Шунтирование широко используется при лечении сердечно-сосудистых патологий. Перед хирургом стоит ряд нетривиальных задач: необходимость байпасса как такового, оптимальный угол его установки, оптимальная форма стыковочного окна и другие. С точки зрения гидродинамики и механики это соответствует ряду конкретных задач, решение которых предлагалось в цикле работа [1,2,3]. В рамках задачи по определению оптимального угла установки сосудистого анастомоза в ходе нейрохирургической операции исследовалась гидродинамика тройника. Рассматривались четыре возможных угла установки: π/6, π/4, π/3 и π/2, отвечающих наиболее часто используемым реальным конфигурациям. Задача решалась численно в программе ANSYS CFX. В качестве критерия оптимальности используется условие минимальности величины диссипации кинетической энергии. Показано, что угол установки анастомоза π/3 является оптимальным, угол π/4 - наименее выгодным. Также построена электрическая схема рециркуляции крупных сосудов головного мозга на основе конфигураций виллизиева круга реальных пациентов, оптимальные параметры которой определялись численно с помощью методов роевого интеллекта. В качестве целевой функции оптимизации выбрана величина давления после шунтирования по сравнению с давлением до операции. Данный метод впервые использовался при решении проблемы формирования церебральных сосудистых анастомозов. Показано, что полученные результаты хорошо согласуются с данными реальных операций. Кроме того рассматривались различные варианты стыковки сосуда-реципиента с точки зрения оптимальности возникающих при сочленении с сосудом-донором зон концентраторов напряжений.

По результатам выполнения исследования была разработана и зарегистрирована программа для ЭВМ, позволяющая по данным реального пациента с использованием электрической аналогии системы кровообращения предложить оптимальное место установки сосудистого шунта. Полученные в ходе выполнения цикла работ результаты существенно расширяют фундаментальные знания о сосудистых бифуркациях, а также дают ответы на практические вопросы клинических специалистов- хирургов.



Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 20-71-10034).



Публикации

[1] O. Kuyanova, S.S. Presnyakov, A.V. Dubovoi, A.P. Chupakhin, D.V. Parshin. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2019, Vol. 60, No. 6, pp. 1038–1045

[2] Yu.O. Kuyanova, A.V. Dubovoi, A.V. Bervitskii, D.V. Parshin. NUMERICAL OPTIMIZATION OF GEOMETRIC CHARACTERISTICS OF VASCULAR BYPASS USING SWARM INTELLIGENCE METHODS IN NEUROSURGERY Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2022, Vol. 63, No. 4, pp. 606–613

[3] Igor I. Tagiltsev, Daniil V. Parshin and Alexey V. Shutov RATIONAL CHOICE OF MODELLING ASSUMPTIONS FOR SIMULATION OF BLOOD VESSEL END-TO-SIDE ANASTOMOSIS Math. Model. Nat. Phenom. 17 (2022) 20

Shunting is widely used in the treatment of cardiovascular pathologies. The surgeon faces a number of non-trivial tasks: the need for a bypass as such, the optimal angle of its installation, the optimal shape of the arteriotomy, and others. From the point of view of hydrodynamics and mechanics, this corresponds to a number of specific problems, the solution of which was proposed in the series [1,2,3]. As part of the task of determining the optimal angle of installation of the vascular anastomosis during a neurosurgical treatment, the hydrodynamics of the tee was studied. Four possible mounting angles were considered: π/6, π/4, π/3, and π/2, corresponding to the most commonly used real configurations. The problem was solved numerically using ANSYS CFX software. As an optimality criterion, the condition for the minimum value of the kinetic energy dissipation is used. It is shown that the anastomosis angle π/3 is optimal, the angle π/4 is the least favorable. An electrical circuit for the recirculation of large cerebral vessels was also constructed based on the configurations of the circle of Willis in real patients, the optimal parameters of which were determined numerically using swarm intelligence methods.The value of pressure after shunting compared with the pressure before surgery was chosen as the objective optimization function. This method was first used in solving the problem of the formation of cerebral vascular anastomoses. It is shown that the obtained results are in good agreement with the data of real operations. In addition, various options for connecting the recipient vessel were considered from the point of view of the optimality of the stress concentrator zones arising during the articulation with the donor vessel.

Based on the results of the study, a computer program was developed and registered, which allows, according to the data of a real patient, using the electrical analogy of the circulatory system, to suggest the optimal location for the installation of a vascular bypass. The results obtained in the course of the cycle of works significantly expand the fundamental knowledge of vascular bifurcations, as well as provide answers to practical questions of clinical surgeons.



The study was supported by a grant from Russian science foundation (project No 20-71-10034).



References

[1] O. Kuyanova, S.S. Presnyakov, A.V. Dubovoi, A.P. Chupakhin, D.V. Parshin. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2019, Vol. 60, No. 6, pp. 1038–1045

[2] Yu.O. Kuyanova, A.V. Dubovoi, A.V. Bervitskii, D.V. Parshin. NUMERICAL OPTIMIZATION OF GEOMETRIC CHARACTERISTICS OF VASCULAR BYPASS USING SWARM INTELLIGENCE METHODS IN NEUROSURGERY Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2022, Vol. 63, No. 4, pp. 606–613

[3] Igor I. Tagiltsev, Daniil V. Parshin and Alexey V. Shutov RATIONAL CHOICE OF MODELLING ASSUMPTIONS FOR SIMULATION OF BLOOD VESSEL END-TO-SIDE ANASTOMOSIS Math. Model. Nat. Phenom. 17 (2022) 20