Аортальний клапан

Аортальний клапан вважається найбільш вивченим, оскільки описана давно, починаючи з Леонардо да Вінчі (1513) і Вальсальви (1740), і багато разів, особливо протягом другої половини XX століття. При цьому дослідження минулих років носили, переважно, описовий або, рідше, порівняльний характер. Починаючи з роботи J Zimmerman (1969), в якій автор запропонував розглядати «функцію клапана як продовження його структури», більшість досліджень стало носити морфофункціональний характер. Такий підхід в дослідженні функції аортального клапана через вивчення його структури був, до певної міри, обумовлений методичними труднощами прямого дослідження біомеханіки клапана аорти в цілому Дослідження функціональної анатомії дозволили визначити морфофункціональні кордону аортального клапана, уточнити термінологію, а також вивчити в значній мірі його функцію.

Завдяки цим дослідженням аортальний клапан в широкому розумінні стали розглядати як єдину анатомо-функціональну структуру, яка відноситься як до аорти, так і до лівого шлуночка.

За сучасними уявленнями, аортальний клапан є об'ємною структурою лійкоподібної або циліндричної форми, що складається з трьох синусів, трьох межстворчатих трикутників Генле, трьох напівмісячних стулок і фіброзного кільця, проксимальної і дистальної межами якої є, відповідно, вентрікулоаортальное і сінотубулярное з'єднання.

Рідше використовується термін «клапанно-аортальний комплекс». У вузькому сенсі, під аортальним клапаном іноді розуміють запірательниі елемент складається з трьох стулок, трьох комиссур і фіброзного кільця.

З точки зору загальної механіки, аортальний клапан розглядають як композитну структуру, що складається з міцного фіброзного (силового) каркаса і розміщених на ньому відносно тонких оболонкових елементів (стінки синусів і стулки). Деформації і переміщення цього каркаса відбуваються під дією внутрішніх сил, що виникають в закріплених на ньому оболонках. Каркас, в свою чергу, визначає деформації і переміщення оболонкових елементів. Каркас складається, переважно, з щільно упакованих колагенових волокон. Така конструкція клапана аорти визначає довговічність його функцію.

Синуси Вальсальви - розширена частина початкового відділу аорти, обмежена проксимально відповідним сегментом фіброзного кільця і стулкою, а дистально - сінотубулярним з'єднанням. Синуси названі згідно відходить коронарних артеріях правий коронарний, лівий коронарний і некоронарного. Стінка синусів тонші стінки аорти і складається тільки з інтими і медії, кілька потовщених за рахунок колагенових волокон. При цьому в стінці синусів кількість еластинових волокон зменшується, а колагенових збільшується в напрямку від сінотубулярного до вентрікулоаортальному з'єднанню. Щільні колагенові волокна розташовуються, переважно, по зовнішній поверхні синусів і орієнтовані в окружному напрямку, а в подкоміссуральном просторі беруть участь в утворенні межстворчатих трикутників, що підтримують форму клапана. Основна роль синусів зводиться до перерозподілу напруги між стулками і синусами в діастолу і встановлення рівноважного положення стулок в систолу. Синуси розділені на рівні їх підстави межстворчатимі трикутниками.

Фіброзний каркас, який утворює аортальний клапан являє собою єдину просторову структуру міцних фіброзних елементів кореня аорти, фіброзного кільця підстави стулок, комісуральних стрижнів (стовпчиків) і сінотубулярного з'єднання. Сінотубулярное з'єднання (арочне кільце, або арочний гребінь) - хвилеподібною форми анатомічне з'єднання між синусами і висхідною аортою.

Вентрікулоаортальное з'єднання (кільце підстави клапана) - округлої форми анатомічне з'єднання між вихідним відділом лівого шлуночка і аортою, що представляє собою фіброзну і м'язову структуру. У зарубіжній літературі з хірургії вентрікулоаортальное з'єднання частіше називають «аортальним кільцем». Вентрікулоаортальное з'єднання сформовано, в середньому, на 45-47% з міокарда артеріального конуса лівого шлуночка.

Коміссуру - лінія з'єднання (зіткнення) суміжних стулок своїми периферійними проксимальними краями на внутрішній поверхні дистального сегмента кореня аорти і предлежащая своїм дистальним кінцем до сінотубулярному з'єднанню. Комісуральних стрижні (стовпчики) - місця фіксації комиссур на внутрішній поверхні кореня аорти. Комісуральних стовпчики є дистальним продовженням трьох сегментів фіброзного кільця.

Межстворчатие трикутники Генле є фіброзними або фіброзно-м'язовими компонентами кореня аорти і розташовані проксимальніше комиссур між суміжними сегментами фіброзного кільця і відповідними стулками. Анатомічно межстворчатие трикутники є частиною аорти, проте функціонально вони забезпечують вихідні шляху з лівого шлуночка і схильні до дії гемодинаміки шлуночка, а не аорти. Межстворчатие трикутники грають важливу роль в біомеханічної функції клапана, дозволяючи синусам функціонувати відносно незалежно, об'єднують їх і підтримують єдину геометрію кореня аорти. Якщо трикутники малі або асиметричні, то розвивається вузьке фіброзне кільце або дисторцией клапана з подальшим порушенням функції стулок. Цю ситуацію можна спостерігати при двостулковому клапані аорти.

Стулка - замикає елемент клапана, своїм проксимальним краєм відходить від півмісяцевої частини фіброзного кільця, що представляє собою щільну колагенову структуру. Стулка складається з тіла (основний навантажується частини), поверхні коаптаціі (змикання) і підстави. Вільні краї суміжних стулок в закритому положенні утворюють зону коаптаціі, що поширюється від комиссур до центру стулки. Стовщена трикутної форми центральна частина зони коаптаціі стулки отримала назву вузлика Аранци.

Стулка, яка утворює аортальний клапан складається з трьох шарів (аортального, шлуночкового і губчатого) і покрита зовні тонким ендотеліальних шаром. Шари, звернений в сторону аорти (fibrosa), переважно містить колагенові волокна, орієнтовані в окружному напрямку у вигляді пучків і тяжів, і невеликої кількості еластинових волокон. У зоні коаптаціі вільного краю стулки цей шар присутній у вигляді окремих пучків. Колагенові пучки в цій зоні «підвішені» між комісуральними стовпчиками під кутом приблизно в 125 ° щодо стінки аорти. У тілі зграї ці пучки відходять під кутом близько 45 ° від фіброзного кільця у вигляді напівеліпса і закінчуються на його протилежному боці. Така орієнтація «« силових »пучків і країв стулки у вигляді« підвісного моста »призначена для передачі навантаження тиском в діастолу зі стулки на синуси і фіброзний каркас, який утворює аортальний клапан.

У ненагруженной стулці пучки фібрози знаходяться в скороченому стані у вигляді хвилястих лінії, розташованих в окружному напрямку на відстані приблизно в 1 мм один від одного. Колагенові волокна, складові пучки, в розслабленій стулці мають також хвилясту структуру з періодом хвилі близько 20 мкм. При додатку навантаження ці хвилі розпрямляються, дозволяючи тканини розтягнутися. Повністю випрямлені волокна стають нерозтяжними. Складки колагенових пучків легко розпрямляються при невеликому навантаженні стулки. Ці пучки добре видно в навантаженому стані і світлі.

Сталість геометричних пропорцій елементів кореня аорти було вивчено методом функціональної анатомії. Зокрема, було встановлено, що відношення діаметрів сінотубулярного з'єднання і підстави клапана постійно і становить 0,8-0,9. Це справедливо для клапанно-аортальних комплексів осіб молодого і середнього віку.

З віком відбуваються якісні процеси порушення структури стінки аорти, що супроводжуються зменшенням її еластичності і розвитком кальцифікації. Це призводить, з одного боку, до поступового її розширення, а з іншого, - до зниження еластичності. Зміна геометричних пропорцій і зниження розтяжності аортального клапана настає у віці старше 50-60 років, що супроводжується зменшенням площі відкриття стулок і погіршенням функціональних характеристик клапана в цілому. Вікові анатомо-функціональні особливості кореня аорти пацієнтів повинні враховуватися при імплантації безкаркасних біологічних замінників в аортальну позицію.

Порівняння структури такого утворення, як аортальний клапан людини і ссавців було виконано в кінці 60-х рр XX століття. У цих роботах була показана схожість ряду анатомічних параметрів свинячого і людського клапана на відміну від інших ксеногенних коренів аорти. Зокрема, було показано, що у людського клапана некоронарного і лівий коронарний синуси були, відповідно, найбільшим і найменшим. У той же час у свинячого клапана правий коронарний синус був найбільшим, а некоронарного - найменшим. Тоді ж вперше були описані відмінності в анатомічній будові правого коронарного синуса свинячого і людського клапана аорти. У зв'язку з розвитком реконструктивно-пластичної хірургії і протезування аортального клапана біологічними безкаркасними замінниками в останні роки знову поновилися анатомічні дослідження клапана аорти.

[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]

Аортальний клапан людини і свинячий клапан аорти

Проведено порівняльне дослідження структури аортального клапана людини і свинячого аортального клапана як потенційного ксенографта. Було показано, що ксеногенні клапани мають відносно низький профіль і в більшості випадків (80%) асиметричні внаслідок меншого розміру їх некоронарного синуса. Помірна асиметрія клапана аорти людини обумовлена меншим розміром його лівого коронарного синуса і не настільки виражена.

Свинячий аортальний клапан, на відміну від людського, не має фіброзного кільця і його синуси безпосередньо не межують з підставою стулок. Свинячі стулки кріпляться своїм напівмісячним підставою безпосередньо до основи клапана, оскільки справжнє фіброзне кільце у свинячих клапанів відсутня. Підстави ксеногенних синусів і стулок кріпляться до фіброзної і / або фіброзно-м'язової частинам підстави клапана. Наприклад, підстава некоронарной і лівої коронарної стулок свинячого клапана у вигляді розбіжних листків (fibrosa і ventnculans) кріпляться до фіброзного основи клапана. Іншими словами, стулки, які утворюють свинячий аортальний клапан безпосередньо прилягають до синусів, як у алогенних коренів аорти. Між ними розташована дистальна частина підстави клапана, яка в поздовжньому напрямку (вздовж осі клапана) на рівні самої проксимальної точки лівого коронарного і некоронарного синусів дорівнює, в середньому, 4,6 ± 2,2 мм, а правого коронарного синуса - 8,1 ± 2,8 мм. Це є важливим і істотною відмінністю свинячого клапана від клапана людини.

М'язове впровадження аортального конуса лівого шлуночка по осі в свинячому корені аорти набагато значніше, ніж в алогенних. У свинячих клапанів це впровадження утворювало підставу правої коронарної стулки і однойменного синуса, а також в меншій мірі підставу прилеглих сегментів лівої коронарної і некоронарной стулок. У алогенних клапанів це впровадження створює лише опору основи, переважно, правого коронарного синуса і, в меншій мірі, лівого коронарного синуса.

Аналіз розмірів і геометричних пропорцій окремих елементів клапана аорти в залежності від Внутрішньоаортальної тиску використовувався в функціональної анатомії досить часто. Для цього застосовували заливку кореня аорти різними твердне речовинами (каучуком, парафіном, силіконової гумою, пластмасами та ін.), А також виробляли його структурну стабілізацію хімічним або криогенним способом під різним тиском. Отримані зліпки або структуровані коріння аорти вивчали морфометричних методом. Такий підхід до дослідження аортального клапана дозволив встановити деякі закономірності його функціонування.

В експериментах in vitro та in vivo було показано, що корінь аорти є динамічною структурою і більшість його геометричних параметрів змінюється протягом серцевого циклу в залежності від тиску в аорті і лівому шлуночку. В інших дослідженнях було показано, що функція стулок в значній мірі визначається еластичністю і розтяжністю кореня аорти. Вихровим рухам крові в синусах відводилася важлива роль у відкритті та закритті стулок.

Дослідження динаміки геометричних параметрів клапана аорти було проведено в експерименті на тварин методами високошвидкісної кіноангіографіі, кінематографії і кінерадіографіі, а також у здорових осіб за допомогою кіноангіокардіографіі. Ці дослідження дозволили досить точно оцінити динаміку багатьох елементів кореня аорти і лише може бути оцінити динаміку форми і профілю стулки протягом серцевого циклу. Зокрема, було показано, що сістолодіастоліческій розширення сінотубулярного з'єднання становить 16-17% і тісно корелює з артеріальним тиском. Діаметр сінотубулярного з'єднання досягає максимальних значень на піку систолічного тиску в лівому шлуночку, полегшуючи тим самим відкриття стулок за рахунок розбіжності комиссур назовні, а потім зменшується після закриття стулок. Діаметр сінотубулярного з'єднання досягає мінімальних значень в кінці фази изоволюмического розслаблення лівого шлуночка і починає збільшуватися в діастолу. Комісуральних стовпчики і сінотубулярное з'єднання завдяки своїй гнучкості беруть участь в розподілі максимальної напруги в стулках після їх закриття протягом періоду швидкого зростання зворотного трансклапанного градієнта тиску. Також були розроблені математичні моделі для пояснення руху стулок під час їх відкриття і закриття. Однак дані математичного моделювання в значній мірі не узгоджувалися з експериментальними даними.

Динаміка підстави клапана аорти впливає на нормальну роботу стулок клапана або імплантованого бескаркасного біопротеза. Було показано периметр підстави клапана (собаки і вівці) досягав максимального значення на початку систоли, зменшувався протягом систоли і був мінімальним в її кінці. Протягом діастоли периметр клапана збільшувався. Підстава аортального клапана також здатне до циклічних асиметричним змін свого розміру за рахунок скорочення м'язової частини вентрікулоаортального з'єднання (межстворчатих трикутників між правим і лівим коронарними синусами, а також підстав лівого і правого коронарних синусів). Крім цього, були виявлені деформації зсуву і кручення кореня аорти. Найбільші скручують деформації відзначені в області комісуральними стовпчика між некоронарного і лівим коронарним синусами, а мінімальні - між некоронарного і правим коронарним. Імплантація бескаркасного біопротеза з напівтвердим підставою може змінити податливість кореня аорти до скручують деформацій, що призведе до передачі скручують деформацій на сінотубулярное з'єднання композитного кореня аорти і утворення дисторцией стулок біопротеза.

Проведено дослідження нормальної біомеханіки клапана аорти у молодих осіб (в середньому 21,6 року) методом черезстравохідної ехокардіографії з подальшою комп'ютерною обробкою відеозображення (до 120 кадрів в секунду) і аналізом динаміки геометричних характеристик елементів клапана аорти в залежності від часу і фаз серцевого циклу. Було показано, що в систолу істотно змінюються площа відкриття клапана, радіальний кут нахилу стулки до основи клапана, діаметр основи клапана і радіальна довжина стулки. У меншій мірі змінюються діаметр сінотубулярного з'єднання, окружна довжина вільного краю стулки і висота синусів.

Так, радіальна довжина стулки була максимальною в діастолічну фазу изоволюмического зниження внутрижелудочкового тиску і мінімальної - в систолическую фазу скороченої вигнання. Радіальне сістолодіастоліческій розтягнення стулки склало, в середньому, 63,2 ± 1,3%. Стулка була довшою в діастолу при високому діастолічному градієнті і коротше в фазу скороченої кровотоку, коли систолічний градієнт був близький до нуля. Окружне сістолодіастоліческій розтягнення стулки і сінотубулярного з'єднання склало, відповідно, 32,0 ± 2,0% і 14,1 ± 1,4%. Радіальний кут нахилу стулки до основи клапана змінювався, в середньому, від 22 до диастолу до 93 ° в систолу.

Систолічний переміщення стулок, які утворюють аортальний клапан умовно підрозділяють на п'ять періодів:

1. підготовчий період припадав на фазу изоволюмического підвищення внутрижелудочкового тиску; стулки випростувались, кілька скорочувалася в радіальному напрямку, ширина зони коаптаціі зменшувалася, кут збільшувався, в середньому, з 22 ° до 60 °;
2. період швидкого відкриття стулок тривав 20-25 мс; з початком вигнання крові біля основи стулок утворювалася хвиля інверсії, яка швидко поширювалася в радіальному напрямку на тіла стулок і далі до їх вільним краях;
3. пік відкриття стулок припадав на першу фазу максимального вигнання; в цей період вільні краї стулок максимально вигиналися в сторону синусів, форма відкриття клапана наближалася до кола, а в профіль клапан нагадував форму усіченого перевернутого конуса;
4. період відносно стійкого відкриття стулок припадав на другу фазу максимального вигнання, вільні краї стулок випростувались уздовж осі потоку, клапан приймав форму циліндра, і стулки поступово прикривалися; до кінця цього періоду форма отвору клапана ставала трикутної;
5. період швидкого закриття клапана збігався з фазою скороченої вигнання. У підстави стулок утворювалася хвиля реверсії, що розтягує скоротилися стулки в радіальному напрямку, що призводило до їх змикання спочатку по желудочковому краю зони коаптаціі, а потім - до повного закриття стулок.

Максимальні деформації елементів кореня аорти припадали на періоди швидкого відкриття і закриття клапана. При швидкій зміні форми стулок, які утворюють аортальний клапан в них можуть виникати високі напруги, здатні приводити до дегенеративних змін тканини.

Механізм відкриття і закриття стулки з утворенням, відповідно, хвилі інверсії і реверсії, а також збільшення радіального кута нахилу стулки до основи клапана в фазу изоволюмического підвищення тиску всередині шлуночка можна віднести до демпферним механізмам кореня аорти, що знижують деформації і напруги стулок клапана.