Bezinwazyjne wyznaczanie sztywności ścian tętnic człowieka in vivo

Celem projektu jest bezinwazyjny pomiar sztywności tętnic. Ścianki zdrowych tętnic wykazują się dużą elastycznością co powoduje, że ich przekrój zmienia się pod wpływem ciśnienia wytwarzanego przez serce. Z wiekiem lub w wyniku niektórych chorób, w ściankach tętnic zachodzą zmiany, powodujące utratę elastyczności. Włókna elastyny, głównego budulca ścian odpowiedzialnego za ich sprężystość, zastępowane są przez włókna kolagenu, co zmniejsza elastyczność ścian tętnic. Ponadto, ścianki te ulegają pogrubieniu co także zmniejsza ich podatność na zmiany ciśnienia krwi wewnątrz tętnic.

prof. dr hab. inż. Ryszard Białecki, fot. Michał Łepecki
Objawami niektórych chorób nerek, nadciśnienia tętniczego, cukrzycy, migotania przedsionków jest także zesztywnienie ścian tętnic, które powoduje wiele niekorzystnych skutków. Na skutek gorszego pochłaniania energii fali ciśnienia generowanego przez skurcz lewej komory serca, fala ta dociera do delikatnych tkanek narządów takich jak mózg, czy nerki powodując ich mechaniczne niszczenie. Ponadto, zwiększona szybkość przemieszczania się fali ciśnienia w sztywnych naczyniach, powoduje nakładanie się fali generowanej przez komorę i fali odbitej od rozgałęzień tętnicy, co z kolei skutkuje nadciśnieniem. Zwiększony opór przepływu krwi przez sztywne naczynia, prowadzi natomiast do chorobliwego przerostu lewej komory serca.

Oszacowanie sztywności ścian tętnic jest wartościowym wskaźnikiem diagnostycznym o znaczącej wartości prognostycznej w obszarze chorób układu sercowo-naczyniowego. Istniejące metody pomiaru tej sztywności polegają na szacowaniu szybkości przemieszczania się fali ciśnienia w naczyniach krwionośnych. Metody te wyznaczają uśrednione wartości sztywności między odległymi punktami w ciele człowieka, np. między tętnicą szyjną i udową. Wiele chorób zmienia lokalnie sztywność, co nie może być wykryte standardowymi metodami.

W projekcie wyznaczamy lokalną sztywność dowolnego fragmentu tętnicy szyjnej przez pomiar odkształceń jej ścian w trakcie cyklu sercowego. Pomiaru tego dokonujemy przy pomocy aparatu USG. Badania kliniczne poprzedzone są eksperymentami na specjalnie do tego celu stworzonym fantomie. Kluczowym elementem tego stanowiska jest odkształcający się pod wpływem cyklicznych zmian ciśnienia elastyczny przewód o znanej sztywności. Celem tych pomiarów jest z jednej strony oszacowanie dokładności pomiarów odkształceń naczynia przy pomocy USG oraz walidacja opracowanej metody wyznaczania sztywności. W części klinicznej, elektronicznie przekształcony obraz zmian średnicy tętnicy szyjnej połączony jest z pomiarem lokalnego ciśnienia krwi i prędkości przepływu krwi. Ten zestaw danych wprowadzamy do modelu zmian średnicy naczynia, w którym przepływa krew. W modelu tym jako niewiadoma, występują właściwości materiałowe ścianki, które charakteryzują stopień jej sztywności. Wyznaczanie tych parametrów odbywa się metodą kolejnych przybliżeń i wymaga zastosowania specjalnych technik stabilizacyjnych, zapewniających zbieżność procesu.