Development of innovative system of universal stent graft for endovascular treatment of aneurysm and aortic displacement in various locations

Dmitry N. Maystrenko; Майстренко Дмитрий Николаевич; Mikhail I. Generalov; Генералов Михаил Игоревич; Aleksandr S. Ivanov; Иванов Александр Сергеевич; Anna N. Oleshchuk; Олещук Анна Никитична; Denis M. Kokorin; Кокорин Денис Михайлович; Dmitry N. Nikolaev; Николаев Дмитрий Николаевич; Aleksey D. Maystrenko; Майстренко Алексей Дмитриевич; Alena A. Popova; Попова Алена Александрова; Oleg E. Molchanov; Молчанов Олег Евгеньевич; Andrey A. Stanzhevsky; Станжевский Андрей Алексеевич

doi:10.17816/brmma112557

Разработка инновационной системы универсального стент-графта для эндоваскулярного лечения аневризм и расслоения аорты различных локализаций

Авторы: Майстренко Д.Н.¹, Генералов М.И.¹, Иванов А.С.¹, Олещук А.Н.¹, Кокорин Д.М.¹, Николаев Д.Н.¹, Майстренко А.Д.¹, Попова А.А.¹, Молчанов О.Е.¹, Станжевский А.А.¹
Учреждения:
1. Российский научный центр радиологии и хирургических технологий имени академика А.М. Гранова
Выпуск: Том 25, № 1 (2023)
Страницы: 9-22
Раздел: Оригинальное исследование
Статья получена: 15.11.2022
Статья одобрена: 18.01.2023
Статья опубликована: 13.04.2023
URL: https://journals.eco-vector.com/1682-7392/article/view/112557
DOI: https://doi.org/10.17816/brmma112557
ID: 112557

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Обосновывается технология разработки универсального стент-графта для эндоваскулярного лечения аневризм и расслоения аорты различной локализации, без учета диаметра сосуда. В качестве каркаса основного ствола стент-графта использован саморасширяющийся стент из нитинола. В ходе работы были изготовлены и апробованы несколько вариантов опытных образцов аортального линейного графта. Исходя из полученных результатов подобрана оптимальная жесткость и диаметр нитиноловой проволоки. При создании бифуркационного модуля особое внимание уделено упрощению процесса позиционирования и «внутрисосудистой сборки» конструкции. Для протезирования магистральных ветвей аорты разработаны имплантируемые модули — отведения. Материалом тканной оболочки графта был выбран оптимальный по структуре волокон лавсан. Оценивались линейная растяжимость, компактность ворса и прочность на разрыв при выполнении фенестрации. Для определения гепарин-контролируемой хирургической пористости опытные образцы стент-графтов испытывались на стенде, симулирующем модель артериального кровотока. Установлено, что материал стенки разработанного устройства обладает гепарин-контролируемой хирургической пористостью от 50 до 150 мл/мин/см² при давлении 120 мм рт. ст. с возможностью сохранения управляемого эндолика. Стенка графта создает градиент давления не более 3 мм рт. ст., а скоростные показатели потока вполне достаточны для адекватной перфузии жизненно важных органов. После инактивации гепарина проницаемость для крови становится нулевой. Методика имплантации разработанного изделия была отработана на силиконовом фантоме аорты, моделирующем аневризматическое расширение с расслоением и без него. Контур фантома был заполнен раствором, моделирующим реологические свойства нативной крови. Пульсирующий кровоток был смоделирован с использованием перфузионного насоса. Под рентгеноскопическим контролем стент-графт установлен пяти крупным биологическим объектам (баранам). Имплантация проводилась в дугу аорты с протезированием плечеголовного ствола и в супраренальный отдел аорты с протезированием висцеральных ветвей. Проведенные экспериментальные работы позволяют надеяться, что полученный результат позволит осуществлять помощь пациентам, страдающим аневризмами любой локализации, малоинвазивным способом.

Ключевые слова

аневризма, аневризматическое расширение, расслоение аорты, эндопротезирование, эндоваскулярное лечение аневризм, универсальный модульный стент-графт, имплантация, имплантируемые модули

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Лечение пациентов, страдающих аневризмой аорты, в настоящее время продолжает оставаться крайне актуальной проблемой [1–3]. Заболеваемость аневризмой абдоминальной аорты составляет от 2 до 8 % возрастного населения [4]. Локализация аневризмы в инфраренальном отделе брюшной аорты составляет от 37 % [5] до 60 % [6]. Летальность от данной патологии в мире составляет 17,7 млн человек [7]. Только в Соединенных Штатах Америки (США) среди причин смерти аневризмы аорты занимают 13 место [8].

Тактика лечения аневризм инфраренального отдела брюшной аорты непрерывно совершенствуется, что связано с появлением новых способов лечения. Особое развитие это направление медицины получило с внедрением эндоваскулярных методик [9]. Современные обзоры аналитических материалов, посвященных сравнению эндоваскулярных способов лечения аневризм аорты и открытых вмешательств, склоняют «чашу весов» в пользу эндографтов [7, 10, 11].

Частота встречаемости грудной и торакоабдоминальной аневризм аорты за последние десятилетие, в том числе за счет улучшения диагностики, значительно возросла и к настоящему времени составляет от 5 до 10 случаев на 100 тысяч населения в год [8]. Несмотря на относительную редкость этой патологии, аневризма аорты считается более опасной, чем инсульт. Даже в США, стране с развитой медициной, от разрывов аорты погибает более 15 тысяч человек ежегодно, из них половина — до приезда скорой помощи. Аневризма аорты занимает десятое место среди всех причин смерти мужчин пожилого возраста. Опасность разрыва аневризмы зависит от ее диаметра. Так, при диаметре расширения аорты около 4 см смертность будет составлять 5 % в год, а если диаметр увеличен до 9 см, вероятность смерти увеличивается до 80 % в год. Аневризма аорты по праву внесена в список наиболее опасных состояний, которые могут приводить к практически моментальной смерти. Коварство этого заболевания заключается в том, что больной длительное время может даже не подозревать о его наличии [6].

Хирургическое лечение данной патологии является основным способом, который направлен не только на продление жизни с сохранением ее качества, но и на уменьшение риска новых аортальных осложнений. Однако показатели летальности и осложнений после открытого протезирования аневризм грудного и торакоабдоминального отделов аорты, несмотря на прогресс и развитие технологий лечения, остаются значительными даже в центрах с большим объемом оперативной активности — 20–25 % [8, 12, 13]. Это связано не только с травматичностью операции, но и с использованием искусственного кровообращения, которое предусматривает системную гепаринизацию. Использование временного шунта в хирургии аорты исключает введение больших доз гепарина и может рассматриваться как альтернативный способ защиты «заинтересованных» внутренних органов [7, 14].

Развитие эндоваскулярных и гибридных методик лечения пациентов, страдающих аневризмами грудной и торакоабдоминальной аорты, обеспечило технологический прорыв в решении данной проблемы [15, 16]. Тем не менее накопленный мировой опыт показывает, что эти методики лечения имеют свои фатальные осложнения, требующие не менее сложных решений [17, 18]. Частота серьезных осложнений при эндоваскулярном лечении достигает 25 %, а летальность — 4–10 % [13, 19]. Как правило, это связано с отсутствием в широком доступе фенестрированных эндографтов. Поэтому проблема создания универсального графта с возможностью интраоперационной персонифицированной фенестрации является на сегодняшний день крайне актуальной.

Цель работы — разработать универсальный стент-графт для эндоваскулярного лечения аневризм и расслоения аорты различной локализации, без учета диаметра сосуда.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве каркаса для разработки универсального стент-графта использовали плетеный саморасширяющийся стент из нитинола. Наружная оболочка стент-графта фиксируется к каркасу узловыми швами из небиодеградируемой хирургической нити. Каркас основного ствола графта выполнен в виде плетеной нитиноловой саморасширяющейся сетки с вариабельностью диаметра 20–50 мм и длиной 150–200 мм. Проксимальный и дистальный концы стент-графта отмечены рентгеноконтрастными маркерами. Ячейки имеют ромбовидную форму и изменяют свою конфигурацию в соответствии с диаметром аорты (рис. 1).

Рис. 1. Один из рабочих вариантов чертежа основного ствола стент-графта: 1 — каркас стент-графта; 2 — наружная оболочка; 3 — крепления оболочки к каркасу; 4 — рентгеноконтрастные маркеры; а — диаметр стент-графта; b — длина стент-графта

Отдельным вопросом, который пришлось решать в ходе работы была разработка каркасной основы модулей-ответвлений для протезирования ветвей аорты, попадающих в зону имплантации основного ствола (рис. 2, а).

В ходе моделирования конструкции, испытания ее опытных моделей на стенде, оптимальной была выбрана форма модуля, подобная «гвоздю» с ограничительной шляпкой, не позволяющей стенту-ответвлению выскочить из основного ствола и в то же время не пролабировать в его просвет (рис. 2, b). Интраоперационные рентгенограммы при тестовых имплантациях опытных образцов в силиконовый фантом и биологическим объектам животных, а также секционный материал, полученный после их выведения из эксперимента подтвердили преимущества данного образца

Пробная сборка моделей стент-графта из модулей различной конфигурации показала, что размер ячейки основного модуля не может быть менее 1 см, иначе возникает странгуляция модуля ответвления с последующим стенозированием его просвета у основания (рис. 2, с), при размере ячейки, соответствующем диаметру бокового отвода, стеноз не возникает (рис. 2, d). Кроме того, чрезмерно жесткий каркас значимо ограничивает возможность конструкции адаптироваться к внутреннему рельефу аорты. Исходя из полученных результатов, были выбраны оптимальные жесткость и диаметр нитиноловой проволоки, из которой выполняется каркас изделия.

Рис. 2. Модуль отведения: а — рабочий чертеж бокового ответвления: 1 — модуль-ответвление; 2 — стенка отходящей артерии; 3 — каркасная сетка; 4 — оболочка стент-графта; b — опытные образцы модулей-отведений; c — опытный образец бокового отвода, ячейка 5 мм; d — опытный образец бокового отвода, ячейка 10 мм

При разработке бифуркационного модуля была поставлена задача упростить и обезопасить процедуру позиционирования конструкции во время имплантации. Длина сегмента конструкции при максимальном растяжении составляет 30 мм, что позволяет не опасаться перекрытия устьев почечных артерий во время установки изделия. Саморасширяемость стента в случае необходимости позволяет достраивать проксимальный конец конструкции модулями подобно черепице. В дистальном конце графт разделен стяжкой, разделяющей просвет на две равные части с формированием отверстий для фиксации подвздошных сегментов. Для эндопротезирования подвздошного сегмента был разработан линейный стент-графт, фиксирующийся в просвет восьмиобразного профиля бифуркационного модуля (рис. 3).

Рис. 3. Каркас бифуркационного модуля: а — раздельно; b — в сборе

Наиболее сложным фрагментом был выбор тканного покрытия стенки графта. Исходно наши требования к параметрам тканного покрытия стенки стент-графта были основаны на ряде особенностей биологического и технологического плана. В качестве основы, как наиболее подходящий целям и задачам работы, был выбран лавсан (полиэтилентерефталат), так как многолетний опыт применения этого материала в медицинских изделиях для сосудистой хирургии доказал его прочность и биологическую инертность. Линейная растяжимость ткани в одном из направлений должна составлять не менее 150 % от исходной длины, чтобы обеспечить равномерность покрытия каркаса с изменяемыми размерами. Проницаемость для гепаринизированной крови должна быть тотальной, переходящей в нулевую после инактивации гепарина. Кроме того, при выборе ткани оценивалась степень компактности ворса как предиктора тромбоза просвета стент-графта (рис. 4).

Рис. 4. Анализ микроструктуры лавсана: a и b — лавсан с высокой тромбогенностью и ригидностью; c и d — образец, удовлетворяющий требованиям проекта (низкая ворсистость нитей и особенность растяжимости). Микрофотографии (ув. × 40)

После того как был выбран оптимальный по структуре волокон лавсан, провели исследования прочности материала на разрыв, что является крайне важным условием на этапе дилятации фенестрации стенки графта (рис. 5).

Рис. 5. У выбранного образца ткани локальный дефект структуры не приводит к разрушению структуры вне зоны фенестрации

Испытания прочности проводились следующим образом. Через ячейку фиксированного на стенде фрагмента лавсанового полотна по проводнику заводился баллонный катетер с рабочим диаметром 8 мм. После чего через шприц высокого давления в баллон нагнеталась жидкость. Катетер раскрывался до максимального диаметра при давлении 10 атмосфер.

По результатам испытаний был выбран материал со следующими параметрами: волокнистые или монофиламентные нити, толщиной от 0,05 до 0,1 мм, скрученные попарно и сплетенные в цепочку. Сплетенные нити дополнительно формируют сетку с 6–8-угольными ячейками, с условным диаметром 0,3–0,5 мм. Толщина получившегося материала не превышает 0,2 мм. Во время баллонной дилятации отмечались разрывы одной-двух нитей материала, без образования «стрелок». За счет характера плетения порванные нити плотно стягивались петлями «цепочек» по периметру отверстия.

Отдельно проверяли пористость стенки из полиэтилентерефталатной ткани с различной плотностью, формой плетения, размерами ячейки, диаметром и свойствами нити.

Для испытаний опытных образцов был собран стенд, представляющий из себя симуляционную модель артериальной системы с артериальным кровотоком. С целью обеспечения контроля объемной скорости кровотока, давления, температуры и времени циркуляции крови по контуру, система была собрана на базе аппарата искусственного кровообращения «MaquetHL20» и использовала его штатные средства (рис. 6).

Рис. 6. Симуляционная модель артериальной системы с артериальным кровотоком: а — опытный стент-графт внутри модели сосуда; b — стенд на базе аппарата искусственного кровообращения «MaquetHL20»

Оценивалась гепарин-контролируемая хирургическая порозность материала стенки. Контур полностью заполнялся гепаринизированной кровью из расчета 5 000 ЕД гепарина на 80 кг массы тела условного пациента. Во время эксперимента кровь непрерывно прокачивалась по системе в течение 7600 с (2,1 ч), по истечении которых был взят анализ крови на газовый состав, каолиновое время, проведено центрифугирование для исключения признаков гемолиза (рис. 7, а). Затем в систему вводился протамина сульфат в количестве 0,5 мг с целью нейтрализации гепарина. Отслеживалось максимальное значение градиента давления между основным и отводящим контуром, время его достижения. Срабатывание сигнализации означало появление вакуума в отводящей магистрали и полную герметизацию просвета основного контура. Все этапы исследования проводились минимум дважды, для каждого образца ткани.

Рис. 7. Оценка гепарин-контролируемой хирургической пористости стенки на симуляционной модели: а — образец в контуре на этапе гепаринизации; b — герметизация контура после введения протамина сульфата; с — извлеченный образец после дегепаринизации

Для удобства имплантации стент-графта были разработаны оригинальные системы доставки линейных сегментов. Отдельной задачей явилась разработка устройства для осуществления персонифицированной фенестрации, доставки модуля-отведения (рис. 8).

Рис. 8. Сопутствующие устройства: а — пример катетера с перфоратором, изогнутым под необходимым углом; b — сложенный модуль-отведение в системе доставки

Методика установки стент-графта. Установку предлагаемого стент-графта при эндопротезировании аневризм аорты осуществляли при помощи оригинальной системы доставки на фоне применения гепарина и ретгеноконтрастного вещества (омнипак). Устройство доставляли к месту установки, по сверхжесткому проводнику, предварительно установленному в аорте через его ствол до устья ветви аорты. Позиционирование осуществляли в режиме RoadMap по рентгеноконтрастным меткам на модуле. Фенестрацию стенки основного ствола стент-графта выполняли гидрофильным проводником напротив устья перекрытой ветви аорты. Такой способ фенестрации исключал необходимость выполнения у пациента дополнительных хирургических доступов в периферические отделы вовлеченных сосудов. Следующим шагом через фенестрированную стенку в отходящую артерию по проводнику заводили и раскрывали модуль-ответвление с обязательной постдилатацией баллонным катетером. После чего баллон и проводник удаляли. Важно отметить, что такой способ бранширования использовали для каждой перекрытой магистральной ветви. Гепаринизацию пациента и сохранение эндолика IV типа продолжали до окончания установки всех необходимых модулей.

РЕЗУЛЬТАТЫИ ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Испытания на стенде. В отличие от большинства стент-графтов, где эндолик нежелателен, предлагаемый нами графт выполнен с возможностью временного сохранения эндолика IV типа. Это позволяет сохранить кровоснабжение жизненно важных органов на всю процедуру имплантации основного ствола и необходимого количества периферических модулей до момента нормализации кровоснабжения, а также для получения рентгеноанатомии в процессе имплантации.

Выявлено, что оптимальным для наружной оболочки изделия является лавсановое полотно (полиэтилентерефталат), в основе которого монофиламентные нити толщиной до 0,1 мм, двойного плетения, с диаметром ячеек 0,5 мм. Испытание опытных образцов стент-графтов на стенде, симулирующем модель артериального кровотока, показало, что материал оболочки разработанного устройства обладает гепарин-контролируемой хирургической пористостью от 50 до 150 мл/мин/см²при давлении 120 мм рт. ст. с возможностью сохранения управляемого эндолика II типа. На фоне гепарина стенка графта создает градиент давления 3–5 мм рт. ст., а скоростные показатели потока вполне достаточны для адекватной перфузии жизненно важных органов и создания рентгенологической «дорожной карты» на фоне применения ретгеноконтрастного вещества, что необходимо для точной фенестрации и дальнейшего протезирования магистральных ветвей аорты.

Через 5–10 с после дегепаринизации крови пористость выбранного материала стенки графта становится нулевой. Это позволяет полностью изолировать полость аневризмы от кровотока в просвете стент-графта и ликвидировать эндолик IV типа.

Испытания на фантоме (демонстрация этапов имплантации изделия). На силиконовом фантоме аорты моделировалось аневризматическое расширение с расслоением и без него (рис. 9.).

Рис. 9. Силиконовая модель аневризмы

Контур силиконового фантома аорты заполнили кровезаменяющим раствором, моделирующим реологические свойства нативной крови. С помощью перфузионного насоса был создан пульсирующий кровоток с максимальным давлением 200 мм рт. ст. (рис. 10).

Рис. 10. Перфузионный насос в фантоме

Под контролем мобильной ангиографической установки Phillips Veradius смоделирован процесс эндопротезирования брюшного отдела аорты. По сверхжесткому проводнику, проведенному через подвздошную артерию в брюшную аорту, был имплантирован стент-графт, который позиционировался и устанавливался в зону смоделированного расширения таким образом, чтобы верхняя граница конструкции находилась на уровне почечных артерий. Контроль осуществлялся с использованием омнипака. После установки выполнялась постдилятация стента баллоном большого диаметра (рис. 11).

Рис. 11. Этапы имплантации стент-графта: а — стент-графт в системе доставки заведен в модель брюшной аорты; b — система спозиционирована ниже устьев почечных артерий (модель); c — стент-графт имплантирован в зону аневризмы; d — внешний вид изделия, имплантированного в силиконовую модель аневризмы брюшной аорты

Следующим этапом работы была отработка технологии имплантации стент-графта в дугу аорты с последующим фенестрированием основного ствола изделия и эндопротезирование брахиоцефальных артерий.

Апробация на животных (экспериментальная часть). После стендовых экспериментов под рентгеноскопическим контролем 5 крупным экспериментальным животным (баранам) выполнена имплантация изделия в дугу аорты и в ее супраренальный отдел с эндопротезированием отходящих в данной локации крупных ветвей. Во всех случаях для обезболивания использован эндотрахеальный наркоз. Перед началом вмешательства животному внутривенно болюсно вводился раствор гепарина в стартовой дозе 100 Ед/кг массы тела.

Эндопротезирование дуги аорты. Под ангиографическим контролем, трансфеморальным доступом, основной ствол конструкции ретроградно заводился в дугу аорты. Позиционирование производилось таким образом, чтобы уровень имплантации находился проксимальнее плечеголовного ствола (рис. 12, а). При контрольном снимке плечеголовной ствол отчетливо визуализируется. Это демонстрирует достаточную проницаемость стенки графта для крови и контрастного препарата (рис. 12, b). Затем, ориентируясь на созданную маску RoadMap, в области устья плечеголовного ствола проводником с направляющим катетером выполняли фенестрацию внешней оболочки, проводник заводили в просвет артерии и извлекали направляющий катетер (рис. 13, а). Следующим этапом осуществлялась дилятация фенестрации баллонным катетером (рис. 13, b). По проводнику в подготовленное отверстие заводили отводящий модуль стент-графта на баллоне необходимого диаметра и раздували баллон. При этом проксимальный конец модуля надежно фиксировался в ячейке основного ствола (рис. 13, с). Баллон удалялся вместе с проводником. При контрольном снимке конструкция была проходима, устье плечеголовного ствола визуализировалось отчетливо. Эндолика не было (рис. 13, d).

Рис. 12. Эндопротезирование дуги аорты: а — стент-графт имплантирован в дугу аорты; b — контрольная ангиограмма плечеголовного ствола

Рис. 13. Этапы бранширования стент-графта, имплантированного в дугу аорты: а — персонифицированная фенестрация стенки графта; b — баллонная дилятация фенестрации; c — отводящий модуль в устье плечеголовного ствола; d — контрольная ангиограмма

Эндопротезирование супраренального отдела брюшной аорты. Под рентгенологическим контролем, по проводнику, в зону отхождения чревного ствола и верхней брыжеечной артерии имплантирован основной ствол универсального стент-графта (рис. 14, а). При контрольной аортографии на фоне гепарина отчетливо визуализировались устья висцеральных ветвей, перекрытые установленным стентом (рис. 14, b). Создана маска RoadMap.

Рис. 14. Эндопротезирование супраренального отдела аорты: а — имплантация основного ствола; b — контрольная ангиограмма

Поочередно выполнена персонифицированная фенестрация стенки графта в проекции устьев чревного ствола и верхней брыжеечной артерии. Последовательно выполнена баллонная дилятация фенестрационных отверстий с имплантацией модулей-отведений в висцеральные ветви (рис. 15, 16). После их установки обязательно проводилась постдилатация баллонным катетером. При контрольном снимке конструкция проходима, висцеральные ветви контрастировались отчетливо без признаков резидуального стеноза в области фенестрации (рис. 17).

Рис. 15. Бранширование устья чревного ствола: а — персонифицированная фенестрация над устьем чревного ствола; b — баллонная дилятация фенестрации; c — имплантация висцеральной бранши

Рис. 16. Этапы эндопротезирования супраренального отдела аорты (продолжение): а — персонифицированная фенестрация над устьем верхней брыжеечной артерии; b — баллонная дилатация фенестрационного отверстия; c — имплантация модуля в верхнюю брыжеечную артерию

Рис. 17. Ангиограммы после протезирования висцеральных ветвей: a — контроль после имплантации; b — постдилятация модулей; c — контрольный снимок

Все животные выжили, неврологических нарушений не было. Проблем, связанных с нарушением висцерального кровообращения, не отмечено. Наблюдение за прооперированными животными составило 21 день, после чего они были выведены из эксперимента и получен секционный материал. Все конструкции проходимы, стенки графтов были непроницаемы для жидкостей, в том числе и крови (рис. 18).

Рис. 18. Секционный материал через 21 день после имплантации: a — основная часть и модуль-отведение; b — зона фенестрации стенки графта; c — модуль-отведение

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные экспериментальные исследования позволяют надеяться, что разработанное изделие является прообразом универсального стент-графта для лечения аневризм аорты любой локализации независимо от диаметра и анатомии аорты. Модульность каркаса и его способность адаптироваться к изменениям диаметра и рельефа артерии значимо расширит возможности эндоваскулярной методики лечения пациентов, страдающих многоуровневым аневризматическим поражением грудной и брюшной аорты.

Оригинальная конструкция стент-графта позволит упростить процедуру позиционирования и имплантации, уменьшить протяженность и травматичность оперативного вмешательства. Благодаря способности материала стенки к управляемой проницаемости для крови значительно снизится время и степень ишемии внутренних органов, кровоснабжение которых осуществляется из ветвей аорты, попадающих в зону имплантации.