מודלים פיזיולוגיים להבנה וטיפול במחלות ארטריפריפרי

מחלת עורקים היקפית (PAD) משפיעה על יותר מ-200 מיליון אנשים ברחבי העולם, אך היא נותרה תחת אבחון ותחת טיפול. מצב מתקדם זה מתרחש כאשר לוח טרשת עורקים צר את העורקים המספקים את הרגליים, מגבילה זרימת הדם ואספקת חמצן כדי לדגום את השרירים השלדיים בצורה טובה יותר.

מה הם מודלים פיזיולוגיים?

מודלים פיזיולוגיים הם פשוט מאוד ייצוגים קפדניים של מערכות ביולוגיות.הם משתמשים בקבוצות של משוואות - שמקורן בפיסיקה, דינמיקות נוזליות וביולוגיה - כדי לחקות את ההתנהגות של כלי דם, זרימת דם ורקמות הסובבות. בהקשר של PAD, מודלים אלה מאפשרים למדענים לדמות כיצד חוסמי אמנות לשנות ⁇ , הפצה, וחמצן.

הערך של מודלים פיזיולוגיים הוא ביכולתם לגשר על הפער בין מנגנונים מולקולריים לבין תפקוד ארגוני שלם.לדוגמה, מודל המודינמיקה עשוי לחזות כי an 70% stenosis בעורק העוברי יפחית את זרימת השיא במהלך פעילות גופנית ב-40%, מה שגורם לכאב איסכמי.מודל קיר vascular עשוי להראות כיצד מחלישה את הקיר האמנותי, מה שהופך אותו נוטה לקרע.

מחלת עורקים היקפית: סקירה קצרה

לפני שחקר מודלים לעומק, זה עוזר להבין את המחלה שהם שואפים לייצג. PAD הוא ביטוי של טרשת עורקים מערכתיים בטרשת עורקים, אותו תהליך שגורם למחלת עורקים כלילית ו stenosis קרואיד. גורמי סיכון כוללים עישון, סוכרת, היפרטן, היפרדות, היפרפידמיה, וגיל מתקדם.הסמין הנפוץ ביותר הוא קלאודיציה לסירוגין: כאב הדדי, דמויי, כמו גם בירכיים או ירידה, עלולים, עם ירכיים קריטיות, אך עלולים, עם ירכיים, או ירידה, עם ירכיים, או ירידה, עם ירכיים, או ירידה, עם ירכיים, או ירידה, עם ירכיים, עם קדחתנות, או ירידה מוקדמת, עם רטיבית, עם ירכיים, עם רטיבית, עם רטיבית, או ירידה מוקדמת, עם ירכיים, עם רטיבית, עם קדחתניבית, עם ירכיים, עם קדחתנות קריטית.

אבחון בדרך כלל כרוך מדידת מדד המוח הקרסולי (ABI), יחס פשוט של לחץ סינתי, עם ערכים מתחת 0.90 המציין את המודולליות של PAD כגון אולטרסאונד דופלקס, אנטומה אמפטומטי (CTA), ו angiography מגנטית reson angiography (MRA) לספק פרטים אנטומיים.

מדוע מודלים חשובים במחקר וטיפול

הניהול הקליני של PAD כבר מזמן התבסס על הדמיה אנטומית וקבלת החלטות אמפירית.אך היחסים בין חומרת סטנוזה לבין ליקוי פונקציונלי אינו פשוט. A 50% סטנוזה בחולה אחד עלול לגרום לדבקות חמורה, בעוד מטופל אחר עם סטיות של 90%, עדיין נוקשה כמו סימולציה של סטיות, עקב רשתות פיזיולוגיות חזקות.

הצורך בכלים חיזוייים

הנחיות נוכחיות של Revascularization PAD מבוססות במידה רבה על מיקום דביק ותסמינים קליניים.עם זאת, חולים רבים סובלים ממחלה רב-דרגתית, ותוצאה טכנית מוצלחת (למשל, ממריץ פטנטים) לא תמיד מתרגמת להקלת תסמינים.מודלים המצפים כי לאחר הפסקת הזרמת הזרמת הריון, מרחק הליכה, או ריפוי הפצע יאפשר לרופאים לבחור את האסטרטגיה היעילה ביותר.

סוגים של מודלים פיזיולוגיים המשמשים PAD

מודלים פיזיולוגיים עבור PAD משתרעים על מגוון רחב של מורכבות - מעיגולים פשוטים חד-פעמיים ועד סימולציות אינטראקציה נוזלי תלת-ממדיות של מבנים.כל סוג משרת מטרה מסוימת ומציע תובנות ייחודיות.

מודלים התרמודינמיקה

מודלים הירודינמיקה מתמקדים בפיסיקה של זרימת הדם דרך העורקים.הם מדמיינים לחץ, מהירות זרימה, לחץ קיר Shear וזרימה הפצה בתוך vasculature נמוך-לימוזינה.השיעור הפשוט ביותר הוא ה-FLT:0lumped-parameter ModelsFLT:1, אשר מתייחס פלחי אמנות כמו אנלוגיות: התנגדות, capacitors, ו-ducerativesestos (מתאים) לאפקטים שימושיים, כגון מודלים של עץ-Dial, הם מסוגלים לדגמיים (Dial) ואפקטים) ואפקטים של אפסיים, כגון אפקטים אלה, סימולציה של אפסיים, סימולציה של מודלים של תאים חשמליים (Dial) הם מסוגלים במהירות, כמו מודלים של תאים חשמליים (Dial) הם מסוגלים לדגמיים).

מודלים חד-ממדיים גבוהים יותר (1D) מייצגים את העורקים כמו צינורות גמישים יחד עם לחץ וגלי זרימה propagate.הם ללכוד השתקפות גל ב bifurcations ו stenoses, מתן תחזיות ריאליות של טיפות לחץ וזרימה גלפורמות. לדוגמה, מודל 1D של פלח כאב הדו-אפיבי יכול להראות כמה קצר, סטיות גורם ללחץ משמעותי במהלך תרחיש קליני, מחקה.

שלוש-ממדיות (3D) דינמיקת נוזל חישובית (CFD) מציעים את התיאור המודינמית המפורט ביותר.שימוש בגיאומטריה ספציפית לחולה שמקורו CTA או MRA, סימולציות אלה פותרות את משוואות Navier-Stokes כדי למקם את שדות המהירות, תבניות הלחץ של קיר, ו- oscillatory זרימה פנימה בדגמים.

מודלים של קיר אשולרי

מודלים קיר אשולרי מתייחס להתנהגות המכנית של הקיר האמנותי עצמו. PAD כרוך לא רק צרחה שופעת, אלא גם שינויים בהרכב הקיר: הצטברות שומנים, התפשטות תאים חלקים, סגסוגת, ופיברוזיס. שינויים אלה משפיעים על נוקשות ונוקשות מידע הקיר וחוסר יכולת, אשר בתורו משפיע על התרמודינמיקה של מכניקת עורקים להשתמש משוואות הרסניות (למשל, אולטרסאונד) על ידי תכנון אופטיקה (מערכת) על ידי תכנון אופטיקה או אולטרסאונד (מערכת) על ידי תכנון אופטיקה) על ידי מערכת יחסים אופטיקה (מערכת הפעלה) או אולטרסאונד (מערכת הפעלה) על ידי תכנון אופטיקה (מערכת יחסים אופטיקה) על ידי תכנון אולטרסאונד (מערכת הפעלה) על ידי תכנון אולטרסאונד (מערכת הפעלה מחדש של מערכת יחסים אופטיקה) על ידי תכנון אולטרסאונד (מערכת יחסים אופטיקה) על ידי תכנון אולטרסאונד (מערכת יחסים אופטיקה) על ידי תכנון אולטרסאונד (מערכת הפעלה מחדש של מערכת יחסים אופטית) על ידי תכנון אולטרסאונד (מערכת הפעלה מחדש של מערכת יחסים אופטית) על ידי מערכת יחסים אופטיקה) על ידי תכנון אולטרסאונד (מערכת יחסים אופטיקה (מערכת יחסים אופטיקה) על ידי תכנון אולטרסאונד (מערכת הפעלה מחדש של מערכת יחסים אולטרסאונד (מערכת הפעלה

בנוסף, מודלים של קיר vascular משולבים עם מודלים של צמיחת פלאפל ותוקפנות. כזה FLT:0atherogenesis מודלים מודלים FLT:1 סימולציה התחבורה של ליפופרוטאין דלת (LDL), monocytes, ו ציטוקינים דרך קצה ההמולה, המקשר מתח מכוונת זרימה לדלקת ופיתוח זה יכול לשלב את הגישה הטבעית של תגובה לדימום ספציפי.

מודלים בקנה מידה גדול

מודלים בקנה מידה גדול הם המקיפים ביותר, שילוב תופעות מהרמה התאית למחזור המערכתי.לדוגמה, מודל רב-ממדי PAD עשוי להיות זוג מודל 3D של עורקים סטרנוטית עם מודל 0D של מחזור הדם המרכזי ומודל תאי של חילוף החומרים תלוי חמצן בשריר השלד.זה מאפשר סימולציה של שרשרת שלמה: חסימת אמנות מופחתת דם פגום אספקת חמצן חנקן מנגנוני לחץ דם קריטיים כאלה הם גם מנגנוני לחץ דם קריטיים.

דוגמה בולטת היא ההסתגלות הרב-ממדית של מודל הרב-ממדי של מערכת הקרדיווסקולרית FLT:1 שפותחה על ידי FLT:2 פרויקט פיזיום 3FLT 3FLT על ידי קישור פלט לב, גיאומטריה עץ אמנותי, וביקוש לחמצן, החוקרים יכולים לדמות את ההשפעה של פעילות גופנית על פיזור נמוך יותר של לימוזינה ב- PAD חולים אלה הם לא מספיקים כדי לשמור על מודלים ארוכים, אז הם עוזר עם כמה תאים קשים.

יישומים באבחון וטיפול

המטרה הסופית של מודלים פיזיולוגיים ב- PAD היא לשפר את הטיפול בחולי.יש יישומים כבר נכנסו לזירה הקלינית או קרובים לתרגום.

חיזוי התקדמות המחלה וסיכון איסמי

מודלים המודינמית המשלבים נתוני הדמיה ספציפיים לחולה יכולים לחדד את הסיכון להתקדמות המחלה.לדוגמה, הלחץ של קיר Shear (WSS) שמקורו CFD הוכח לחזות צמיחה עתידית של פלאק ומנוחה לאחר angioplasty. נמוך WSS מקדם תפקוד אנדאלי דלקת, בעוד WSS גבוה יכול לגרום לפליקט.

בדומה, מודלים של תעבורת חמצן יכולים להעריך רקמות גמישות.על ידי סימולציה זרימה למשוואות דיפוזיה לחמצן, החוקרים יכולים לחזות אילו אזורים של שריר העגל נמצאים בסיכון של hypoxia קריטי.מידע זה יכול להנחות מבחר של רמת הכריתה ברש"פ חמור, שמירה על איבר פונקציונלי ככל האפשר.

המונחים: Revascularization

תכנון קונבנציונאלי הוא יישום עיקרי.מודלים קדם-פרודוקטיביים יכולים לדמות את התוצאות המודינמיקה של גישות שונות: בלון angioplasty לבד, מיקום בולט, בלון מודבק בסמים, או עקיפה. לדוגמה, מודל יכול לחזות את רזרבות הזרימה לאחר עקבית ולהשוות אותו לערך הבסיס, עוזר להתערבליסט להחליט אם השיפור הצפוי רק אם הסיכון מורכב - או מנפח מקרים אלה, כגון דלקת מפרקים, או מדגמימים, כדי לזהות דלקת מפרקים, או מדגימים ראשוניים, כגון דלקת מפרקים, או מדגימים, או מדגימים, זה יכול להיות מדגימים, זה יכול להיות מדגימים, או מדגימים זה יכול להיות מדגימים זה יכול להיות מדגימים זה יכול להיות מדגימים זה יכול להיות מדגימים זה יכול להיות מדגימים את זה יכול להיות מדגימים את זה קודם כל כך, או כדי לזהות דלקתיים, או מדגימים זה יכול להיות מדגימים את זה יכול להיות מדגימים זה יכול להיות מדגימים את זה יכול להיות מדגימים את זה יכול להיות מדגימים את זה יכול להיות מדגימים זה יכול להיות מדגימים את זה כדי לזהות את זה יכול להיות מדגימים את זה כדי לזהות דלקתיים

בהגדרה המחקר, מודלים משמשים גם כדי להתאים את עיצוב המכשיר. גיאומטריה Stent, עובי סטרוט וחומר תכונות השפעה על המודינמיקה המקומית ושיעורי מנוחה. סימולציות Computational יכול למסך אלפי גרסאות עיצוב ביעילות רבה יותר מאשר בדיקות ספסל או ניסויים בבעלי חיים, תוך כדי עלייה בפיתוח של עוקץ טוב יותר ובלוני סמים.

תמיכה רפואית וסיוע בהחלטות קליניות

השילוב של נתונים ספציפיים לחולה - היסטוריה רפואית, הדמיה ואפילו genomics - במודלים פיזיולוגיים מאפשר תרופות מותאמות אישית באמת. קבוצות מחקר כמה פיתח פלטפורמות אשר באופן אוטומטי לייצר 1D או 3D מודלים מתמונות CTA ולאחר מכן לדמות את ההשפעה של טיפולים שונים.כלים אלה פלטו מדדים כמותיים כגון שינוי חזוע באינדקס צ'ילי, מרחק הליכה, או עול קליני מוקדם.

גישה מבטיחה אחת היא השימוש של FLT:0 (הכולל של ה-FLT:0) ,0 (הכולל) אוקטליזציה וירטואלית (הגרסה של ה-FLT: 1): המודל מסיר חישובית סטנוזה כדי לדמות את ההשפעה של התעצמות מוצלחות.אם השיפור המדומה בזרימה הוא קטן, ייתכן שההליך לא יהיה שווה.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה שלהם, מודלים פיזיולוגיים של PAD עומדים בפני כמה מכשולים לפני אימוץ קליני נרחב.

דרישות נתונים ומודל אישיזציה

התאמה למודל מדויק דורשת הדמיה איכותית של האנטומיה של האמנות, לעתים קרובות מ CTA או MRA. סריקות אלה לחשוף חולים לקרינה או סוכנים ניגודיים, ולא לכל המתקנים יש את התוכנה כדי לפרט אותם באופן אמין יותר, תנאים גבול - כגון עמידות היקפית ספציפית לחולה ופלט לב - הם לעתים קרובות לא ידועים ויש להניח או מוערך ממקרי השגיאה ממוצעים בקלט אלה יכולים לנבא את שיטות טיפוליות, אך לא סטנדרטיות, אך לא ניתן לנבא את שיטות טיפוליות, אך ורק על ידי שיטות טיפול.

מודל

כל המודלים חייבים להיות מאומתים נגד נתונים בעולם האמיתי לפני שניתן לסמוך עליהם.עבור PAD, אימות הוא מאתגר כי יש כמה מדידות "סטנדרט זהב" של המודינמיקה הפנימית בבני אדם.מתח מבוסס Wire ומדידות זרימה במהלך הסטרטיזציה יכול לספק אימות פולשני, אבל הם לא מבוצעים בכל המודלים של בעלי חיים, במיוחד מודלים פורקטיביים של PAD, מציעים מבוקרים להתאמה חוקית אך אינם משכפלים מחקרים של חיזוי אנושי וסכסוכים, אך לא הוכחומים, אלא גם מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של מודלים של דגימות ניקודמות, אלא אינם מהווים מודל טוב של פחמן ומודלים.

מורכבות ואינטגרציה לתוך זרימת עבודה

מודלים תלת-ממדיים של CFD דורשים שעות או ימים של חישוב ומומחיות מיוחדת לרוץ. עבור תרגול קליני עסוק, מסגרת זמן זו היא לא מעשית. אפילו 1D מודלים, אשר לרוץ בתוך דקות, צריך שילוב חלק לתוך שיא הבריאות האלקטרונית ועבודות הדמיה.הפיתוח של פתרונות מבוססי ענן או GPU-accelerated הוא צמצום זמן חישובי, אבל סטנדרטים בין-אופציונליים נשארים מחסום רבים עדיין דורשים כלי ניתוח ידניים, מאשר להפוך את המהנדסים.

כיוונים עתידיים

תחום הדוגמנות הפיזיולוגיות של PAD מתפתח במהירות, מונע על ידי התקדמות בכוח חישובי, הדמיה ומדעי נתונים.

סימולציות בזמן אמת ותיאומים דיגיטליים

אחד המושגים המתעוררים הוא "תאום דיגיטלי" - העתק וירטואלי של השקע של המטופל המעדכן באופן קבוע עם נתונים בזמן אמת מחיישנים לבישים או מכשירים הניתנים להשתלה.עבור PAD, תאום דיגיטלי יכול לעקוב אחר פעילות הליכה, קצב הלב פנויות, ותסמינים, ולאחר מכן להאכיל כי נתונים למודל לנבא כאשר התערבות נדרשת.

שילוב עם Machine Learning

אלגוריתמים של Machine Learning (ML) מאומנים להאיץ או להחליף מודלים חישוביים מסורתיים.לדוגמה, רשתות עצביות יכולות ללמוד את המיפוי מגיאומטריה סטנוזה ללחץ ישירות מאלפי סימולציות CFD, המאפשרות תחזיות כמעט בלתי צפויות.אלה "מודלים כירורגיים" לשמור על הדיוק של סימולציות המבוססות על פיזיקה תוך הפעלת MLIIIs.ML משמש גם לאימון אוטומטי של תבניות של קוסמטיקה אישית של מודלים המבוססים על ידי מודלים, בשילוב של מודלים המבוססים על ידי מודלים אישיים.

ממרפאת לבית: מעקב עוטה ומרוחק

מודלים פיזיולוגיים בשילוב עם מכשירים לבישים יכולים להפוך את ניהול של ניטור רציף של לחץ דם הקרסולי באמצעות מכשיר ללא שרוול דחוס למודל יכול לספק ערך ABI בזמן אמת, התראה לחולים וספקים טיפות חריפה בזרימה. בדומה, חיישני photoplesmography ב שעונים חכמים עשויים לזהות שינויים בגלי הדופק האופייניים ל- PAD אלה יעריכו את המזינים לדגם מבוסס ענן, או טיפולים לטיפול תרופתיים, ללא טיפול תרופתי, או טיפולים.

פיתוח סמים וניסוי קליני

מודלים פיזיולוגיים יכולים גם להאיץ מחקר תרופות.ניסויים קליניים עבור תרופות PAD (למשל, אנטי דלקתיות או סוכנים פרו-אנגיוגניים) סובלים לעתים קרובות מתשובות פלצבו גבוהות נקודות קצה הטרוגניות.מודלים המצפים תשובות של המטופלות בודדות יכול לשמש כדי לבחור נבדקים סבירים ביותר לטובת - למשל, אלה עם מילואים נמוכה של collateral.זה "אסטרטגיה עשירה" יכול להפחית את רמות הניסויים של תרופות מאוחר יותר, כדי להפחית את רמת הסיכון של תרופות נוגדות סיכון אדם, כמו גם כן, כמו גם את רמת טיפול תרופתי אחר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם את רמת טיפול תרופתית סטרואידים הורמון סיכון גבוהה יותר, כמו גם כן, כמו גם על ידי מודלים של תרופות הורמון סיכון גבוהה יותר, כדי להפחית את רמת טיפול תרופתי אחר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו כן, כמו גם כן, כמו כן, כדי להפחית את רמת טיפול תרופתית מודלים של תרופות נוגדת מודלים של תרופות נוגדת סטרואידים הורמון סיכון אדם, כמו כן, כמו כן, כמו כן, כדי להפחית את רמת טיפול תרופתית סטרואידים הורמון סיכון של תרופות נוגדת תופעות לוואי של תרופות נוגדת טיפול תרופתי אחר, כמו גם כן, כמו גם כן, כדי להפחית את רמת טיפול תרופתי אחר,

מסקנה

מודלים פיזיולוגיים התבגרו מניסויים אקדמיים ועד כלים מעשיים עם פוטנציאל להפוך את ההבנה והטיפול של מחלת עורקים היקפיים. על ידי לכידת הגומלין המורכב בין גאומטריה עורקים, המודינמיקה, מכניקה קיר, ומטבוליזם רקמות, מודלים אלה חושפים מדוע אחד למכסה המטופל בעוד פועל אחר, ומדוע ממריץ עשוי להביא הקלה אישית של התקדמות המחלה, ואסטרטגיות מתקדמות, אך הן מונעות טיפול תרופתי, אך ורקמותרפיסטמי, אך הן מבטיחות, טיפול פסיכולוגי, אך מבטיחות, אך ורקמותרפיסטאלי, טיפול פסיכולוגי, טיפול פסיכולוגי, אך ורקמותרפיסטאלי, אך ורקמותרפיסטאלי, אך מבטיחות, "טיפולים" טיפול פסיכולוגי, אך ורקמותרפיסטאלי, אך מבטיחות, אך ורקמותרפיסטציה הדדית, אך מבטיחות, אך טיפולית, "אתגרי נשימה, אך טיפולית, אך טיפול פסיכולוגי, אך טיפולית, טיפולית, טיפולית, טיפולית, אך טיפולית, טיפולית, טיפולית, אך טיפולית, טיפולית, טיפולית טיפולית, טיפולית, טיפולית, אך טיפולית, טיפולית, אך טיפולית טיפולית, טיפולית, טיפולית, אך טיפולית טיפולית טיפולית, אך טיפולית, אך

(ב) לקריאה נוספת, הלב הלאומי, Lung, ו- Blood InstituteFLT:1 מציע סקירה מקיפה של PAD, TheFLT:2 (המסר המדעי של האגודה הלאומית הלב האמריקאי על ניהול PADFO3) מספק הנחיות נוכחיות, וסקירה אחרונה בהזדקנות נגד FLT:4Frontiers ב Cardiovascular MedicineFLT5: פרטים על יישום חישובי של מודלים אלה של מחקר אחד גדל.