

I

г 0,002745 10,002516 - 0,002287 •0,002058 -0,00183 0,001601 0,001372 0,001144 0,0009149 0,0006861 0,0004574 0,0002287 О

о, Н'мм2

к 1050000 1962500 *-875000 787500 •700000 612500 525000 437500 350000 -262500 Я 175000 I -87500 ® 0,02632

д е

Рис. 8. Эпюры напряжений (а, в, д) и перемещений (б, г, е) в мочевом пузыре с радиусом устьев и внутренних поверхностей дивертикулов соответственно: а, б - 5 мм (17,5 мм)

в, г - 10 мм (22,5 мм); д, е - 20 мм (35 мм)

г

Таблица

Значения модуля упругости при различных образованиях дивертикула_____________________

Яу, мм Характеристики дивертикула

5 Яд, мм 10 12,5 15 17,5 20

Нд , мм 0,3 0,19 0,13 0,1 0,08

Ед, МПа 0,6 1,5 3 4,5 6

10 Яд, мм 12,5 15 17,5 20 22,5

Нд , мм 0,78 0,53 0,3 0,19 0,13

Ед, МПа 0,6 1,5 3 4,5 6

20 Яд, мм 25 27,5 30 32,5 35

Нд , мм 0,77 0,63 0,53 0,45 0,39

Ед, МПа 0,6 1,5 3 4,5 6

Рис. 9. Зависимости напряжений (а, в) и перемещений (б, г) в мочевом пузыре с дивертикулом радиуса дивертикула с радиусами устья 10 мм (а, б) и 20 мм (в, г)

Толстая кишка имеет больший диаметр, более толстые стенки, что делает возможным имплантацию мочеточников в искусственный мочевой пузырь с антирефлюксной защитой. Вместе с тем, инфицированность толстого кишечника значительно выше.

Слепую кишку легче мобилизовать: сосудистая сеть в этой зоне более постоянная и легко может быть мобилизована, патология слепой кишки встречается реже.

В отличие от слизистой оболочки мочевого пузыря, которая является относительно непроницаемой, кишечная слизистая оболочка абсорбирует и секретирует различные вещества. Когда кишечная слизистая оболочка контактирует с мочой, в результате физиологического обмена водой и растворами между мочой и кровью могут развиться метаболические осложнения. Потеря отдельных сегментов желудочно-кишечного тракта может способствовать развитию желудочно-кишечных и других метаболических осложнений [4].

Рис. 10. Схема этапов формирования резервуара мочевого пузыря

Все существующие методики реконструкции разделяют на два вида: 1) «петлевые» - изолированный сегмент кишки располагают в виде кольца, латинских букв U, L либо помещают вертикально; 2) формирование округлого искусственного мочевого пузыря после детубуляризации и реконфигурации кишечного сегмента. Более оправданно с анатомических и функциональных позиций формирование мочевого пузыря из детубуляризированного сегмента подвздошной кишки. Создание резервуара округлой формы с низким внутрипузырным давлением не только способствует лучшему восстановлению накопительной и эвакуаторной функций, но и препятствует развитию пузырно-мочеточниковых рефлюксов.

Удержание мочи при создании искусственного мочевого пузыря осуществляется за счет наружного сфинктера мочевого пузыря. Поэтому непременным условием оперативной техники является пересечение уретры примерно на 1 см выше наружного сфинктера.

Рассмотрена конструкция резервуара искусственного мочевого пузыря (рис. 10), сформированного из сегмента подвздошной кишки по методу VIP (Vesica Ileale Padovana) [5]. Отличие этой конструкции от других состоит в реконфигурации сегмента кишки, при которой последняя как бы накручивается сама на себя. К достоинствам метода относятся: форма тонкокишечного резервуара, близкая к сферической; использование короткого сегмента кишки; естественное (ортотопическое) расположение резервуара в малом тазе, а также отсутствие необходимости транспозиции одного из мочеточников для выполнения его имплантации в тонкокишечный резервуар.

При формировании нового мочевого пузыря из отрезка подвздошной кишки возникает патофизиологическое подтверждение в феномене «матурации», использованной для отведения мочи стенки кишки. Хотя «матурация» дословно переводится как «созревание», применительно к теме отведения мочи она означает динамический, структурный и фармакологический ответ имплантированного в мочевые пути кишечного сегмента, который постепенно приобретает свойства естественного мочевого пузыря. Этот феномен присущ только подвздошной кишке, что отнюдь не происходит с толстым кишечником. Матурация резервуара продолжается около 1-6 недель после реконструкции, являясь для пациента идеальным вариантом.

Рис. 11. Геометрическая схема содержательной модели реконструированного резервуара

мочевого пузыря

131900

120900

109900

98930

87940

76960

65980

54990

44010

33020

22040

11060

7,227

и, М

10,002942 0,002697 0,002452 0,002206 ■0,001961

■ 0,001716

■ 0,001471

■ 0,001226 0,0009806

■ 0,0007355

■ 0,0004903 I 0,0002452

■о

а

б

Рис. 12. Эпюры напряжений (а) и перемещений (б) в реконструированном резервуаре

мочевого пузыря при объеме 411 мл

-►/. см

Рис. 13. Зависимости напряжений (а) и перемещений (б) от длины сегмента подвздошной

кишки

Геометрическая схема биомеханической модели реконструированного мочевого пузыря приведена на рис. 11. В дополнение к допущениям при построении модели мочевого пузыря в норме введены следующие: 1) материалы искусственного мочевого пузыря и рубцов однородные и изотропные с приведенными модулями упругости Еим, Ер и коэффициентами Пуассона ум, ур; 2) ширина рубцов h постоянная.

На рис. 12 приведены эпюры напряжений и перемещений в резервуаре искусственного мочевого пузыря с физиологическим объемом V1 = 411 мл в момент открытия внутреннего сфинктера. Резервуар сформирован из сегмента подвздошной кишки длиной 40 см, диаметром 2,5 см и толщиной стенки сегмента 3 мм. Высота резервуара Н = 72 мм, ширина £ = 147 мм; приведенные модули упругости соответственно искусственного мочевого пузыря, сфинктера и рубца Еим = 5,4 МПа, Ес = Ер = 10,8 МПа, коэффициенты Пуассона уим = ур= 0,45, ус = 0,4. Зависимости напряжений и перемещений в резервуаре искусственного мочевого пузыря от длины сегмента подвздошной кишки I приведены на рис. 13.

Заключение

Разработанный алгоритм построения моделей и анализа напряженно-деформированного состояния мочевого пузыря в норме, при патологии и при реконструкции позволяет проводить: 1) биомеханические исследования состояния мочевого пузыря пациента; 2) определять критическое состояние мочевого пузыря;

3) выбирать оптимальный вариант формы реконструированного мочевого пузыря в зависимости от свойств имплантата.

Список литературы

1. Даренков, С. П. Кишечное замещение мочевого пузыря с формированием континентной кутанеостомы / С.П. Даренков, В.А. Ковалев, С.Б. Оччархаджиев, В.К. Дзитиев, Ю.В. Самсонов // Урология. - 2006. - № 1. - С. 33-39.

2. Зубарев, А.В. Диагностический ультразвук. Уронефрология / А.В. Зубарев, В.Е. Гажонова. - М.: СТРОМ, 2002. - 234 с.

3. Кернесюк, Н.Л. Закономерность структурной организации мышечных оболочек перистальтирующих органов. Строение мочевого пузыря и мочеточника, прикладное значение (описание открытия) / Н.Л. Кернесюк, М.Н. Кернесюк / Урал. гос. мед. акад. - Екатеринбург, 2005. - 64 с.

4. Кованов, В.В. Оперативная хирургия и топографическая анатомия / под ред. В.В. Кованова 4-е изд., дополнен. - М.: Медицина, 2001. - 408 с.

5. Лопаткин, Н. А. Урология / под ред. Н. А. Лопаткина. - М.: Медицина, 1995. - 496 с.

6. Лопаткин, Н.А. Урология: учеб. / Н.А. Лопаткин, А.Г. Пугачев, О.И. Аполихии, Г.И. Варенцов,

A.П. Данилков. С.П. Даренков, Н.К. Дзеранов, Д.Г. Дмитриев, Ю.И. Захматов, А.А. Камалов,

B.А. Ковалев, С.Б. Мазо, А.Г. Мартов, А.В. Сивков, СВ. Суханов, Ю.К. Чепуров. Э.К. Яненко; под ред. Н.А. Лопаткина. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. - 520 с.

7. Морозов, А.В. Ортотопический энтеро-неоцистис низкого давления / А.В. Морозов, К. А. Павленко. - М.: Медпрактика, 2006. - 160 с.

8. Русаков, И.Г. Метод формирования мочевого резервуара у больных после цистэктомии / И.Г. Русаков, А.А. Теплов, Д.В. Перепечин [и др.] / ФГУ МНИОИ им. П. А. Герцена Росздрава. -М., 2006. - 12 с.

BIOMECHANICAL MODELLING OF THE BLADDER IN NORM, AT THE PATHOLOGY, AND RECONSTRUCTION

I.I. Al-Mujahed (St. Petersburg, Russia)

In the present paper, the analysis of the bladder stress-strain in the norm, at the pathology, and reconstruction state was carried out on the basis of developed biomechanical models. An investigation of the relation between stress-strain state of the normal, pathological, and artificial bladders and their geometrical parameters at the moment of internal sphincter opening is conducted.

Key words: bladder, detrusor, diverticulum, reservoir, intestine, biomechanical model, stress, deformation.

Получено 4 мая 2009