Prospects of mathematical modelling for optimization of intersystem bypass grafting in congenital heart diseases among children

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Objective. To study the facilities of mathematical modelling of the system aorta-shunt-pulmonary artery for assessing the efficiency of shunt functioning.

Materials and methods. The risk factors for the development of complications in 35 newborns and infants of the first year of life were analyzed while carrying out the procedure of the modified Blalock-Taussig shunt (MBTShunt). The study lasted from 2016 to 2021. The age median at the time of operation was 10 (Q1–Q3: 3,5–30) days (from 1 to 180), the body mass median – 3,0 (Q1–Q3: 2,8–3,54) kg. The shunt size median was 3,5 mm (Q1–Q3: 3,5–3,5), and the median of shunt size per 1 kg of body mass – 1,11 (Q1–Q3: 1,0–1,21) mm/kg.

The shunt size was increased for 4 out of 35 (11.4%) patients. As a result of cooperation with Perm Polytechnic University, in the frameworks of the program of hydrodynamic modelling evaluation, the data from 4 patients were processed mathematically to assess blood flowing through the MBTShunt.

Results. Three (9 %) out of thirty five patients died in 3 (Q1–Q3: 2,5–11,0) (min–max 2–19) days because of cardiorespiratory decompensation. The only prognostically unfavorable risk factor for death was a large value of shunt size to body mass ratio (p=0.023). It was stated according to mathematical modelling data that the blood flow through the pulmonary arteries in all the analyzed types of shunts was not symmetric. An increase in the diameter of a shunt permits to improve a symmetry of blood flow through the left and right branches of the pulmonary artery.

Conclusions. The procedure of MBTShunt remains the procedure of high risk that is associated with a significant sickness rate and death rate in the early postoperative period. Mathematical modelling of the system aorta-shunt-pulmonary artery prior to the operation makes it possible to choose an optimal diameter of shunt and place of its implantation and will become one of the stages to personified surgery of congenital heart diseases in the future.

About the authors

Yu. S. Sinelnikov

S.G. Sukhanov Federal Center for Cardiovascular Surgery

Author for correspondence.
Email: ysinelnikov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8294-662X

MD, PhD, cardiovascular surgeon, Chief Physician

Russian Federation, Perm

V. B. Arutyunyan

S.G. Sukhanov Federal Center for Cardiovascular Surgery

Email: ysinelnikov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1730-9050

MD, PhD, cardiovascular surgeon, Head of Cardiac Surgery Unit

Russian Federation, Perm

A. A. Porodikov

S.G. Sukhanov Federal Center for Cardiovascular Surgery

Email: ysinelnikov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3624-3226

cardiovascular surgeon

Russian Federation, Perm

A. N. Biyanov

E.A. Vagner Perm State Medical University

Email: ysinelnikov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9314-3558

Candidate of Medical Sciences, Associate Professor, Department of Pediatrics with Course of Polyclinic Pediatrics

Russian Federation, Perm

N. S. Pospelova

E.A. Vagner Perm State Medical University

Email: ysinelnikov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0075-0226

Candidate of Medical Sciences, Associate Professor, Department of Children’s Infectious Diseases

Russian Federation, Perm

A. G. Kuchumov

Perm National Research Polytechnic University; Kazan Federal University

Email: ysinelnikov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0466-175X

Candidate of Physico-Mathematical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of Department of Culculus Mathematics and Biomechanics

Russian Federation, Perm; Kazan

B. S. Tuktamyshev

Perm National Research Polytechnic University

Email: ysinelnikov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3994-0388

Candidate of Physico-Mathematical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of Department of Culculus Mathematics and Biomechanics

Russian Federation, Perm

References

  1. McKenzie E.D., Khan M.S., Samayoa A.X. et al. The Blalock-Taussig shunt revisited: a contemporary experience. J Am CollSurg 2013; 216 (4): 699-704.
  2. Williams J.A., Bansal A.K., Kim B.J. et al. Two thousand Blalock-Taussig shunts: a six-decade experience. Ann Thorac Surg 2007; 84: 2070-2075.
  3. Moulton A.L., Brenner J.I., Ringel R. et al. Classic versus modified Blalock-Taussig shunts in neonates and infants. Circulation 1985; 72: II35-44.
  4. Blalock a, taussig hb. The surgical treatment of malformations of the heart: in which there is pulmonary stenosis or pulmonary atresia. jama 1945; 128 (3): 189-202.
  5. de Leval M.R., McKay R., Jones M., Stark J., Macartney FJ.J Modified Blalock-Taussig shunt. Use of subclavian artery orifice as flow regulator in prosthetic systemic-pulmonary artery shunts. Thorac Cardiovasc Surg 1981; 81 (1): 112-119.
  6. Gold J.P., Violaris K., Engle M.A. et al. A five-year clinical experience with 112 Blalock-Taussig shunts. J CardSurg 1993; 8: 9-17.
  7. Verena Dirks, René Prêtre, Walter Knirsch, Emanuela R. Valsangiacomo Buechel, Burkhardt Seifert, Martin Schweiger, Michael Hübler and Hitendu Dave. Modified Blalock Taussig shunt: a not-so-simple palliative procedure. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery 2013; 44: 1096-1102.
  8. Curzon C.L., Milford-Beland S., Li J.S. et al. Cardiac surgery in infants with low birth weight is associated with increased mortality: analysis of the Society Of Thoracic Surgeons Congenital Heart Database. J Thorac Cardiovasc Surg 2008; 135: 546-555.
  9. Alsoufi B., Gillespie S., Mori M., Clabby M., Kanter K., Kogon B. Factors affecting death and progression towards next stage following modified Blalock-Taussig shunt in neonates. Eur J Cardiothorac Surg 2016; 50: 169-177.
  10. European Association for Cardiothoracic Surgery (EACTS) congenital database, available at: http://www.eactscongenitaldb.org/db/public-reports.py?fncr42&dbname=database.
  11. Orlando Petrucci, O'Brien S.M., Jacobs M.L., Jacobs J.P., Manning P.B., Eghtesady P. Risk factors for mortality and morbidity after the neonatal Blalock-Taussig shunt procedure. Ann Thorac Surg 2011; 92 (2): 642-652.
  12. Myers J.W., Ghanayem N.S., Cao Y. et al. Outcomes of systemic to pulmonary artery shunts in patients weighing less than 3 kg: analysis of shunt type, size, and surgical approach. J Thorac Cardiovasc Surg 2014; 147: 672-677.
  13. Gedicke M., Morgan G., Parry A., Martin R., Tulloh R. Risk factors for acute shunt blockage in children after modified Blalock-Taussig shunt operations. Heart Vessels 2010; 25 (5): 405-409.
  14. Shibata M., Itatani K., Oka N., Yoshii T., Nakamura Y., Kitamura T., Horai T., Miyaji K. Optimal Graft Size of Modified Blalock-Taussig Shunt for Biventricular Circulation in Neonates and Small Infants. Int Heart J 2015; 56 (5): 533-536.
  15. Michio Yokota M.D. Ryusuke Muraoka M.D. Minoru Aoshima M.D. Shinichi Nomoto M.D. Yoshishada Shiraishi et al. Modified Blalock-Taussig shunt following long-term administration of prostaglandin E1 for ductus-dependent neonates with cyanotic congenital heart disease. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery 1985; 90 (3): 399-403.
  16. Neichuan Zhanga, Haiyun Yuanb, Xiangyu Chen, Jiawei Liu, Chengbin Zhou, Meiping Huang, Qifei Jian, Jian Zhuang Hemodynamic of the patent ductus arteriosus in neonates with modified Blalock-Taussig shunts Computer Methods and Programs in Biomedicine 2020; 186: 105223
  17. Zahorec M., Hrubsova Z., Skrak P., Poruban R., Nosal M., Kovacikova L. A comparison of Blalock-Taussig shunts with and without closure of the ductus arteriosus in neonates with pulmonary atresia. Ann Thorac Surg 2011; 92 (2): 653-658.
  18. Sahoo T.K., Chauhan S., Sahu M., Bisoi A., Kiran U. Effects of hemodilution on outcome after modified Blalock-Taussig shunt operation in children with cyanotic congenital heart disease. J Cardiothorac Vasc Anesth 2007; 21: 179-183.
  19. Ruttmann T.G. Haemodilution enhances coagulation. Br J Anaesth 2002; 88 (4): 470-472.
  20. Marsden A.L. Simulation based planning of surgical interventions in pediatric cardiology. Phys Fluids (1994) 2013; 25 (10): 101303.
  21. Keshmiri, Amir; Andrews, Kirstie. Vascular flow modelling using computational fluid dynamics. Handbook of Vascular Biology Techniques. Springer Nature 2015; 343-361.
  22. Malota Z., Nawrat Z., Kostka P., Mizerski J., Nowinski K., Waniewski J. Physical and computer modelling of blood flow in a systemic-to-pulmonary shunt. Int J Artif Organs 2004; 27 (11): 990-999.
  23. DeCampli W.M., Ricardo Argueta-Morales I., Divo E., Kassab A.J. Computational fluid dynamics in congenital heart disease. Cardiol. Young 2012; 22 (6): 800-808.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2022 Sinelnikov Y.S., Arutyunyan V.B., Porodikov A.A., Biyanov A.N., Pospelova N.S., Kuchumov A.G., Tuktamyshev B.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».