מחלת לב עדיין הגורם המוביל למוות ברחבי העולם, ובין הביטויים הנפוצים ביותר שלה הם מחלות שסתום לב כי משבשים את מכניקה עדינה של זרימת הדם.הסתמי הלב - אורטי, מסיבי, אימפולסיבית, וטריקוספיל - חייבים לפתוח ולסגור עם תזמון מדויק וחותמת תחת לחץ דם ספציפי כל הזמן משתנה ושערי זרימה.

פיזיולוגיה של הלב Valves ו-Hmodynamics נורמליים

הלב פועל כמשאבה כפולה, עם כל צד (שמאל וימין) המורכב מ Atrium ו- aventricle.הסתמים להבטיח זרימה חד-צדדית: השסתמי ה- Atrioventricular (mitral on the left, tricuspid on the Right) מונעים זרימות אחוריות לתוך הריצפה מוחלטת במהלך התכווצות החדר, ואת שסתום החצי-מדומים (ארגון ארוכימי) נפתחים באורך של 80 מטרים).

זרימת דם נורמלית דרך שסתום אורטי היא laminar ומאופיין על ידי מתח נמוך יחסית (בדרך כלל 10-30 dynes / 2 ס"מ על משטחים על עלים) לחץ ⁇ s על פני הסתום הם מינימליים (פחות מ 5 מ"מ כספית) שסתום המיליטר, עם גדול או מרכזי שלה, צ'רדיה נוטה, חוויות טעינה שונות: גבוה יותר שיא במהלך מילוי מהיר כוחות משמעותיים על ידי סטיגיום זה נגרם ישירות על ידי מחזור מכנית המחלה נגרמת על ידי ⁇ ם חיוני על ידי ⁇ ם חיוני על ידי ⁇ ם של המחלה נגרמת על ידי ⁇ ם חיוני על ידי ⁇ ם חיוני על ידי ⁇ ם של המחלה נגרמת על ידי ⁇ ית חיוני על ידי ⁇ ית חיוני על ידי ⁇ יתיתיתיתיתולינלית חיוני על ידי ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כוחות מכניים במחלות לב

פתולוגיה Valvular משנה ביסודה את המיקרו-סביבון המכאני.שלוש הכוחות העיקריים הפועלים על רקמת שסתום - לחץ, לחץ וכוחות ברייליים - להיות פתולוגיים במדינות מחלה, הפעלת רקמות נהיגה מחדש, דלקת, ו calcification.

Shear Stress

מתח Shear עולה מן הסחף של דם זורם מעל פני השטח של עלונים. in aortic stenosis, את האורה הצרה מייצרת מטוס עתיר גבוה (עד 5 מ ' /s בהשוואה לאזורים 1 / s רגיל) אשר מייצרת כי הוא מכווץ יותר 200 s / ס"מ זה גבוה כי היא יכול להיות דלקת ריאות שלילי יותר, חשיפה דלקת מפרקים דלקתית כי הם אפילו ragic extranretrartraration.

לחץ לחץ

⁇ הלחץ הטרנסנדנטלי הם סימן ההיכר של מחלת שסתום.ב anortic stenosis חמור, ירידה בלחץ על פני השסתום יכול לעלות על 40 מ"מ כספית במהלך סינאולי, מה שחייב את הווטריקל השמאלי לייצר לחצים גבוהים יותר כדי לשמור על פלט לב.זה לאחר עלייה מובילה היפרטרופיה, fibrosis, ובסופו של דבר כשל לב. in ⁇ tral Regigurtation, סינרגימנטציה, לחץ סימפונית 30 אינץ 'H10' כדי להתגבר על גביית' אלה.

כוחות Tensile

כוחות Tensile פועלים למתוח את רקמת השסתום במהלך הפתיחה והסגירה. בשסתום המיליטר, chordae ניסיון פסגות מתחים של בערך 10-15 N במהלך סינאולי בשסתום בריא. in myxomatous degeneration (mitral שסתום prolapse), chordae הופך להיות מואץ ומבוטל, המוביל ללחץ חריג בנקודות ההחדר שלהם.

טכניקות דוגמנות

סימול זרימת דם וכוחות מכניים בשסתום הלב דורש גישה רב-פיזיקה. שתי שיטות עיקריות שולטות בשטח: דינמיקת נוזל חישובית (CFD) לזרימה נוזלית וניתוח אלמנטים סופי (FEA) עבור מכניקה מוצקה.מודלים של אינטראקציה נוזלית-מבנה (FSI) משלבים הן כדי ללכוד את ההשפעה ההדדית בין עלונים ושדות זרימה.

Fluid Dynamics (CFD)

CFD פותר את משוואות Navier-Stokes עבור תנועה נוזלית בתוך דומיין מוגדר.עבור סימולציות שסתום לב, התחום נגזר בדרך כלל מדמיית רפואית (CT או MRI) של האנטומיה של המטופל.

  1. (FLT:0) קטע תמונה: 1FLT 1 אלגוריתמים סמיוטומיים לחלץ את הגיאומטריה הלומן והסתומה מ סריקות נפחיות.זה מייצר מאפר משטח משולש.
  2. (FLT:0) דור:0 (Mesh Generation:FLT:1) פני השטח מלאים מאפר נפחי - באופן רטי tetrahedral או hexahedral אלמנטים.boundary Layer הוא חיוני ליד קירות עלון כדי ללכוד מהירות גבוהה ⁇ s. מודרני כלי מיש (למשל, ANSYS ICEM, Star-M +FO) יכול לייצר לי 110 מיליון מרכיבים.
  3. (FLT:0) תנאים גלובאריים: 1FLT במבוא (אוסטריק או אטריום), מהירות פיזיולוגית או גלימות לחץ נקבעים.
  4. (FLT:0) Solution: FLT:1 משוואות Nvier-Stokes נפתרות באמצעות נפח סופי או שיטות יסוד סופיות.מודלים של טורבולנס (למשל, k- ⁇ SST) נדרשים לעתים קרובות משום שזרימתים סטרנוטיים הופכים לטראליים או סוערים.
  5. (ב) ,0) עיבוד: 1FLT: כמויות דרבירד כוללות מתח קיר, ירידה בלחץ, אנרגיה קינטית, מערבות וזמן מגורים חלקיקים.

CFD לבדו אינו יכול ללכוד תנועה עלון אלא אם כן הגיאומטריה נקבעת מדמיית cine (למשל, מ- 4D CT) עבור עיוות מלא, FSI נדרש.

ניתוח יסודות Finite Element Analysis (FEA) עבור Valve Tissues

FEA פותרת את המשוואות של מכניקת רצף עבור גופים מוצקים. Valve עלונים מודל כמו חומרים היפר-אלגנטיים, כמעט בלתי-ממדיקים.מודל או מודל אקספונמי מסוג Fung-type הם נפוצים. תכונות מכניות מפתח - רגישות, אנזוטרופיה, מתח כשלון - מתקבלים מבדיקות מבעיות על רקמות או מערכים.

  • (FLT:0)Geometry:FLT:1; אותו משטחים עלונים מופרעים כמו CFD, אבל עכשיו מיוצג כפגזים דקים או אלמנטים מוצקים עם עובי (בדרך כלל 0.5-1.5 מ"מ).
  • (FLT:0) הקצאה אווירית: 1FLT:1 אוריינטציה סיבים סיביים (סיבים של פחמן תואמים circumferferal בפיברסה) ניתן למפות על האפר באמצעות נתונים יסטולוגיים או דיפוזיה של עשרות או דיפוזה.
  • (ב) תנאי הפחתת:0 (הדגשה: 1) עומסי לחץ מ-CFD או מדדו של עקבות הלחץ מוחלים.מודל מגע מונע עלונים מהתערבות במהלך הסגר.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ (ה) אימפולסיבית או תוכניות אינטגרציה בזמן מפורשות מטפלות בעיוותים גדולים. Abaqus, LS-DYNA ו-FEBio משמשים נרחב.
  • (ב) ⁇ :0Output: FigFLT:1 and Stress Distributions, פיזור דמעה, סיכון להפחתה, הקטנת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת החנק.

אינטראקציה עם עור (FSI)

זוגות FSI FD ו- FEA לאפשר החלפת דו-כי-אישית של כוחות ועקירות בממשק הנוזל-סולידי. שתי אסטרטגיות הפיכה עיקריות קיימות: מונוליטיות (הפתרון הן בו-זמנית) ומתפצלות (התחילה בין פותרים נפרדים) השיטה הטבולית היא גם פופולרית, שם עלונים מתואמים יותר את רשתות ה- CPU- לעתים קרובות יותר סימולציה פיזיולוגית.

מחלות ספציפיות ובטיחות

Aortic Stenosis

anortic stenosis (AS) הוא המחלה הנפוצה ביותר ב nodules קשישים. Calcific טופס על הצד fibrosa של עלונים, הגבלת תנועה.CD מחקרים של AS באופן עקבי להראות מטוס אקסצנטרי גבוה אקסצנטרי eccentric distal לשסתום, עם אזורים של הפרדה זרימה ותיקון בסינוסים של Valsalva.

המונחים: Mitral Regurgitation

שחזור מיטרלי (MR) יכול לגרום דילול איראני, עלון הסתברות, או rupture chordal (flail עלון) סימולציות CFD של MR להפגין מטוס regurgitant סינטורידי כי מעכב את הקיר הקרסולי השמאלי, גורם ללחץ קיר גבוה וסיכון של נזק אנדלוסיאלי.

« ליברפטיים

שסתום אאורטי ביסקיין (BAV) משפיע על 1–2% מהאוכלוסייה והוא קשור לעתים קרובות עם דילול שורש תזמון אורטי.גאומטריה עלון חריג יוצרת תבניות זרימה סימטריות ומתח הרהר גבוה על הקיר האורטי, במיוחד באזור של סינוס ההסתה ההכתרה ההכתרה הנכונה.סימפומיה ⁇ ית ⁇ ישמידו את המיסומה עם גלגול מבוליבי מייצר זרם של מטרות דלקתיות בעלות גבוהה ביותר של תאים של תאים אפילפטיים.

יישומים קליניים ומודלים חיזוי

המטרה הסופית של סימולציה היא לשפר את הטיפול בחולי.יישומים קליניים מסוימים כבר בשימוש או תחת פיתוח פעיל:

  • (FLT:0) תכנון פרו-פרו-תרבותי עבור TAVR:ראה:FLT 1 FD הערכה מבוססת CFD של גיאומטריה משוסת ילידת ותבנית calcification מסייע לחזות דליפה משולשת וחסימה כלילית.תוכנה מסחרית (למשל, לבפלו, FEops) מספקת קידודים טרנסנדאליים והתחדשות עבור כרכים שונים.
  • (FLT:0Mitral שסתום סימולציה: FLT:1ir המנתחים משתמשים ב- FEA כדי לבחון הגדרות תיקון שונות (למשל, גודל טבעת, מיקום ניאוצ'ord) על מודל 3D מודפס או וירטואלי של שסתום המטופל. מחקרים מראים כי תיקונים מונחי סימולציה מופחתים את הצורך לשיתוף פעולה.
  • (FLT:0) עיצוב מסתם אסתטי: חברות 1:1 כמו אדוארדס מדעי החיים ומדידן מסתמכות רבות על CFD ו- FEA כדי לייעל את הגיאומטריה עלון, נוקשות המסגרת, וטיפולים נגד calcification.
  • (FLT:0Risk stratification:FLT:1 עבור חולים אסימפטומטיים עם AS חמור, סימולציה יכולה להעריך את שיעור ההתקדמות של דחיסה על ידי קישור לאזורים של מתח מכני גבוה להסתברות של היווצרות nodule חדש.זה עשוי בסופו של דבר להנחות את התזמון של החלפת שסתום.

אזור מבטיח במיוחד הוא השימוש של למידת מכונה כדי expedite סימולציות.רשתות נילי מאומן על נתונים גדולים של תוצאות CFD יכול לחזות זרימה וחלוקות מתח ב מילימטרים, המאפשר משוב בזמן אמת במהלך הליכים המבוססים על קתטר. לדוגמה, החוקרים פיתחו מודלים חלופיים החיזוי קיר Shear מתח מפרמטרים גאומטריים פשוטים של שסתום, השגת דיוק בתוך 5% של CFD מלא.

כיוונים עתידיים

השדה נע לכיוון מותאמים אישית, מודלים רב בקנה מידה.דמיות נוכחיות בדרך כלל לפתור רק את המודינמיקה בקנה מידה איברים, אבל מחלת שסתום כרוכה תהליכים ברמות סלולריות מולקולריות. מודלים בקנה מידה רב כי שני לחץ בקנה מידה רקמות עם מסלולים אותות תאים (למשל, הפסקת האשם-ל-to-mesenmal מעבר ב calcification) מפותחים.

גבול נוסף הוא הכללה של מכניקת לב מעבר לדגם FSI בעל שם לב שלם המשלב התכווצות אוורורית, אדריכלות fibrous, ודינמיקה שסתום הופכת להיות אפשרית הודות למחשוב אקסקלי.מודלים כאלה יכולים ללכוד את האינטראקציה הארוכית-שלמה במחלות כמו שחזור מיטרלי (שם האוורר הוא די מורחב אבל עלונים הם נורמליים בסופו של דבר).

קבלה רגולטורית גם מתקדמת.המנהל האמריקאי למזון ותרופות (FDA) פרסם הנחיות לשימוש בסימולציה כראיות מדעיות לגיטימיות לאישורים של מכשירים רפואיים.בניסויים קליניים של סיליקו (ISCT) מוצעות להשלים או להחליף ניסויים מסורתיים עבור אינדיקציות מסוימות, במיוחד עבור מחלות שסתום נדירות שבהן הגיוס החולה הוא קשה.

מסקנה

סימלוציה של זרימת דם וכוחות מכניים שינתה את ההבנה שלנו של מחלות שסתום לב.על ידי שילוב הדמיה ברזולוציה גבוהה, מודלים מבוססים על פיזיקה, וכוח חישובי גדל, החוקרים יכולים עכשיו לדמיין את הכוחות הבלתי נראים שמניעים פתולוגיות.כלים אלה אינם רק אקדמיים - הם כבר מסייעים מודלים קליניים, שיפור תוצאות ניתוחיות, והנחיית תכנון של שסתום הדור הבא.