Инженеры считают, что более тонкие ткани в сменных сердечных клапанах создают проблемный флаттер
Это компьютерные модели замены аортальных клапанов сердца. Модели показывают биологические ткани, встроенные в клапаны при толщине 100%, 75%, 50% и 25%. Вы можете увидеть трепетание в более тонких тканях внизу. Предоставлено: Мин-Чен Хсу.

Вы находитесь в середине аорты, тела, по которому поступает кровь, обогащенная кислородом, и оглядываетесь в сторону основного насоса сердца, левого желудочка.

Мышца желудочка сокращается, и три створки клапана сердца аорты взрываются, и кровь течет со скоростью до 200 сантиметров в секунду. И что это?

Эти три листовки колеблются в потоке — развеваются в инженерном плане. Это проблема. Это может привести к разрыву листовок, отложению кальция, усталости и даже повреждению проходящей крови.

У нас есть взгляд очевидца, с физически невозможной точки зрения, благодаря вычислительным моделям взаимодействия структуры жидкости и крови клапанов сердца, разработанным инженерами в Университете штата Айова и Техасском университете в Остине.

Инженеры использовали свою технологию для изучения того, что происходит, когда все более и более тонкие биологические ткани от коров или свиней используются для транскатетерной замены аортального клапана. Эта процедура включает сжатие искусственного клапана в катетер, который пронизывает артерию к корню аорты, где он расширяется и закрепляется на месте. При создании запасных клапанов имеет смысл выбирать тонкие ткани — более тонкие ткани можно сложить в меньшие катетеры для более легкого перемещения через узкие трубки артерий.

Но в параллельных моделях, сравнивающих толщину тканей 100%, 75%, 50% и 25%, вы можете увидеть проблемы с двумя более тонкими вариантами.

О выводах инженеров сообщается в только что опубликованной в Интернете статье Слушаний Национальной академии наук. Авторы-корреспонденты: Минг-Чен Хсу, доцент кафедры машиностроения в штате Айова; Томас Дж. Р. Хьюз, кафедра вычислительной и прикладной математики Питера О’Доннела младшего, профессор аэрокосмической техники и инженерной механики в Техасе и его Институте вычислительной техники и наук Оден; и Майкл С. Сакс, заведующий кафедрой инженерных и естественных наук им. У. А. «Текса» Монкриф, профессор биомедицинской инженерии и директор Центра моделирования и моделирования сердечно-сосудистых заболеваний им. Виллерсона в Техасе и Института Оден. Эмили Л. Джонсон, докторант в области машиностроения и науки о ветроэнергетике, инженерии и политики в штате Айова, является первым автором. (См. Боковую панель для других соавторов.)

Сравнение инженеров производительности более тонких клапанных тканей было поддержано грантами Национального института здоровья.

Компьютерные модели замены аортальных клапанов сердца. Модели показывают биологические ткани, встроенные в клапаны при толщине 100%, 75%, 50% и 25%. Вы можете увидеть трепетание в более тонких тканях внизу. Предоставлено Ming-Chen Hsu, Университет штата Айова.

Годы и годы испытаний

Нелегко разработать прогнозную вычислительную модель сердечного клапана в действии, сказал Хсу из штата Айова, который моделирует сердечные клапаны более пяти лет.

Постоянное сжатие, давление и поток. Клапаны гибкие. Это очень динамичная система с большим количеством переменных.

«Мы действительно моделируем всю физиологическую систему», — сказал Сюй. «Вот почему потребовалось несколько лет, чтобы правильно смоделировать потоки крови, которые могут изменяться от ламинарного до турбулентного, сердечные клапаны, которые очень тонкие и нелинейные, и мультифизическое соединение, которое может быть численно нестабильным».

Этот вид моделирования требует суперкомпьютерных возможностей, сказал Сюй. Клапаны в этом исследовании были смоделированы с использованием вычислительных ресурсов в Техасском центре передовых вычислений, причем каждый сердечный цикл занимал около двух дней на 144 процессорных ядрах.

Но эта проблема стоит времени и усилий. Каждый раз, когда запасной сердечный клапан изнашивается, пациенты сталкиваются с другой сердечной процедурой. Это делает предотвращение трепетания листов в заменяющем клапане «решающим критерием качества», — пишут инженеры.


Компьютерные модели показывают эффективность замены сердечных клапанов, включая различные толщины биологических тканей от коров или свиней, во время типичного сердечного цикла. Предоставлено Ming-Chen Hsu/Университет штата Айова.

Давайте тоже исследуем науку

Хсу доверяет Джонсону, докторанту в его лаборатории, который также занимается моделированием ветряных турбин, помогая ему продвигать работу своей лаборатории в новом направлении.

«Мой опыт в вычислительных методах», — сказал он. «Но студенты предложили нам больше взглянуть на научные вопросы. Мы больше не просто разрабатываем вычислительные инструменты».

В этом случае компьютерные модели и полученные видеоизображения позволяют легко увидеть и понять науку. (Как говорит Сюй, «я думаю, что видео — лучший способ показать наши результаты».)

При открывании пульсирующим сердцем более тонкие листочки сгибаются в середине и трепетают в кровотоке. «Это как взмах флага», — сказал Джонсон.

Она сказала, что инженеры смогли количественно оценить колебание и обнаружили, что более тонкие ткани имели в 80 раз больше «энергии трепетания», чем более толстые ткани.

Полученные в результате выводы ясны, поскольку взгляды инженеров на взаимодействие структуры жидкости внутри сердечного клапана:

«Учитывая риски, связанные с такими наблюдаемыми явлениями трепетания, включая повреждение крови и ускоренное ухудшение состояния листовки, это исследование демонстрирует потенциально серьезное влияние введения более тонких и более гибких тканей в сердечную систему»./p>




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *