CC BY
88
А_
БИОФИЗИКА И МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
УДК 625.855.3
А.Д. Юхнев, Д.Э. Синицына
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ КРОВЕНОСНЫХ СОСУДОВ
Кровеносные сосуды — эластичные трубчатые образования в теле животных и человека, по которым силой ритмически сокращающегося сердца или пульсирующего сосуда осуществляется перемещение крови по организму: к органам и тканям по артериям, артериолам, артериальным капиллярам, и от них к сердцу — по венозным капиллярам, венулам и венам.
При разработке новых технологий хирургии кровеносных сосудов и обучении специалистов необходимо иметь наглядные пособия, позволяющие достаточно точно воспроизводить геометрические и физико-механические свойства артерий. Использование реального биоматериала для этой цели может быть неудобным, поскольку он непрозрачен и не позволяет прово-
дить наблюдения за движением хирургических инструментов. Изготовление упругих имитаторов сосудов является важной составляющей при проведении экспериментов, связанных с изучением механики кровообращения [1—3]. В большинстве экспериментов используются имитаторы сосудов, изготовленные из силикона. Однако найти силиконовую трубку с толщиной стенки и модулем упругости естественного кровеносного сосуда достаточно сложно. Как правило, при моделировании имитаторов сосудов добиваются равенства коэффициентов податливости к = Д^/Др стенки модели и стенки естественного сосуда, где Дd — приращение диаметра, вызванное увеличением давления на величину Др.
Классификация имитаторов сосудов
Силиконовая модель сосуда Толщина стенки модели Имитатор кровотока Тканеэкви-валентный материал Преимущество имитатора кровотока
Бесстеночная 0 Тренажер для сосудистой ангиографии Полиуретан Силикон Агар-агар Простота изготовления
Толстостенная > 1 мм Тренажер для ультразвуковой доплеровской диагностики Агар-агар Точность воспроизведения гидродинамических параметров
Тонкостенная < 1 мм Исследовательский стенд Агар-агар Моделирование физиологии
t
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 3' 2012
Имитаторы кровотока содержат следующие основные элементы:
насосное устройство с регулятором амплитуды и частоты расхода;
модели сосудов, проложенные в контейнере, заполненном тканеэквивалентными материалами;
соединительные магистрали замкнутого гидравлического контура с движущейся крове-имитирующей жидкостью.
Разнообразие имитаторов кровотока, применяемых при обучении врачей, при метрологической аттестации медицинских приборов, при разработке и исследовании протезов элементов сердечно-сосудистой системы выдвигает особые требования к моделям кровеносных сосудов, применяемых в перечисленных конструкциях [4, 5]. В таблице приведены три модификации силиконовых моделей сосудов, которые используются в имитаторах кровотока различного назначения.
Цель настоящей работы — создание технологии изготовления трех модификаций моделей кровеносных сосудов для имитатора кровотока в сонной артерии. В связи с поставленной целью было необходимо выбрать технологические параметры моделей, измерить коэффициенты податливости полученных тонкостенных моделей и сонной артерии человека.
Отработка технологии изготовления сосудов
В качестве исходного материала для изготовления модели была выбрана смесь, со-
стоящая из силиконового каучука Silastic T-4, отвердителя Silastic Т-4, разбавителя DC-200 и катализатора Syl-Off® 4000 фирмы DowCom-ing. Разбавитель необходим для снижения вязкости смеси, а также для уменьшения твердости готового полимера. Время полного отверждения смеси составляет 24 часа. Добавление катализатора ускоряет процесс, уменьшая время отверждения до двух часов. Была проведена оптимизация соотношения компонентов силиконовой смеси; для чего варьировались концентрации составляющих. Из семи различных пробных смесей были изготовлены силиконовые модели сосудов.
Для изготовления моделей сосудов использовались две технологии: отливка (для толстостенных и бесстеночных моделей) и нанесение силиконовой смеси на поверхность формы (для тонкостенных моделей).
Для всех модификаций моделей сосудов перед нанесением приготовленного состава на поверхность или заполнением формы из силиконовой смеси, при помощи вакуумной камеры удалялись воздушные пузыри, образующиеся в процессе смешивания компонентов. Удаление воздушных пузырей — это важная технологическая операция, поскольку ультразвук не проходит через воздушные прослойки и при их наличии возникают трудности при анализе ультразвукового изображения. Схема технологической установки для дегазации силиконовой смеси приведена на рис. 1,а.
Рис. 1. Блок-схемы использованных технологических установок для дегазации силиконовой смеси (а): 1 — вакуумная камера, 2 — манометр, 3 — вакуумный насос; а также для сушки тонкостенных моделей (б): 1 — автотрансформатор, 2 — электродвигатель, 3 — модель сосуда
*
Биофизика и медицинская физика
Для получения бесстеночных моделей дегазированной силиконовой смесью наполнялся контейнер размерами 90 х 50 х 14 мм с закрепленной в нем пластиковой трубкой диаметром 6 мм. После отверждения смеси модель извлекалась из контейнера, а трубка из модели.
При отливке толстостенной модели силиконовой смесью заполнялась форма, состоящая из двух вложенных друг в друга пластиковых трубок длиной 100 мм, внешними диаметрами 10 и 14 мм, толщиной стенок 2 мм.
При изготовлении тонкостенной модели сосуда составлялась силиконовая смесь, про-
водилась ее дегазация, затем смесь наносилась на пластиковую трубку, и полученный полуфабрикат сушился при его постоянном вращении (рис. 1,6). После высыхания и отверждения модель сосуда снималась с формы. Образцы изготовленных моделей представлены на рис. 2.
Исследование податливости сосудов
Сравнение податливости общей сонной артерии человека (здоровый волонтер) и тонкостенных моделей проводилось для оценки точности моделирования артерии.
Рис. 2. Образцы изготовленных силиконовых моделей сосудов: 1 — бесстеночная, 2 — толстостенная, 3 — тонкостенная
11
Рис. 3. Экспериментальная установка для исследования податливости моделей сосудов: 1 — насос «Пульсатор»: 1.1 — контроллер, 1.2 — насос; 2 — акустическая ванночка с водой; 3 — модель сосуда; 4 —соединительные магистрали; 5 — тензометрический датчик давления; 6 — усилитель; 7 — анало-гово-цифровой преобразователь; 8 — ультразвуковой сканер LogicScan64; 9 — координатное устройство; 10 — ультразвуковой датчик; 11 — цифровая видеокамера; 12 — компьютеры
4
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 3' 2012
а)
б)
Рис. 4. Ультразвуковые изображения продольного сечения: а — общей сонной артерии человека,
б —тонкостенной силиконовой модели
Рис. 5. Изменение диаметров общей сонной артерии (1) и модели сосуда (2), а также давления жидкости в модели (3) и крови в сонной артерии (4) за один цикл пульсации
терии человека (1) и модели сосуда (2, 3) от давления в пульсирующих потоках крови и модельной жидкости. Использованы ультразвуковой (1, 2) и
оптический (3) методы измерения диаметра. Полученные зависимости аппроксимируются следующими уравнениями: D = 0,0952Р + 4,87 (1); D = 0,0325Р + 6,62 (2); D = 0,0282Р + 6,31 (3)
Определение коэффициента податливости силиконовой модели проводилось в условиях пульсирующего потока жидкости (рис. 3).
Измерение диаметра модели сосуда проводилось двумя способами: при помощи ультразвукового сканера LogicScan 64 (8) и видеокаме-
ры Sony NEX-5ND (11). В программе Echo Wave II сканера записывалась кинопетля пульсаций стенок модели. После выделения нескольких циклов пульсаций модели сосуда на кинопетле, измерялся диаметр модели на каждом кадре при помощи программы Echo Wave II. Аналогично
t
Биофизика и медицинская физика
производилось определение диаметра модели оптическим методом. Отличие состояло лишь в том, что покадровая обработка кинопетли осуществлялась в программе Adobe Photoshop. Давление измерялось при помощи тензометри-ческого датчика (3), сигнал которого через усилитель и аналого-цифровой преобразователь (7) поступал на компьютер (12), регистрировался и обрабатывался в программе Power Graph.
Аналогично определялась при помощи ультразвукового сканера зависимость диаметра общей сонной артерии от времени. Ультразвуковой датчик располагался вдоль сосуда для получения изображения его продольного сечения (рис. 4).
Пульсовая кривая давления в общей сонной артерии взята из работы [3]. По полученным данным строились зависимости давления жидкости, а также диаметра сосуда человека и модели сосуда от времени (рис. 5). При этом совмещались по времени пиковые значения как давлений, так и диаметров.
По графику зависимости диаметра сосудов от приложенного внутрисосудистого давления (рис. 6) определялись коэффициенты податливости силиконовой модели и общей сонной артерии человека.
В результате исследований семи образцов моделей сосудов с толщиной стенки 0,2 — 0,8 мм из силиконовых смесей различных составов подобраны два технологических параметра: состав силиконовой смеси и толщина стенки модели,
обеспечивающие максимальный коэффициент податливости. Изготовленная из силиконовой смеси (в объемном соотношении силиконового каучука, отвердителя, разбавителя и катализатора 100 : 10 : 30 : 2, соответственно) модель сосуда с внутренним диаметром 6 мм и толщиной стенок 0,3 мм имеет коэффициент податливости 0,030 ± 0,005 мм/кПа, а общая сонная артерия человека — 0,100 ± 0,005 мм/кПа. Современные исследования приводят диапазон значений податливости здоровой сонной артерии, равный 0,10 ± 0,03 мм/кПа [8]. Следовательно, для более точного моделирования сонной артерии с заданной податливостью необходимо дальнейшее развитие технологии изготовления моделей сосудов — увеличение доли разбавителя в смеси либо уменьшение толщины стенки модели.
Таким образом, разработаны два технологических метода изготовления — отливка и нанесение на поверхность силиконовой смеси — трех видов моделей кровеносных сосудов: бесстеночных, толстостенных и тонкостенных. В результате исследований тонкостенных моделей сосудов в условиях пульсирующего потока и сонной артерии в организме человека определены их коэффициенты податливости: 0,030 ± 0,005 и 0,100 ± 0,005 мм/кПа, соответственно.
Работа выполнена в рамках проекта УМНИК 10011R/16805 от 01.02.2012 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Sulaiman, A. In vitro non-rigid life-size model of aortic arch aneurysm for endovascular prosthesis assessment [Текст] / A. Sulaiman, J.M. Serfaty // Eur. J. of Cardiothorac. Surg. - 2008. - Vol. 33. - P. 53-57.
2. Саврасов, Г.В. Модель артериальной системы человека [Текст] / Г.В. Саврасов, А.Ф. Батанов, С.Г. Гусаров // Медицинская техника. - 2011. - Т. 267. -№ 3. - С. 1 - 6.
3. Zhao, S.Z. Blood flow and vessel mechanics in a physiologically realistic model of a human carotid arterial bifurcation [Текст] / S.Z. Zhao, X.Y. Xu, A.D. Hughes, [et al.] // J. Biomech. - 2000. - Vol. 33. - P. 975-984.
4. Shau, Y. Noninvasive assessment of the viscoelas-ticity of peripheral arteries [Текст] / Y. Shau, C. Wang, J. Shieh, T. Hsu // Ultrasound in Med. & Biol. - 1999. -Vol. 25. - P. 1377 - 1388.
5. Yu, C. Development of an in vitro tracking system with poly(vinyl alcohol) hydrogel for catheter motion
[Текст] / C. Yu, H. Kosukegawa, K. Mamada, [et al.] // J. of Biomechanical Science and Engineering. — 2010. — Vol. 5. - P. 11 - 17.
6. Ji, J. Flow and deformation in multi-component arterial stenosis model [Текст] / J. Ji, S. Toubaru, S. Ko-bayashi, [et al.] // J. of Biomechanical Science and Engineering. - 2010. - Vol. 6. - P. 79 - 88.
7. Kung, E. In vitro of finite element analysis of blood flow in deformable models [Текст] / E. Kung, S.A. Les, C.A. Figuroa, [et al.] // Annals of Biomedical Engineering. - 2011. - Vol. 39 - P. 1947 - 1960.
8. Ariff, B.B. Carotid artery hemodynamics: Observing patient - specific changes with amlodipine and lisinopril by using MR imaging computation fluid dynamics [Текст] / В.В. Ariff, F.P. Glor, L.Crowe, [et al.] // Radiology. - 2010. - Vol. 257. - № 3. - P. 662 -669.
