Крововилив в мозок більше не вирок | Новосибірський державний університет

1. «Кров існує тільки в русі»
2. «Ризик зведений до мінімуму»

Кожна шоста людина з геморагічним інсультом - крововиливом в мозок, викликаним розривом судин, вмирає в машині швидкої допомоги. Ризик крововиливи, що приводить до летального результату або важких неврологічних наслідків, залишається високим навіть після успішної операції на судинах. Наблизитися до розуміння законів руху крові в судинах головного мозку і методів управління кровотоком, щоб повністю контролювати хід операцій на судинах головного мозку і звести до мінімуму післяопераційні ризики, дозволили результати роботи великого колективу, який об'єднав нейрохірургів з «фундаментальними» механіками і математиками в рамках міждисциплінарного проекту «Мозок і нейронауки».

Судинні захворювання центральної нервової системи є однією з основних причин смертності в усьому світі, в тому числі і в Росії. Лікування таких патологій як аневризми і вроджена артеріовенозна мальформація полягає в їх повному «виключенні» з кровотоку, яке проводиться шляхом ендоваскулярної (внутрішньосудинної) або відкритої операції на судинах мозку.

Зліва: вимкнена із загального кровотоку артериовенозная мальформация, заемболізірована. Справа: вимкнена із загального кровотоку артеріальна аневризма, заповнена пружними спіралями-койлами. Ангіограми виконана в ННІІПК ім. акад. Е. Н. Мешалкина

Щорічно в Росії приблизно у 15 осіб з кожних 100 тисяч відбувається розрив аневризми (випинання стінки судин мозку), і близько 15% таких хворих гине, не встигаючи доїхати до лікарні. У половини пацієнтів крововилив повторюється протягом наступних шести місяців - в цьому випадку смертність сягає 70%

Нейрохірурги у всьому світі давно оперують подібні патології, але проблема в тому, що навіть після успішної операції у пацієнта може статися крововилив, що значно збільшує ризики, в тому числі - летального результату. Чому дві абсолютно однакові операції закінчуються для пацієнтів по-різному? Як спрогнозувати ефективність майбутньої операції?

Саме ці питання привели нейрохірургів ННІІПК ім. акад. Е. Н. Мешалкина до усвідомлення необхідності вивчення механізмів утворення аномалій і гемодинаміки головного мозку. За допомогою звернулися до вчених з Інституту гідродинаміки ім. акад. М. А. Лаврентьєва СО РАН. Так почалися мультидисциплінарні дослідження, результати яких лягли в основу нових методів лікування судинних аномалій.

Учасники проекту РНФ «Мозок і нейронауки»: Інститут гідродинаміки ім. М. А. Лаврентьєва СО РАН, Інститут теоретичної і прикладної механіки ім. С. А. Христиановича СО РАН, Фіц Інститут цитології і генетики СВ РАН, Міжнародний томографічний центр СО РАН, Новосибірський державний університет, Володимирський державний університет, Новосибірський науково-дослідний інститут патології кровообігу ім. академіка О. М. Мешалкина, НДІ нейрохірургії ім. Н. Н. Бурденко

У своїх інтерв'ю кореспонденту журналу «НАУКА з перших рук» ключові учасники проекту - Кирило Юрійович Орлов, нейрохірург, керівник Центру ангіоневрології і нейрохірургії ННІІПК ім. акад. Е. Н. Мешалкина, і д. Ф.-м. н. Олександр Павлович Чупахін, завідувач лабораторією диференціальних рівнянь ІГіЛ СО РАН і завідувач кафедрою вищої математики ММФ НГУ, - розповіли про те, як диференціальне рівняння, що описує поведінку нелінійної пружинки, зануреної в в'язку середу, і вдосконалений російськими програмістами американський прилад радикально змінили принципи нейрохірургічних операцій і значно знизили ризик післяопераційних ускладнень.

«Кров існує тільки в русі»

Кирило Юрійович Орлов - лікар, судинний нейрохірург, керівник центру ангіоневрології і нейрохірургії ННІІПК ім. акад. Е. Н. Мешалкина

К. Ю. Орлов: Нейрохірурги давно мають справу з артеріальною аневризмою - випинанням стінки артеріальних судин і артеріовенозної мальформації - спутаним судинним клубком, що утворюється під час ембріонального розвитку через помилки у формуванні судини. Першу операцію по «виключення» аневризми за допомогою спеціальної кліпси зробив американський нейрохірург Уолтер Е. Денді на початку минулого століття - так почалася ера судинної нейрохірургії. У 1980-х рр. на зміну відкритим операціям на мозку прийшла ендоваскулярна нейрохірургія. Початок їй поклав радянський професор Ф. А. Сербиненко, який придумав спеціальні балони-катетери - «повітряні кульки», які через прокол в шиї «добиралися» до аневризми. У 1970 р Сербиненко за допомогою балонів-катетерів успішно провів операцію на внутрішній сонній артерії. Пізніше балони Сербиненко стали застосовуватися і для лікування аневризм і артеріовенозних мальформацій.

Зліва: Артеріальна аневризма (АА) - випинання стінки артерії внаслідок її розтягнення. Матеріал стінки аневризми відрізняється від матеріалу стінки здорового судини. Ангіограма виконана в ННІІПК ім. акад.Е. Н. Мешалкина. Справа: гігантська артеріальна аневризма, комп'ютерна томографія

Сьогодні для лікування аневризм використовуються зовсім інші методи: в аневрізматіческого порожнину впроваджують конструкції з різних металів (спіралі, стенти), що дозволяють досягати результату з мінімальним числом ускладнень. І хоча частота таких аномалій висока - з 100 чоловік приблизно у 10 є артеріальна аневризма, - їх можна діагностувати за допомогою МРТ, а завдяки сучасним технологіям пацієнт повертається додому вже через пару днів після операції.

Складніше йде справа з артеріовенозної мальформації (АВМ), яка утворюється під час ембріонального розвитку через помилки у формуванні судин - виглядає вона як закручений клубок. Діагностувати її на ранньому етапі складно, так як до певного віку (зазвичай до 30 років) ця аномалія ніяк себе не проявляє. Суть лікування АВМ полягає в її повному виключенні з кровотоку - емболізації, для чого в патологічні судини вводять спеціальні речовини, «заклеювати» аномалію. Раніше частини АВМ «відключали» по черзі, але недавно з'явився препарат Onyx, який дозволяє повністю вимикати аномалію введенням емболізата в один з судин. Прекрасний препарат, якби частота крововиливів під час і після такої операції не виявилася такою високою - від 2 до 16,7%.

Наша співпраця з Інститутом гідродинаміки СО РАН почалося з пошуку відповідей на питання, які постали перед нами при лікуванні саме цієї патології. Справа в тому, що по АВМ йде дуже великий потік крові, але до мозку він не доходить і скидається в вени - так аномалія «обкрадає» головний мозок. Щоб заповнити втрати, поруч з аномалією формуються нові судини, які живлять мозок. І коли лікар повністю вимикає АВМ, весь кровоносну потік спрямовується по цих судинах, які рвуться, бо вони не готові до такого натиску. Так виникають післяопераційні крововиливи. Тому перше питання стосувалося обсягу аномалії, який допустимо «вимкнути» за одну операцію - 10, 15, 30%?

Наступне питання - з яких судин починати емболізацію? Клубок АВМ складається з судин різного діаметра: тут і великі фістули - трубки діаметром кілька міліметрів, - і среднесосудістая частина - діаметром менше міліметра - і «ниточки». В судинах різного діаметру кров тече з різною швидкістю. Нейрохірурги частіше починають з дрібних судин - чи правильно це?

Після процедури емболізації пацієнта відпускають на півроку. Практика показує, що за цей період кровопостачання повністю перебудовується. Але за ці ж півроку у 2% пацієнтів відбувається крововилив - як уникнути цього? Як визначити, коли закінчився процес перебудови гемодинаміки?

Медицина не така точна наука, як математика, часто лікарям під час операцій доводиться імпровізувати, змінювати намічений сценарій. Щоб відповісти на ці питання, нам потрібні були точні дані, розуміння механіки гемодинаміки при аномаліях в цифрах - спільно з колегами-математиками їх вдалося отримати.

Олександр Павлович Чупахін - д. Ф.-м. н., професор, завідувач лабораторією Інституту гідродинаміки СО РАН, завідувач кафедри вищої математики механіко-математичного факультету НГУ

А. П. Чупахін: Розглядати роботу головного мозку як механічну - дуже незвично. Тільки задумайтеся: весь складний каскад молекулярних, біологічних і фізіологічних процесів, які дозволяють нам підняти руку при зустрічі, відповідають за наше розуміння точних наук і любов до музики, - все це запускається кровотоком в головному мозку.

Кров - дуже загадкова субстанція, що існує тільки в русі. Коли кров зупиняється, вона перестає бути кров'ю. А зупиняється вона тоді, коли порушується цілісність судин: найменший перебій в кровопостачанні однієї з зон головного мозку призводить до відключення життєво важливих функцій, втрати мови, часткового паралічу. На щастя, мозок дуже пластичний і здатний включати резервні судинні системи, але і лікарям потрібно діяти швидко, а для цього вони повинні розуміти, як йдуть процеси гемодинаміки в нормі і при патології.

У загальному вигляді задача, яку перед нами поставили, звучала так: є дві операції, схожі за своїми зовнішніми результатами (рентгенологічним знімкам з контрастною речовиною), але з різними клінічними результатами. Потрібно визначити причини виниклих ускладнень і знайти параметри, які визначають безпеку хірургічного лікування у пацієнтів з випадково виявленими аномаліями судин головного мозку.

Важливо, що в наших дискусіях відразу було досягнуто порозуміння, що якщо не буде експериментальних клінічних даних про те, як відбувається протягом крові, якщо ми не будемо проводити моніторинг під час операцій, то прийти до кінцевої точки - створення єдиної моделі, яка описує плин крові в судинах мозку, - не вийде. Так, можна буде написати цікаві академічні статті про комп'ютерному моделюванні руху крові в судинах головного мозку, але все це навряд чи вплине на хірургічну практику.

Зліва: апарат внутрішньосудинного моніторингу Volcano Combo Map (Volcano Corp., USA). Справа: схема, як датчик тиску і швидкості потрапляє до судин мозку

Для моніторингу гемодинаміки в судинах головного мозку був придбаний прилад ComboMap американського виробника Volcano. Взагалі-то цей прилад призначений для вимірювань тиску і швидкості кровотоку в коронарних судинах, і інженери компанії, які приїхали встановлювати прилад, сильно здивувалися, дізнавшись, що ми збираємося його використовувати для вимірювання швидкості і тиску кровотоку в судинах головного мозку - «ох уже ці неспокійні російські вчені! ».

Однак всупереч їх скепсису нам вдалося вдосконалити початкове програмне забезпечення і, в кінцевому рахунку, створити новий приборно-вимірювальний комплекс для ендоваскулярного интраоперационного моніторингу. Датчик приладу - дуже тонкий, волосовидний, дозволяє з високою точністю вимірювати тиск і швидкість потоку крові в судинах діаметром понад 1,5 мм. Вимірювання тиску і швидкості руху крові проводилися до і після операції в одних і тих же точках, розташованих на різних відстанях від аномалії. Це дозволило отримати точні якісні властивості і кількісні параметри кровотоку, супутні аномалії. На основі цих даних, була створена математична модель кровотоку головного мозку, яка дозволяє прогнозувати, що буде з судинами при тих чи інших показниках.

Нами був розроблений і впроваджений апарат діаграм «тиск - швидкість» і «витрата - потік енергії», що дозволяє характеризувати тип судинної аномалії по гемодинамічним параметрам і відслідковувати ефективність операції. На даний момент такий моніторинг є унікальним не тільки в Росії, але і в світі.

Параметри, які ми отримуємо на нейрохірургічних операціях, - це параметри кровотоку дуже складної системи: пульсуючий нестаціонарний потік крові в посудині, пружні стінки якого допомагають течією, і занурені вони в гелевидний речовина мозку, поміщеного в тверду мозкову оболонку і черепну коробку. Такі параметри зі стелі не візьмеш. Ми бачимо на графіках, що пульсація швидкості і тиску є практично періодичними функціями. Майже, тому що насправді є кілька періодичних процесів: це і пульсації серця, які зумовлюють рух крові, це і коливальний характер дихальних процесів і ін. Говорячи спрощеною мовою, людина - це система зв'язаних осциляторів, коливальних контурів.

Рівняння гармонічного осцилятора - широко вживана модель, яка використовується в багатьох розділах фізики. А ось як пов'язані осцилятори серця, дихального циклу, травлення? Цей зв'язок виявити важко. Ми виходили з того, що починати потрібно з простої моделі єдиного осцилятора. Так повинно бути і з точки зору здорового організму: раз все працює «як годинник», система не повинна бути складною.

З'явилася ідея використовувати для моделювання кровотоку в судинах головного мозку диференціальне рівняння, що описує нелінійний осцилятор Ван дер Поля-Дуффінга. Фактично, це опис нелінійної пружинки, яка по-різному працює на розтягування і стиснення і занурена в в'язку середу. Здавалося б, як така проста математична модель пояснить те, що відбувається в голові, в цій складній субстанції? Але, не дивлячись на свою зовнішню простоту, це рівняння має широке різноманіття рішень і дозволяє вимірювати і оцінювати важливі властивості всіх компонентів складної середовища: пульсуючий потік крові, пружні стінки судини і навколишнє середовище мозку. Рівняння дозволяє враховувати те, якими властивостями володіє пружне середовище, як влаштована пружина, яка колише цю середу, і якими грузлими властивостями володіє це середовище.

Узагальнене рівняння типу Ван дер Поля - Дуффінга використовується для виявлення поведінки параметрів кровотоку в околиці патологій. Експериментальне підтвердження на великому числі клінічних даних

Модель нелінійного осцилятора добре моделює поведінку кровотоку в околицях судинної аномалії і може показати, до чого це призводить. Коли ми збільшуємо параметри кровотоку на моделі, то в результаті розрахунків бачимо, що станеться з організмом в реальності. Виявилося, що відхилення в організмі людини не можуть бути довільними, є певний ланцюжок зразків «поведінки», яка при розвитку аномалії призводить до втрати періодичних рішень, до втрати коливань, до збою кровотоку. Це одна з моделей, є й інші - наша робота триває.

«Ризик зведений до мінімуму»

К. Ю. Орлов: Результатом роботи лікарів і вчених-гідродинаміки стала розробка нового алгоритму ендоваскулярного лікування АВМ. Його суть в тому, що при аномалії середніх і великих розмірів лікування повинно бути поетапним, причому за одне втручання не слід виключати понад 60% обсягу АВМ.

На прикладі локальної моделі гіпотетичної АВМ були розглянуті різні сценарії її емболізації, щоб зрозуміти, які судини потрібно закривати в першу чергу. Виявилося, що якщо хірург спочатку вимикає дрібні «складові» аномалії, то збільшується потік по фістули і по «здоровим» судинах поруч з аномалією на весь обсяг, який йшов по дрібної мережі. Подальше вимикання найбільшого судини робить навантаження на «резервну» систему непосильною. Робота з гемодинамической моделлю допомогла зрозуміти, що починати емболізацію потрібно з самого великого судини, і лише коли кров'яний потік перерозподілиться, йти далі. Цей принцип спрощує роботу нейрохірурга: тепер він знає, яка судина з спутаного клубка вимикати першим.

Не менш важливим результатом стало розуміння того, скільки часу потрібно на перебудову кровообігу після операції - тобто, коли можна запрошувати пацієнта для наступного етапу емболізації. Виявилося, що не потрібно чекати «класичних» шести місяців, кровообіг перебудовується вже через тиждень. Це дуже важливо, тому що протягом року після операції у 4% пацієнтів трапляється крововилив, значить, відпускаючи пацієнтів на півроку, ми ризикуємо 2% життів. Якщо ж проміжок між операціями становить тиждень, ризик зводиться до мінімуму.

З з'явиться гемодинамической моделі удалось вірішіті и деякі проблеми, пов'язані з лікуванням артеріальніх аневризм. Найчастіше до нас надходять пацієнті з декількома аневризмами, и постає питання - у Якій з них ймовірність розріву более? Оцінивши поведінку параметра «швидкість-тиск» для кожної з них, легко зрозуміти, від якої потрібно позбутися в першу чергу. А завдяки моніторингу під час операцій ми може відразу оцінювати результати наших дій і міняти тактику по ходу операції. Якщо, наприклад, установки одного стента виявиться недостатньо, можна поставити спіраль або додатковий стент. Так ми не ставимо під пацієнта додатковому ризику повторної операції.

Гігантська артеріальна аневризма. Комп'ютерне моделювання: тиску (зліва), швидкості (праворуч) і дотичних напружень (внизу) на стінці судини (WSS). Виконано за допомогою пакета ANSYS Fluent в ІОЦ НГУ

Математики допомогли нам вирішити і проблему, пов'язану з так званими біфуркаційних аневризмами - судинними «трійниками», як називає їх Олександр Павлович Чупахін, які утворюються на місці розбіжності сонних артерій. Після відомого успішного лікування така аномалія дуже часто повертається до свого початкового стану.

Вгорі: динаміка намагнічених шарів рідини. В області біфуркації утворюються застійні зони, які становлять небезпеку з медичної точки зору, оскільки властивості крові залежать від її швидкості і в застійних зонах може утворитися тромб. ІЦіГ СО РАН. Внизу: модель біфуркації сонної артерії. Відтворена відповідно до фізіологічних параметрами. Модель сонної артерії розроблена компанією Shelley Medical Imaging. Експерименти проводяться спільно з Міжнародним томографічних центром СО РАН

Виявилося, що вся справа в величині кута між судинами. Коли ми закриваємо аневризму спіралями, в цих кутах можуть утворюватися дочірні вихрові потоки, які викликають звуження артерій, що не помітне на ангиограмме. Потік крові по судинах ускладнюється, а у шийки аневризми - збільшується, аномалія знову починає рости. Щоб уникнути цього ускладнення, ми тепер ставимо стенти таким чином, щоб паразитарні потоки не утворювалися.

Щорічно в Новосибірському науково-дослідному інституті патології кровообігу ім. академіка О. М. Мешалкина оперують 350 осіб з артеріовенозними мальформаціями. Завдяки застосуванню нових операційних протоколів вдалося значно знизити ризик післяопераційних крововиливів: в 2015 р з 10% до 3%

Своїми результатами ми ділимося з колегами по всьому світу, але потрібно розуміти, що в медицині не завжди є місце золотих стандартів - у різних клінік свій формат роботи, у різних хірургів свої переваги. Гарного результату можна досягти різними способами. Є прихильники відкритих операцій на головному мозку, хтось просто видаляє аномалію. Як оцінює результат хірург? Пішов пацієнт на своїх ногах - значить, все добре, але є ще якість життя, на якому може відбитися навіть шрам на голові. Наприклад, в США після успішно проведеної відкритої операції з видалення АВМ близько 14% американців втрачають роботу, а після ендоваскулярних - всього 2-3%.

А. П. Чупахін: Ми почали цю велику роботу для того, щоб зрозуміти закони руху крові в судинах головного мозку, і для того, щоб навчитися управляти кровотоком. Завдання досить амбітна, і вирішити її силами фахівців одного профілю неможливо. Нам вдалося створити колектив з хірургів, біологів, фізіологів, механіків і математиків і досягти результатів вдалося багато в чому завдяки включенню наших досліджень в проект РНФ «Мозок і нейронауки». Результати робіт з моніторингу нейрохірургічних операцій, підтримані грантом РФФД, стали основою для розвитку і інших напрямів.

Гігантська артеріальна аневризма. Комп'ютерне моделювання ліній струму моделювання Y-стентування: до стентування (ліворуч), після стентування (праворуч), контроль через один рік (внизу). Виконано за допомогою пакета ANSYS Fluent в ІОЦ НГУ

За сприяння Міжнародного томографічного центру СО РАН ми створили фізичну модель судин, виконану з пружних матеріалів, що імітують реальні тканини, за якими за допомогою спеціального насоса рухається рідина (вода + гліцерин), що імітує кров. Для візуалізації цього руху використовується магнітно-резонансний томограф. Експерименти на моделях кровоносних судин дозволяють отримати відповідь, а значить і передбачити наслідки різних впливів на судини, що не можна зробити при реальних операціях. Наприклад, перевірити, як збільшиться швидкість кровотоку, якщо підвищити тиск на 10 мм ртутного стовпа або більше. Такі дослідження цікаві і з точки зору фундаментальної і прикладної гідродинаміки, так як дозволяють багато чого довідатися про перебіг рідини в пружних середовищах. Математичне моделювання таких складних систем - справа майбутнього, в Росії ж подібні експерименти більше ніде не проводяться.

Ще одна грань наших робіт - вивчення впливу гемодинаміки на фізіологічні і розумові здібності людини. Разом з колегами з Інституту цитології і генетики СВ РАН ми будуємо комп'ютерний образ мережі кровоносних судин головного мозку лабораторних тварин-моделей, щоб за допомогою виробленого нами алгоритму відстежувати відмінності гемодинаміки головного мозку у різних особин одного і того ж виду, що розрізняються фізіологічними і поведінковими характеристиками. Всі розрахунки проводяться на базі Інформаційно-обчислювального центру НГУ в програмному комплексі ANASYS.

МР-томограф Bruker BioSpec дослідний 117 / 16USR, з індукцією поля 11.7 Тл. Об'єкти дослідження: миші і щури SPF-віварію Інституту цитології і генетики СВ РАН

В кінцевому рахунку все, що ми робимо сьогодні, має привести до побудови вичерпної математичної моделі гемодинаміки головного мозку. Описувати кровотік головного мозку за допомогою рівнянь - фантастично складна задача, що виходить за рамки можливостей сучасної математики, гідродинаміки і механіки. Звичайно, ніхто не чекав і не чекає від нас створення супермоделі, яка пояснить все. Ми працюємо в рамках декількох моделей: наша перевага в тому, що вони створюються на підставі клінічних експериментальних даних, а не абстрактних міркувань.

Результати чисельного моделювання гемодинаміки судин головного мозку лабораторних тварин, виконані в Інформаційно-обчислювальному центрі НГУ

Сьогоднішній день чудовий тим, що у нас є можливість вирішувати такі мультидисциплінарні завдання. Якийсь час назад наука була розділена «перегородками»: кожен займався своєю справою, іноді зустрічаючись з колегами і обговорюючи результати. Сьогодні ці перегородки стираються, і ми, математики за освітою і механіки за родом діяльності, працюємо в колективі, який проводить повний цикл досліджень - від отримання клінічних даних та їх обробки до створення математичних моделей і «повернення» результатів у вигляді рекомендаційних протоколів в клініку.

Сьогодні такі точні науки, як математика, фізика, механіка виходять з-за письмового столу і починають працювати в «живих» системах. І це дуже добре, адже різні парадигми досліджень можуть привести до самих несподіваних результатів. Не менш важливо і те, що величезний інтерес ця тематика викликає у молоді - наприклад, до нас в інститут на спеціалізацію приходить багато тямущих студентів з НГУ. Їх приваблює комплексний характер нашої роботи, пов'язаний з рішенням «живих завдань», які мають реальний вихід на практику.

Тетяна Морозова, " Наука з перших рук "