2.3.1.2.10. Церебральная механика: комплексное исследование тканей, жидких сред головного мозга и их взаимодействия на макро- и микромасштабах

Исследование механики и гемодинамики сосудов головного мозга является актуальной задачей фундаментальной гидродинамики сложных, многофазных и многокомпонентных сред. Гемодинамика мозга описывает нестационарное, пульсирующее движение крови с форменными элементами по сети сосудов головного мозга, имеющей сложную геометрию, различные прочностные и реологические свойства на разных участках (артерии, капилляры, вены, синусы), многокомпонентное упругое окружение (мозг, спинномозговая жидкость, упругие оболочки мозга). Сложная структура гидродинамических течений в этой сети существенно зависит от наличия аномалий сосудов. По данным ВОЗ аномалии сердечно-сосудистой системы, входят в список заболеваний, лидирующих по смертности, а также негативному воздействию на здоровье человека (различные степени инвалидизации). Нейрохирургия является одной из самых сложных областей медицины и внедрение в нее методов математического моделирования, которые направлены на развитие персонализированной медицины является актуальным и перспективным. Важными вопросами для практической нейрохирургии является объективная оценка состояния пациента и качества проведенной операции. Определение параметров, числовых индикаторов успешности операции (изменение давления, скорости, касательных напряжений и др.) является актуальной задачей. Целью проекта является комплексное изучение гемодинамики головного мозга, включающее в себя клинические и лабораторные эксперименты, математическое и компьютерное моделирование. Выполнение комплекса этих работ позволит исследовать законы движения крови в сосудах головного мозга как в норме, что даст фундаментальные представления о характере и свойствах течения крови; так и при наличии аномалий, что позволит выработать рекомендации по пред- или периоперационному моделированию церебральных сосудистых патологий и в перспективе позволит оптимизировать протоколы нейрохирургических операций. Достижения в приборном и информационном обеспечении фундаментальной медицины в последние годы сделали возможным получение уникальной информации о гемодинамике мозга. Томография, а также эндоваскулярный мониторинг кровотока позволяют не только визуализировать кровоток, но и получать количественные параметры течения. Комплексное исследование, включающее в себя клинический аспект, лабораторные эксперименты, построение математических моделей, компьютерное моделирование, проводимое совместно специалистами по механике сплошных сред, математиками и медиками, будет направлено на достижение поставленных целей. Прочностные испытания различных видов гидрогелей бактериальной целлюлозы показали, что сушка и регидратация пленок БЦ привели к увеличению жесткости в 2–8 раз по сравнению с другими образцами. Эта тенденция сохранялась как при малых, так и при больших деформациях, независимо от направления. Композитный материал БЦ имеет более устойчивую структуру при воздействии сдвиговых и касательных напряжений. Эти результаты должны предоставить возможности для дальнейших исследований и медицинских приложений. Выполнено предоперационное численное моделирование гемодинамики веретенообразной аневризмы сосудов головного мозга. Было установлено, что даже по результатам стационарных расчётов с жесткими стенками сосудов головного мозга можно установить место разрыва аневризмы, но невозможно установить статус аневризмы (разорвавшаяся или нет). Показано, что взаимосвязь между увеличением отдельных размеров структур головного мозга плода: лобно-затылочный и бипариетальный диаметры головного мозга, длина мозолистого тела, поперечный диаметр мозжечка, высота червя - различается в зависимости от триместра. Была подтверждена гипотеза о том, что скорость развития мозговых структур не превышает скорости роста костей черепа. Было дано представление для вектора завихренности и диссипации энергии в задаче о потоке для криволинейного канала, тем самым определяя величину завихренности и диссипации энергии в зависимости от кривизны и кручения центральной линии канала. Точность асимптотических формул оценивается в терминах степеней малых параметров. Численные расчеты для спиральных труб демонстрируют эффективность асимптотических формул. В результате работы были определены отдельные нейровизуализационные маркеры НТГ, а также увеличение объемно-скоростных характеристик потока ЦСЖ на уровне водопровода мозга (p < 0.01, с преобладанием ретроградной составляющей) в сравнении с группой контроля и пациентами с атрофической вентрикуломегалией. Выявлено разнонаправленное изменение объема интракраниального венозного оттока в группах исследуемых: у пациентов с НТГ – снижение оттока по прямому синусу в 1.4 раза (p < 0.01), у пациентов с атрофической вентрикуломегалией – снижение оттока по верхнему сагиттальному синусу в 1.3 раза p < 0.05$).