סימלוציה פיזיולוגית של המוח המודינמיקה במהלך אירועי סטרייק

מבוא למוח המודינמיקה ושבץ

סטרייק נשאר אחד הגורמים המובילים למוות ומוגבלות לטווח ארוך ברחבי העולם, המשפיעים על מיליוני אנשים בכל שנה.בעצם האירוע ההרסני הזה הוא הפרעה בסיסית של המודינמיקה המוחית – התהליך המורכב שבו הדם זורם דרך השקע המוחי כדי לספק חמצן וחומרים מזינים תוך הסרת פסולת מטבולית מדויקת של זרימת הדם במהלך אירועי שבץ חיוני לפיתוח טיפולים יעילים, שיפור תוצאות המטופל, מניעת שיטות סימולציה יעילות ומניעה של שיטות חישוביות אלה.

המודינמיקה המוחית כוללת איזון עדין בין לחץ דם, התנגדות כלי שיט, מנגנוני רגולציה אוטומטית, ואת הדרישות המטבוליות של רקמת עצבית.המוח מקבל כ 15-20% של פלט הלב של הגוף למרות המייצג רק 2% מסך מסת הגוף הכולל, מדגיש את ההסתמכות יוצאת הדופן שלו על היתוך מתמשך. כאשר מתרחשת שבץ, מערכת זו מכוונן היטב נזרקת לתוך כאוס.

על ידי שילוב נתונים אנטומיים מפורטים של הדמיה רפואית - כגון tomography angiography agiography (CTA), התחדשות מגנטית angiography (MRA), או angiography תת-התחסין דיגיטלית (DSA) - עם עקרונות מכניקת נוזל וביולוגיה רקמות, סימולציות אלה יכולות לייצר ייצוגים מציאותיים מאוד של פתופיזיולוגיה. הם מספקים תובנות כי קבלת החלטות קליניות, תכנון כירורגי, ופעולות ניתוחי, וחידושים, וגילויים של שיטות התפתחות פיזיולוגיות, תוך כדי להאיץ את הסימולציות של שיטות התפתחותיות עתידיות.

סוגי שבץ והשפעת המודינמיקה שלהם

Ischemic Stroke

שבץ איסמי מהווה כ-87% מכלל מקרי השבץ ותוצאות מחסימה בתוך עורק במוח, לרוב בשל תל אביב (מרכיב מקומי) או אמבולוס (הנסיעה ממקום אחר בגוף) התוצאה המודינמית היא ירידה פתאומית בדם יורד למטה זרם הדם של ההשמדה, יצירת אזור ליבה שבו נופל מתחת לתנוחת סף מוות מופרזת, אך ורק לאחר זרימת הדם הטבעית היא מוגבלת, אך ורק לאחר מכן, היא מוגבלת, אך ורק לאחר מכן, היא מוגבלת, היא מוגבלת, אם היא מוגבלת, היא מוגבלת, אך ורק לאחר מכן, היא בעלת רמת הדם.

סימולציות פיזיולוגיות של שבץ איסכמי יכולות מודל של האבולוציה המרחבית והזמנית של הליבה והפניברה על ידי שילוב משתנים כגון מיקום אוקטלוס, אדריכלות כלי שיט משני, צפיפות דם ולחץ דם זמני, ונתיב הדם המערכתי של אלה הוכחו נגד נתונים ניסיוניים ודימות קליניות, מתן תחזיות נאמנות גבוהות של צמיחה מופרזת.

היסטריה סטרייק

שבץ מוחי, בעוד פחות נפוץ (כ -13% מהמקרים), יש שיעור תמותה גבוה יותר.זה קורה כאשר כלי דם נחלש מקרע, גרימת דימום לתוך שיתוק המוח ( ⁇ המוח) או אזורי תת-קרקעיים (מכשול לחץ דם נרחב מדי, לעתים קרובות מ anneurysm) שינויים המודינמיקה כאן הם מורכבים יותר: hematrasicrecacerial של דלקת ריאות (כמו גם פצעים עצביים) ואפקטים דלקתיים של דם נמוך), אך גם לחץ דם נמוך).

סימולציות פיזיולוגיות של שבץ מוחי לעתים קרובות משלבות מודלים של מבני מבנה נוזלי (FSI) כדי ללכוד את הכוחות המכניים המופעלים על ידי hematoma מרחיבה על רקמת המוח, בשילוב עם מודלים המודינמיקה להעריך שינויים בהיתוך. סימולציות אלה יכולות לעזור למרפאות לקבוע כאשר פינוי כירורגי של קרישה יהיה מועיל לעומת כאשר זה עלול לגרום נזק נוסף, יתר על כן, הם יכולים לדמות את הממשל של טיפולים מכוונים לבדיקות דלקתיות או בדיקות דלקתיות.

שיטות של פיזיולוגית Simulation

Fluid Dynamics (CFD)

CFD הוא אחד הטכניקות הנפוצות ביותר עבור מודלים של זרימת דם בתוך השקע המוחי.זה פותר את משוואות Navier-Stokes השולטות בתנועה נוזלית בתוך גיאוגרפיה עורקים ספציפיים של המטופל משוחזרים מתנאים הדמיה רפואית. Boundary - כגון סוללת זרימה של צינורות דם נגזרת בשלב-const MRI או לחץ החוצה על בסיס התנגדות במורד הזרם - מוחלים לסימולציה ריאלית של רשתות שבץ, כלומר, כגון סימולציה של CRMD2Dics, דרך סימולציה, דרך סימולציה של לחץ דם, סימולציה, סימולציה, סימולציה של סימולציה של צינורות CRMR.

ההתקדמות האחרונה ב-CFD כוללת את שילוב של מודלים של דם לא-ניוטוניים (דם הוא נוזל שחצ-הר), זרימה רב-phase עבור תעבורת חמצן, והפיכה עם מודלים של אוטומטיות - היכולת של המוח לשמור על זרימת דם קבועה יחסית על טווח של לחצים.

מודלים של Finite Element Modeling (FEM)

FEM הוא מועסק כדי לדמות את ההתנהגות המכנית של רקמת המוח וכלי הדם תחת טעינה. עבור יישומים שבץ, FEM יכול מודל את עיוות של רקמת המוח עקב hematoma הגוברת או את הלחץ על קירות עצביים לפני קרע. כאשר בשילוב עם נתונים hemodynamic (מ- CFD), FEM מאפשר ניתוח של אינטראקציה מבנית נוזלית (FSI) אשר חיוני להבנת ההשפעה ההדדית בין מכניקה דם לבין מכניקה מוחית, לדוגמה, היא עלולה לגרום ללחץ חום.

מודלים Multi-Scale Modeling

מכיוון שפתולוגיה שבץ משתרעת על מספר רב של קשקשים מרחביים וזמניים - החל מהמסלולים המולקולריים (שניים עד דקות) לתפוצה שלמה (שעות עד ימים) - מודלים בקנה מידה גדול של מודלים משלבים מידע על פני הרמות הללו.בדרך כלל, מודל רב-מידה עשוי לכלול מודל של מערכת חישובית 0D או 1D של מחזור המוח כולו (תנאים נפרדים), מודל של CD של מודל של תאים של פיזיולוגיים של דגם CD (מודל דחיסה 3D) ו-D) עם רמת פרמטר פתוח (מקור) עם פרמטרים של מערכת ספקטרום 3D (מקור) של מערכת ספקטרום של מערכת ספקטרום 3D (D) של מערכת ספקטרום של מערכת ספקטרום) עם ספקטרום של מערכת פיזיולוגית של מערכת ספקטרום של מערכת ספקטרום של מערכת ספקטרום של מערכת דחיסהחלודה (D או 1D) עם רמת חמצן (מערכת מחזור הדם של מערכת ספקטרום) עם רמת חמצן (מערכת מחזורית של מערכת סימטרית תלת-ממדית תלת-ממדית של מערכת ספקטרום של מערכת ספקטרום של מערכת ספקטרום של מערכת ספקטרום של מערכת ספקטרום של מערכת ספקטרום של מערכת ספקטרום של מערכת ספקטרום של מערכת ספקטרום של מערכת

גישה מלאכותית וגישה של נתונים-Driven

למידת מכונה (ML) ולמידה עמוקה (DL) מתעוררים כמשלימים חזקים לסימולציות המבוססות על פיזיקה.אימון על נתונים גדולים של הדמיה קלינית ותוצאות, מודלים של ML יכולים לחזות במהירות את המשתנים המודינמיקה (למשל, טיפות לחץ, טיפות, הפצת זרימה) או לזהות חולים בסיכון גבוה של זרימת נתונים לקויה.

יישומים במחקר ובפרקטיקה קלינית

חיזוי התקדמות סטרייק

אחת האפליקציות החשובות ביותר של סימולציה פיזיולוגית היא חיזוי כיצד שבץ איסכמי יתפתח בחולה נתונה.על ידי מודל תהליך של פירוק thrombus, גיוס צדדית, ותגובה רקמות, סימולציות יכולות להעריך את נפח ה infarct הסופי ואת הסבירות של hemorrhagova תחזיות כאלה יכול לעזור למרפאות להחליט אם להמשיך טיפול הדדי אגרסיבי או לנהל את נפח הדם השמרנים, למשל, "דלקת ריאות" לאחר זמן" עם מחזוריות סטנדרטי של מחזור 6D.

בדיקות וירטואליות

סימולציות פיזיולוגיות משמשות מעבדה וירטואלית לבדיקת אסטרטגיות טיפוליות מבלי לחשוף חולים בסיכון. חוקרים יכולים לדמות את ההשפעות של ניהול thrombolyticstics עם מינונים שונים ושיעורי ההיתוך, או להעריך את הכוחות המכניים המופעלים על ידי עיצובים שונים של מריצים במהלך דלקת מפרקים.עבור שבץ hemorrhagic, סימולציות יכולות להשוות את התוצאות של קרישה כירורגית מול ניהול רפואי של ניסויים בלחץ מספריים אלה יכול להפחית באופן משמעותי של ניסויים התפתחותיים.

תכנון טיפול אישי

המטרה הסופית של סימולציה פיזיולוגית היא לאפשר תרופות מותאמות אישית באמת עבור חולים שבץ. על ידי שילוב האנטומיה של המטופל ספציפי, מצב המודינמיקה, ותחלואה (למשל, היפרנטציה, fibrillation atrial), סימולציה יכולה לזהות את ההתערבות האופטימלית עבור אותו אדם ספציפי.לדוגמה, סימולציות יכולות לקבוע את הגישה הטובה ביותר עבור קידוד או סלילת antrial aneursm, אשר הוכיחה את הסיכון של קבוצות דלקתיות של דלקתיות של דלקתיות של דלקתיות של דלקתיות בינונית של המטופלת שתן, אשר כבר הוכחו של דלקתיות.

חינוך מרפאים וסטודנטים

מעבר לשימוש קליני ישיר, סימולציות פיזיולוגיות הן כלי חינוכי מצוינים.הם מאפשרים למאמנים לחקור את ההשלכות המודינמית של תרחישים שבץ שונים בסביבה אינטראקטיבית, להעמיק את ההבנה שלהם של פתופיזיולוגיה ועקרונות הטיפול.מציאות וירטואלית (VR) ומציאות מוגברת (AR) פלטפורמות מפותחות כדי לשפר את הסימולציות החינוכיות הללו, מה שהופך אותם ליותר אמפיביים ואינטואיטיביים.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה שלהם, סימולציות פיזיולוגיות להתמודד עם כמה מכשולים. הראשון הוא הצורך בנתונים באיכות גבוהה, ספציפית לחולה.דמיית רפואית חייבת להיות נפתרה מספיק כדי ללכוד כלי נשק קטנים, תנאי גבול (למשל, שערי זרימה אינלטאליים, עמידות היקפית) חייב להיות מוערך ממידות לא פולשניות, אשר מציג אי ודאות.

אתגר נוסף הוא העלות החישובית.דמיות של FSI 3D יכולות לקחת שעות או ימים כדי לרוץ על מחשבי העל חזקים, להגביל את השימוש שלהם בהגדרות שבץ חמורות שבו יש לבצע החלטות בתוך דקות. עם זאת, עלייה של מחשוב ענן, האצת GPU, מודלים מופחתים מסדר בהדרגה היא להתגבר על המחסום הזה.

לבסוף, תרגום ממצאי סימולציה לזרימות עבודה קליניות דורש אישור רגולטורי קפדני ושילוב עם רשומות בריאות אלקטרוניות.Efforts כגון FLT:0 American Heart Association / American Stroke Association מקבל עם ההנחיותFLT:1 התוכנית משילמת את הדרך לשיפור איכות המונעת על ידי נתונים, אבל אימוץ של כלי סיליקו נשאר עדיין nascent.

כיוונים עתידיים

שילוב עם Real-Time Imaging

התפתחות מרגשת אחת היא ההפיכה של סימולציות פיזיולוגיות עם שיטות הדמיה בזמן אמת.לדוגמה, נתונים דינמיים של CT היתוך ניתן להאכיל במודל CFD על זבוב כדי לעדכן תחזיות של צמיחה מרחוק כמו המטופל הוא לסרוק.זה יאפשר לרופאים לראות את המסלול הסביר של אבולוציה שבץ ולהתאים את הטיפול בהתאם.

מודלים של Multi-Scale ו- Multi-Physics

סימולציות עתידיות כוללות ייצוגים מפורטים יותר של המיקרו-קרייגולציה (capillaries and arterioles), כמו גם את המשחק בין המודינמיקה, חילוף החומרים, ואת נוירו-אינפלציה. Coupling מודלים וירטואליים עם מודלים אלקטרופיליים יכול אפילו לחזות גירעון פונקציונלי כגון ניידות או ליקויים בשפה.

תאומים דיגיטליים של מטופלים

הרעיון של "תאום דיגיטלי" - העתק וירטואלי מקיף של מערכת הלב וכלי הדם של המטופל - הוא צובר מתח.לשבץ, תאום דיגיטלי ישלב לא רק את השקע המוחי אלא גם את הלב (כמקור של emboli) ואת מחזור מערכתי מחזור כזה יכול לשמש כדי לדמות את כל ה cascade מ היווצרות thmbus כדי לשבץ, המאפשר סימולציה מבוססת על שינויים באורח החיים או תרופות.

ריכוז נתונים של מודלים המבוססים על פיזיקה

למידת מכונה תשמש יותר ויותר לשיפור המהירות והדיוק של הסימולציות.לדוגמה, רשת פונדקאית: פונדקאית של רשתות מבוזרות שאומנו על תוצאות CFD:1 יכול ליצור תחזיות כמעט בלתי צפויות של משתנים המודינמיקה תוך שמירה על עקביות פיזית. גישה היברידית זו עשויה להפוך את השיטה הסטנדרטית לפריסת קלינית.

תקנים ו-Open-Source

(ה) כדי להאיץ את ההתקדמות, הקהילה עובדת על מדדים משותפים, מסדי נתונים וכלי סימולציה.פלטפורמות כמו FLT:0SimVascularFLT:1 ו-FLT:2its GitHub repositoryFLT 3, לספק קוד פתוח עבור 0D/1D /D סימולציה קרדיווסקולרית, צמצום הפחתת השכפול של המאמץ.

מסקנה

סימולציה פיזיולוגית של המודינמיקה במוח במהלך אירועי שבץ התבגרה מאזור מחקר נישה לכלי תרגום חזק.על ידי שילוב נתונים אנטומיים, דינמיקת נוזל חישובית, מכניקת רקמות, ויותר שיטות מונעות נתונים, סימולציות אלה מציעות תובנות חסרות תקדים לתוך פתפילוסופיה של נתונים.הם עוזרים לחזות התקדמות המחלה, בדיקות כמעט, ואישי טיפול עבור חולים בודדים, בעוד אתגרים - עדיין, מודלים חישוביים, ושילוב מהיר של אנשים משבץ, בדיקות הדמיה, במהירות גבוהה של שבץ, בדיקות הדמיה, וטכנולוגיות טיפול קליניות של אנשים.