CC BY
15
УДК 612.15:611.145.11
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОТОКА В МОДЕЛИ СИГМОВИДНОГО СИНУСА ЧЕЛОВЕКА
А.А. Тулупов13, В.Н. Горев2 3
1ФГБУНИнститут «Международный томографический центр» СО РАН Новосибирск, Россия
2ФГБУН «Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН Новосибирск, Россия
3Новосибирский государственный университет Новосибирск, Россия
Аннотация. В работе методом магнитно-резонансной томографии исследовали модель сигмовидного синуса человека. Показано, что данная венозная сосудистая структура формирует на выходе из полости черепа поток с сильной продольной завихренностью. При этом вращение потока формируется за счет сложной асимметричной формы канала.
Ключевые слова: сигмовидный синус, магнитно-резонансная томография.
Цель и задачи исследования. Развитие таких методов лучевой диагностики, как ультразвуковое исследование (УЗИ), мультиспиральная компьютерная томография (МСКТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ), сделало более доступным изучение течений биологических жидкостей (крови, ликвора, желчи, мочи и др.) в организме человека. Пожалуй, будет справедливым сказать, что такими исследованиями занимаются многие медицинские учреждения, имеющие необходимое оборудование [1; 2]. Однако измерения на пациентах накладывают ряд ограничений на эксперимент, например, нельзя увеличить размер сосуда, изготовить новый, также затруднительно проведение длительных экспериментов. Именно поэтому для подробных исследований требуются эксперименты на моделях. В этом случае возникают проблемы с моделированием стенок, особенно эластичных, а также создание заданных условий на входе модели. Большая часть работ по исследованиям на моделях лишь качественно повторяет течения в живом организме. С другой стороны, активно ведут-
ся исследования на физических, упрощенных моделях, например, каналов с ветвлениями, а также каналов с локальными сужениями или расширениями, имитирующих стеноз, тромбоз или аневризму.
Несмотря на это, количество фактических данных в литературе пока недостаточно и не дает возможности создать целостную картину кровообращения в организме человека, оставляя нерешенным круг задач, связанных с характером течения жидкостей (крови) в полых трубчатых структурах (сосудах), требующих моделирования с увеличением масштаба и сохранением гидродинамического подобия течения, учитывая физико-химические свойства жидкости и строение сосудистой стенки (жесткая или эластичная).
Материалы и методы исследования. В работе проведено исследование характера течения крови в сигмовидном синусе — участке сложной системы венозных коллекторов центральной нервной системы человека, который находится на выходе из полости черепа. Исследование проведено на масштабной модели данной сосудистой струк-
—--
Журнал включен в Перечень рецензируемых научных изданий ВАК
The Journal of scientific articles "Health and Education Millennium", 2016. Vol. 18. No 12
—--—
туры с сохранением подобия по числу Рейнольдса (Red « 100). Все измерения проведены на МР-то-мографе «Achieva» фирмы «Philips» с напряженностью магнитного поля 1,5 Тесла. В исследовании использована методика количественной оценки потока Quantitative Flow на основе двухмерной фазо-контрастной МР-ангиографии.
Основные результаты. На основании геометрии сигмовидного синуса здорового добровольца, полученной при проведении МР-ангиографии, была создана компьютерная модель канала данного сосуда, которая затем была выполнена из пластика методом 3Б-печати. В настоящем эксперименте в качестве граничных условий на входе использовался легко воспроизводимый профиль Пуа-зеля — установившееся ламинарное течение в круглой трубе, имеющее параболический профиль, а также профиль, моделирующий течение на входе в этот участок сосуда в естественных условиях. Весь макет был подключен к водяному насосу.
Предварительные измерения при больших расходах жидкости показали, что расход жидкости, вычисленный интегрированием профиля Пуазеля на входе в модель, который был получен в результате проведенной фазо-контрастной МР-ангиогра-фии, составил: V2 = 9,4 мл/с, что не более чем на 5% отличается от заданных значений объемной скорости потока V1 = 9,0 мл/с, измеренной по ротаметру (РМ-02-0,04ЖУЗ). Подобное модельное исследование подтверждает точность измерений скоростных характеристик потока крови методом фазо-контрастной МР-ангиографии у людей и объясняет высокую корреляцию данных, полученных с помощью МРТ-методик количественной оценки потока и транскраниальной допплерографии.
В результате проведенных измерений выявлено, что канал сигмовидного синуса разворачивает поток крови примерно на 90 градусов относительно его первоначального направления и направляет в яремную вену. Однако при этом форма канала избыточно сложна — вместо простого поворотного канала сигмовидный синус состоит из двух сложных колен. Как показали измерения полей скорости, оба колена придают потоку крови продольную завихренность, причем в одном направлении. В итоге на выходе из канала синуса
наблюдается интенсивно вращающийся поток, с шагом спиральной линии тока в ядре течения примерно равным диаметру канала.
Выводы. В результате проведенных измерений выявлено, что канал сигмовидного синуса разворачивает поток крови примерно на 90 градусов относительно его первоначального направления и направляет в яремную вену. Как показали измерения полей скорости, сигмовидный синус формирует на входе из полости черепа поток с сильной продольной завихренностью, причем в одном направлении. В итоге на выходе из канала синуса наблюдается интенсивно вращающийся поток с шагом спиральной линии тока в ядре течения примерно равным диаметру канала. Полученные в результате исследования качественные и количественные данные об особенностях потока жидкости в модели сигмовидного синуса человека расширяют фундаментальные представления о характере венозного оттока от головного мозга, что, несомненно, позволяет глубже раскрыть физиологические механизмы церебральной гемодинамики и открывает принципиально новое направление для дальнейших научных исследований в этой области.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-35-00020) в части работ по магнитно-резонансной томографии, гранта Президента РФ (проект №МД-5175.2016.7) в части работ по моделированию потока и при финансовой поддержке ФАНО России по теме 0333-2014-0003 в теоретической части.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прийма Н.Ф., Иванов Д.О., Бурэ Н.П., Попов В.В. Эхокардиографические критерии оценки закручивания потока крови в полости левого желудочка в период его диастолы у детей // Артериальная гипер-тензия. 2009. Т. 15. № 5. С. 610—614.
2. Система кровообращения и артериальная гипертония: биофизические и генетико-физиологические механизмы, математическое и компьютерное моделирование / [С.Н. Багаев и др.] отв. ред. Л.Н. Иванова, А.М. Блохин, А.Л. Маркель. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. Интеграционные проекты СО РАН; вып. 17.
—--—
Журнал включен в Перечень рецензируемых научных изданий ВАК
Тулупов АА., Горев В.Н. Гидродинамические особенности потока в модели сигмовидного синуса человека
—--—
HYDRODYNAMIC PECULIARITIES OF FLUID FLOWS IN A MODEL OF HUMAN SIGMOID SINUS
A.A. Tulupov1'3, V.N. Gorev2'3
1 International Tomography Center, SB RAS, Novosibirsk, Russia
2Khristianovich's Institute of Theoretical and Applied Mechanics, SB RAS, Novosibirsk, Russia 3Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
Annotation. In this work a method of magnetic resonance imaging model was used for investigation human sigmoid sinus. It is shown that the venous vascular structure forms at the exit from the skull cavity with a strong longitudinal flow vorticity. Thus, the flow generated by the rotation of the channel complex asymmetrical shape.
Key words: sigmoid sinus, magnetic resonance imaging.
REFERENCES
1. Priyma N.F., Ivanov D.O., Bure N.P., Popov V.V. Echocardiography criteria tightening blood flow assessment in the cavity of the left ventricle during diastole his children.
Arterial gipertenziya, 2009, vol. 15, no. 5, pp. 610—614.
2. Bagaev S. et al. The circulatory system and hypertension: biophysical and genetic and physiological mechanisms, mathematical and computer modeling. Holes. Ed. L.N. Ivanova, A.M. Blokhin, A.L. Markel. Novosibirsk: Publishing House of the SB RAS, 2008. Integration projects of SB RAS. Vol. 17.
