مقدمة لـ "قِيَم القلب" و"دمّ التدفق"

ويجرى في كل عام أكثر من 000 250 من استبدال صمامات القلب في جميع أنحاء العالم، ويعالج ظروفا مثل البستنة الشهيرة، والتشكيلات القفازة، والعيوب الخلقية، وأجهزة الصمامات القلبية الاصطناعية التي تُستخدم في مطاردة الحياة، وهي عبارة عن وسائل مصممة لتكرار المهمة الحاسمة المتمثلة في ميكانيكي الصمامات الطبيعية التي تتدفق دماً غير مباشر عبر غرف القلب.

ويضرب قلب الإنسان حوالي 000 100 مرة في اليوم، حيث يتدفق كل انكماش من الدماء عبر الصمامات، وتفتح الصمامات الطبيعية وتقترب من الكفاءة الملحوظة، وتخلق الحد الأدنى من المقاومة، بينما تمنع التدفق الخلفي، ويجب أن تحقق البدائل الأثرية توازنا مماثلا، ولكن المواد والمعادن الأرضية تنطوي على أنماط تدفق معقدة، ويمكن أن تؤدي الإجهاد والإجهاد الناجم عن التدفق الراقص إلى تدهور الأداء وتضر عناصر الدم.

أنواع القلوب القلبية وخصائصها

قِبل القلب الميكانيكي

وتُبنى الصمامات الميكانيكية من مواد دائمة مثل الكربون البنفسجي، والتيتانيوم، والبوليمرات، وتشمل أكثر التصميمات شيوعاً الصمامات ذات القماش، ومساحات الأقراص المغلقة، ورموز الكرات المغلقة (على الرغم من أن هذه المادة نادراً ما تستخدم اليوم).

وقد استخدم الباحثون قياسات الصور الفيزيائية وديناميات السائل المحسوب لرسم خرائط حقول السرعة حول الصمامات الميكانيكية، وتكشف هذه الدراسات أن الطائرة المركزية في صمامات الباخرة يمكن أن تصل إلى سُبل تتجاوز 3 أمتار أثناء فترة الذروة، مما يؤدي إلى ضغوط قذيفة قد تؤدي إلى تفعيل لوحات الوصل والإسهام في تحسين التدفق.

نبضات القلب الاصطناعية الحيوية

وتُصنع صمامات (مصدر) زراعية بيولوجية من الأنسجة الحيوانية - صمامات أوريات مطاطية أو صمامات مثبتة على إطار أو مثبتة، وتُقلل من الهيكل الثلاثي لصمامات الإنسان الطبيعية، ولأنها بيولوجية، فإنها لا تتطلب عموماً مضادات للتخثر مدى الحياة، مما يجعلها جذابة للمرضى الأكبر سناً أو الذين يعانون من مخاطر النزيف.

إن ديناميات تدفق الصمامات الاصطناعية أكثر تماثلاً للفيزياء الطبيعية، فالنشرات مرنة ومفتوحة مع نشأة ثلاثية مركزية، مما يؤدي إلى زيادة سرعة الصنع، وضغوط أقل في الصمامات الميكانيكية، ومع ذلك فإن حلقة التخدير والخياطة يمكن أن تؤدي إلى اضطرابات في التدفق.

الديناميكية الفلويدية الأساسية في قِبل القلب

الدم هو تغير في النسيج غير النيوتنوي مع معدل الرفوف وتدفقه من خلال بيئة معقدة ودقيقة، ومع ذلك فإن العديد من النماذج تقاربه كسائل نيوتنوي للتبسيط، لا سيما في ارتفاع معدلات الطلقات التي وجدت في تدفقات الصمامات، وتشمل البارامترات الدينامية الرئيسية للسوائل ذات الصلة بصمامات القلب الاصطناعية ما يلي:

  • Reynolds number:] A dimensionless number that indicates whether flow is laminar or turbulent. In heart valves, top Reynolds numbers can range from 3,000 to 10,000 during systole, placing the flow in the turbulent regime.
  • Shear stress:] The tangential force per unit area exerted by flowing blood on the valve surface and on blood cells. High shear stresses (above 1,000 dyn/cm2) can damage red blood cells (hemolysis) and operational platelets, promoting thrombosis.
  • Pressure gradient:] The difference in pressure across the valve. A large gradient indicates high resistance and increased workload on the heart. Modern valves aim for gradients below 10 mmHg at rest.
  • Turbulent kinetic energy (TKE):] A measure of the intensity of flow volatile. High TKE correlates with increased risk of blood damage and thrombus formation.
  • Regurgitant volume:] The amount of blood that leaks backward through the valve during closure. Minimal regurgitation is acceptable, but excessive leakage can reduce cardiac output.

وهذه البارامترات مترابطة، فعلى سبيل المثال، قد يؤدي تغيير التصميم الذي يقلل من مستوى الضغط إلى زيادة الضغط على الماشية أو الاضطراب، مما يؤدي إلى تداولها، والهدف من هندسة الصمامات الحديثة هو إيجاد التوازن الأمثل الذي يقلل من المقاومة وضرر الدم.

مناطق الفصل والتداول

ومن أهم الظواهر في تدفق الصمامات الاصطناعية، فصل التدفق عندما تقطع طبقة الحدود عن سطح الصمامات، مما يخلق مناطق من السائل الرجعي، وغالبا ما تحدث هذه المناطق في الأثام التي خلفت النشرة أو بالقرب من الوحل، ويعزز التدفق المتين تراكم لوحات وعوامل التخصيب، مما يزيد من خطر حدوث تآكل شديد في الصمامات.

كما أن تقنيات التصوير المتدفق، مثل حقن الصبغ أو الرقمي PIV، تسمح للباحثين بتحديد هذه المناطق، ويمكن لعمليات المحاكاة التي تقوم بها لجنة التنمية المستدامة أن تستكشف كيف يمكن أن يؤدي تغيير فتحات النشرات أو إضافة قنوات غسيلها إلى الحد من الركود، وتشتمل بعض تصميمات الصمامات الآلية الجديدة على فتحة مركزية صغيرة لخلق طائرة غسيل رقيقة تزيل المناطق الهزلية خلال كل دورة من دورات القلب.

النمذجة الحاسوبية لتدفق الدم عبر قِمامات القلب

وقد أصبحت ديناميات السوائل الحاسوبية أداة لا غنى عنها لتحليل صمامات القلب الاصطناعية وتحقيق الحد الأمثل لها، كما أن الرموز المسبقة لـدى الـ CFD تحل معادلة التدفق السائل، مقرونة بنماذج الاضطرابات (مثل المحاكاة الكبيرة أو نماذج التحميل التي تُستخدم في النافير - ستوكس) لأن سائل تركيب الشوارع المذيبة،

وتتمتع محاكاة الإيزوات بعدة مزايا على النُهج التجريبية البحتة، وهي تتيح دراسات شبه قياسية سميك النشرات، أو التشوهات المادية، أو قياسات الهندسة المتخلفة عن حساب نماذج التصنيع، كما توفر بيانات موجزة مفصلة عن ضغط الماشية والضغط وسرعة كل دورة القلب، ويمكن لنموذج CFD المثبت أن يتوقع كيف يمكن أن يحدث تغييراً في التصميم.

فعلى سبيل المثال، استخدم الباحثون في جامعة مينيسوتا محاكاة في إطار مبادرة " FSI " لمقارنة صمامات بيليفية قياسية مع تصميم جديد يتضمن منشورات مصفورة، وأظهرت المحاكاة أن تصميمات المناديل قد خفضت الضغط على الماشية بنسبة 20 في المائة، وتقريبا أزالت منطقة إعادة تشكيل خلف الخلل، وقد تأكدت هذه التنبؤات لاحقا في تجارب تجريبية على مستوى الاختبارات.

نماذج الـ "دي إف" ليست سوى جيدة مثل ظروفهم وافتراضاتهم، النماذج الدقيقة تتطلب ملامح واقعية للسرعة (التي غالباً ما تستمد من أشعة القلب أو التصوير بالرنين المغناطيسي) نماذج متوافقة للجذور الشريانية، وعلم الدم المناسب، بالإضافة إلى أن المحاكاة الكبيرة للدم باهظة الثمن،

أساليب تجريبية في الديناميكية المميتة

في لوحات ضوئية فيترو ورمائية من الجسيمات

ولا يزال الاختبار المختبري ضرورياً للتحقق من التنبؤات الحسابية ودراسة الظواهر التي يصعب طباعتها، مثل التلف أو التلف الدمي، أما التصورات في تركيبات الفيترو فتتمثل في حلقة تدفق نقية تُعد القلب الأيسر، ويُعد الصمام الاصطناعي في غرفة متوافقة مع الجذور الأبوية، ويُولِّد سائل مُعدِّل قابل للبرمجة من التدفق الفيزيائي.

ويُعد قياس الصور الفيزيائية (PIV) معياراً للذهب لقياس الحقول السرعة في هذه الإنشاءات، ويُستَخَصَّر السوائل بجسيمات صغيرة من التعقب (من 10 إلى 50 ميكروغرام من البوليسترين) تُستخدم في التدفق، وتُلقي صحيفة الليزر المُعَرَّفة الضوء على تسلسل التدفق، وتلتقط آلة تصوير عالية السرعة صوراً مُفصلة.

وأحد القيود على هذا النوع هو أنه لا يقدم بيانات إلا في الطائرة غير المهيمنة، إذ يمكن أن يقيس البرنامج المتعدد الأبعاد (مثلاً، PIV) الغامض السرعة خارج نطاق الخطة، مما يضيف عنصراً ثالثاً، وهذه الأساليب قيمة بوجه خاص بالنسبة للتدفقات ذات النزعة الثلاثة، مثل تلك التي تقارب معلومات النشرات.

Laser Doppler Velocimetry and Hemolysis Testing

(د) إن قياس الفيلوسيفر (LDV) هو أسلوب آفـي آخر يقـوم بسرعـة في نقطة واحدة ذات حل زمني عال جداً، وكثيراً ما يُستخدم للتحقق من نتائج الـ (CFD) في مواقع محددة، مثل خط الصمام الرئيسي، ولأن الـ (LDV) هو ذو حافة عالية، فإنه أبطأ في رسم خرائط كاملة، ولكنه يظل مفيداً في قياس التقلبات الكميائية.

بالإضافة إلى تصور التدفق، في الاختبارات الفيروسية غالباً ما تتضمن الأشعة الحرارية الدم أو ملوّث الدم يعمم عبر الصمام لفترة ثابتة، وكشف الهرمجين من الخلايا الحمراء المضرورة يقاس بشكل مُخمّن، وهذا يوفر قياساً مباشراً لإمكانية حدوث أضرار في الدم في الصمامات، وكذلك يُستخدم الأشعة المُلوّنة لقياس الزهري.

الآثار السريرية لدم تدفق الدم

إن ديناميات تدفق الدم من خلال صمامات القلب الاصطناعية لها عواقب سريرية عميقة، وترتبط ثلاث مضاعفات رئيسية ارتباطا مباشرا بأنماط التدفق: التفسخ، والتحلل الحراري، وتحلل الصمامات الهيكلية.

التخثر والتشويش

وتظل حالات التكوين في الصمامات الاصطناعية سببا رئيسيا للاعتلال، إذ أن الصمامات الميكانيكية تنطوي على خطر سنوي يتراوح بين 1 و4 في المائة من الأحداث الرئوية على الرغم من التطهير، وتدل الأسباب على أن الديناميات السوائل تؤدي دورا مركزيا، وتسمح مناطق الركود (الضبابة) بتجميع عوامل التخصيب، بينما يمكن للإجهاد الناجم عن ارتفاع الكسور أن ينشط.

تحلل في الدم

ويتسبب التحلل الحراري في تدمير خلايا الدم الحمراء - التي يمكن أن يسببها ارتفاع ضغط الأشعة الميكانيكية أو التأثير على مكونات الصمامات الصلبة، ونادرا ما تسبب الصمامات الصناعية الحديثة تحللاً كبيراً من الناحية السريرية، ولكن التحلل شبه السريري شائع، ويؤدي تحلل الدم إلى ارتفاع مستوى الهيموجين الحر في البلازما، مما قد يؤدي إلى تضخيم الهاب الكبدي ويسبب الإجهاد المفرط في الأورامو.

Structural Valve Degeneration

وقد تتعرض الصمامات الاصطناعية للتدهور التدريجي بسبب التكليس أو الدموع الورقية أو الازدحام في الفينوس، وفي حين أن هذه العمليات هي في المقام الأول بيولوجية، فإن ديناميات التدفق يمكن أن تعجل بها، مثلا، مناطق التدفق المضطرب أو الركود المرتفع قد تعزز تكوين العقيدات السعرية، كما أن الإجهاد المتصاعدي للقلبات الميكانيكية يمكن أن يصيب النسيج الميسر.

ومن الاعتبارات السريرية الأخرى التفاعل بين الصمامات الاصطناعية وعلامة التشريح الأصلية، مثلا، الصمام الذي يولد طائرة نفاثة عالية السرعة موجهة نحو الجدار الأورطي يمكن أن يسبب ضرراً جداً أو تضخماً حاداً، ويمكن للمحاكاة الخاصة بالمرضى أن تحدد هذه المخاطر وأن تُخطر باختيار نوع الصمام أو عمق زرعه.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

ولا يزال مجال الديناميات الدموية الصمامية الاصطناعية يتطور بسرعة، وتعود عدة اتجاهات ناشئة إلى تعزيز أداء الصمامات ونتائج المرضى.

تصميم الصمامات السريعة

مع التقدم في الطباعة 3D والتصوير الطبي، أصبح من الممكن الآن تصميم صمامات صناعية مصممة خصيصاً لتشريح الفرد، حيث يمكن أن تؤدي نماذج خاصة بالمرضى في مركز حماية البيئة إلى تحفيز التدفق من خلال تصميمات المرشحين واختيار واحدة ذات أمثل دينامية، وهذا النهج واعد بشكل خاص بالنسبة لصمامات التخثر، حيث تتفاوت مواقع النشر تفاوتاً واسعاً.

المواد المتقدمة والتعديلات السطحية

وتهدف المواد الجديدة، مثل البوليمرات النانوية والمعاطف المشبع بيولوجيا، إلى تحسين القابلية للدوام مع الحد من تجانس الثيران، مثلا، يمكن أن يؤدي الصمام المختلط ببوليمر شبيه بالهيبارين إلى إعاقة التخثر المحلي، مما قد يتيح الحد من التكاثر الناموسومي، ويمكن أن يؤدي التكتل السطحي المستوحى من جلد القرش إلى الحد من آثار الاضطرابات وإجهاد.

تعليم الآلات ونمذجة البيانات

وتستخدم خوارزميات التعلم من الآلات لتسريع عمليات المحاكاة التي تقوم بها لجنة تنمية الحواضر، ومن خلال تدريب الشبكات العصبية على مجموعات كبيرة من البيانات المتعلقة بأجهزة قياس الصمامات وميادين تدفقها، يمكن للباحثين التنبؤ بالأداء الديناميكي للتصميمات الجديدة في مصب الألف الثانية بدلا من الأيام، مما يتيح استكشاف أماكن التصميم السريع، وعلاوة على ذلك، يمكن لرصد التدفق في الوقت الحقيقي باستخدام أجهزة الاستشعار المأهولة، بالإضافة إلى التعلم الآلي أن يُن.

In Vivo Flow Imaging

وفي حين أن الأشعة السينية والاختبارات الفيروسية ضرورية، فإن التدفق الفيفوي للبيانات المحتوية على التدفق 4D، أو التصوير المغناطيسي، أو الأشعة الكهرومغناطيسية - توفر التحقق النهائي. ويمكن أن يلتقط جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي المحتوي على ثلاث أبعاد في مجالات السرعة في القلب والسفن الكبيرة، بما في ذلك من خلال الصمامات الاصطناعية، إلا أن التحف الأثر الافتراضي من المكونات المعدنية الجديدة لا تزال.

خاتمة

ديناميات تدفق الدم من خلال صمامات القلب الاصطناعية تمثل تقاطعاً مذهلاً بين الهندسة والفيزياء والطب السريري، من الأيام الأولى من الاصطناعية في كرة القفص إلى الصمامات المتطورة والميكانيكية، لا يزال السعي إلى إيجاد بديل مثالي يسترشد بفهم عميق للميكانيكيات.

ومع تزايد عمر السكان وانتشار أمراض القلب الوادي، فإن الطلب على صمامات صناعية أفضل لن يزداد إلا، فالإدماج المستمر للنموذج الخاص بالمرضى، والمواد المتقدمة، والتحسين الأمثل للآلات، يعد بمستقبل يتلقى فيه كل مريض صماماً يكون مثالياً بدرجة كبيرة لحياة فريدة من نوعها من التشريح والفيزيولوجيا.

[يحتوي على مزيد من القراءة على الديناميكية الصمامية والنماذج الحاسوبية، National Heart, Lung, and blood Institute ] يقدم لمحة عامة عن أمراض الصمامات ومعالجات.