Table of Contents

Введение в искусственные клапаны сердца и динамику кровотока

Каждый год во всем мире выполняется более 250 000 замен клапанов сердца, устраняющих такие состояния, как стеноз аорты, митральная регургитация и врожденные дефекты. Искусственные клапаны сердца являются жизненно важными устройствами, предназначенными для репликации критической функции естественных клапанов - обеспечение однонаправленного кровотока через сердечные камеры. Производительность и долговечность этих имплантатов в значительной степени зависят от того, как кровь проходит через них. Понимание динамики кровотока в искусственных клапанах сердца - это не просто академическое занятие; это непосредственно влияет на результаты лечения пациентов, долговечность клапана и риск опасных для жизни осложнений, таких как тромбоз или инсульт. В этой статье исследуется механика жидкости в игре, инструменты, используемые для их изучения, и как текущие исследования формируют следующее поколение конструкций клапанов.

Сердце человека бьется примерно 100 000 раз в день, при каждом сокращении кровь проходит через клапаны. Природные клапаны открываются и закрываются с замечательной эффективностью, создавая минимальное сопротивление при предотвращении обратного потока. Искусственные заменители должны достигать аналогичного баланса, но задействованные материалы и геометрии вводят сложные схемы потока. Турбулентность, сдвигающий стресс и области застойного потока могут ухудшать производительность и повреждать компоненты крови. Систематически изучая эти динамики, инженеры и клиницисты работают над улучшением гемодинамики клапана, снижением неблагоприятных явлений и продлением функционального срока службы имплантата.

Типы искусственных клапанов сердца и их характеристики потока

Механические клапаны сердца

Механические клапаны построены из прочных материалов, таких как пиролитический углерод, титан и полимеры. Наиболее распространенные конструкции включают в себя клапаны с билеафлетом, клапаны с наклонным диском и шаровые клапаны с клеткой (хотя последние редко используются сегодня). В частности, клапаны с билеафлетом предпочитаются для их благоприятных профилей потока. Они состоят из двух полукруглых листовок, которые поворачивают открытые и закрытые, создавая три отдельных отверстия и одну центральную щель. Эта геометрия создает относительно низкие градиенты давления, но может генерировать локализованные струи и слои сдвига. Ключевым недостатком является необходимость пожизненной антикоагуляционной терапии, поскольку небиологические поверхности способствуют образованию сгустков. Динамика потока механических клапанов характеризуется высокими пиковыми скоростями, пульсационными структурами потока и небольшими областями рециркуляции за листовками.

Исследователи использовали велоциметрию изображения частиц (PIV) и вычислительную динамику текучей среды (CFD) для отображения скоростных полей вокруг механических клапанов. Эти исследования показывают, что центральная струя в желчном клапане может достигать скоростей, превышающих 3 м/с во время пиковой систолы, создавая сдвиговые напряжения, которые могут активировать тромбоэмболические события. Шестерни и точки поворота особенно склонны к застою потока, поэтому антикоагуляция является обязательной. Текущие улучшения конструкции направлены на оптимизацию кривизны листьев и геометрии поворота для уменьшения турбулентности и минимизации застойных зон.

Биопротезирование клапанов сердца

Биопротезные (тканевые) клапаны изготавливаются из тканей животных — обычно аортальных клапанов свиней или перикарда крупного рогатого скота — устанавливаются на опорную раму или стент. Они близко имитируют структуру трилеафлетов естественных человеческих клапанов. Поскольку они являются биологическими, они обычно не требуют пожизненной антикоагуляции, что делает их привлекательными для пожилых пациентов или тех, у кого есть риск кровотечения. Однако биопротезные клапаны менее долговечны, чем механические, и могут вырождаться в течение 10-20 лет, требуя повторной операции.

Динамика потока биопротезных клапанов более близко напоминает естественную физиологию. Листовки гибкие и открытые с центральным треугольным отверстием, производящие более равномерный профиль скорости и более низкие напряжения сдвига по сравнению с механическими клапанами. Тем не менее стент и швейное кольцо могут вводить нарушения потока. Кальцификация и утолщение листовок с течением времени изменяют геометрию клапана, приводя к увеличению градиентов давления и турбулентности. Понимание этих изменений посредством серийной визуализации и вычислительного моделирования помогает прогнозировать отказ клапана и планировать своевременные вмешательства. Растущей тенденцией является использование замены клапана транскатетера аорты (TAVR), где процесс обжима и развертывания может вводить асимметричную деформацию, влияя на динамику потока способами, которые все еще изучаются.

Фундаментальная динамика жидкости в клапанах сердца

Кровь — это неньютоновская жидкость — ее вязкость изменяется со скоростью сдвига — и она течет через сложную, пульсативную среду. Тем не менее, многие модели аппроксимируют ее как ньютоновскую жидкость для простоты, особенно при высоких скоростях сдвига, обнаруженных в потоках клапанов. Ключевые динамические параметры жидкости, относящиеся к искусственным клапанам сердца, включают:

  • Число Рейнольдса: Безразмерное число, указывающее, является ли поток ламинарным или турбулентным.В сердечных клапанах пиковые числа Рейнольдса могут колебаться от 3000 до 10000 во время систолы, помещая поток в турбулентный режим.
  • Стресс сдвига: Тангенциальная сила на единицу площади, оказываемая протекающей кровью на поверхности клапана и на клетках крови. Высокие напряжения сдвига (выше 1000 дина/см2) могут повредить красные кровяные клетки (гемолиз) и активировать тромбоциты, способствуя тромбозу.
  • Градиент давления: Разница в давлении поперек клапана. Большой градиент указывает на высокое сопротивление и повышенную нагрузку на сердце. Современные клапаны нацелены на градиенты ниже 10 мм рт.ст. в состоянии покоя.
  • Турбулентная кинетическая энергия (TKE): Мера интенсивности колебаний потока. Высокий TKE коррелирует с повышенным риском повреждения крови и образования тромба.
  • Объем срыгивания: Количество крови, которая течет назад через клапан во время закрытия. Минимальная регургитация приемлема, но чрезмерная утечка может уменьшить сердечный выброс.

Эти параметры взаимозависимы. Например, изменение конструкции, которое уменьшает градиент давления, может увеличить напряжение сдвига или турбулентность, что приводит к компромиссу. Цель современной клапанной инженерии - найти оптимальный баланс, который минимизирует как сопротивление, так и повреждение крови.

Зоны разделения и рециркуляции потока

Одним из наиболее важных явлений в искусственном потоке клапанов является разделение потока — когда пограничный слой отделяется от поверхности клапана, создавая области рециркулирующей жидкости. Эти зоны часто возникают в пазухах за листочкой или вблизи шарниров. Застойный поток способствует накоплению тромбоцитов и факторов свертывания, увеличивая риск образования тромба. Механические клапаны, в частности, демонстрируют различные зоны рециркуляции из-за их резких углов открытия и жестких листочков. Биопротезные клапаны, с их более совместимыми листочков, как правило, имеют менее серьезное разделение, но дегенерация может привести к нарушениям, которые вызывают разделение потока.

Методы визуализации потока, такие как инъекция красителя или цифровая ПИВ, позволяют исследователям идентифицировать эти области. Моделирование CFD может затем исследовать, как изменение кривизны листовок или добавление каналов вымывания может уменьшить застой. Некоторые новые механические конструкции клапанов включают небольшое центральное отверстие потока для создания мягкой струи промывания, которая очищает шарнирные области во время каждого сердечного цикла.

Вычислительное моделирование кровотока через клапаны сердца

Вычислительная гидродинамика стала незаменимым инструментом для анализа и оптимизации искусственных клапанов сердца. Расширенные коды CFD решают уравнения Навье-Стокса для потока жидкости в сочетании с моделями турбулентности (например, моделирование большого вихря или усредненные по Рейнольдсу Navier-Stokes). Поскольку клапанные листовки движутся, требуются модели взаимодействия жидкостной структуры (FSI). Эти пары растворителя жидкости со структурным растворителем, который вычисляет деформацию листовок при гемодинамической нагрузке.

Моделирование FSI имеет ряд преимуществ перед чисто экспериментальными подходами. Они позволяют проводить параметрические исследования — изменяя толщину листьев, жесткость материала или геометрию шарнира — без затрат на изготовление прототипов. Они также предоставляют подробные пространственно-временные данные о напряжении сдвига, давлении и скорости на протяжении всего сердечного цикла. Хорошо проверенная модель CFD может предсказать, как изменение конструкции повлияет на потенциал гемолиза или тромбогенность перед любым тестированием на животных или клиническим испытанием.

Например, исследователи из Университета Миннесоты использовали моделирование FSI для сравнения стандартного желчного клапана с новой конструкцией с изогнутыми листовками. Моделирование показало, что конструкция изогнутого листа уменьшала пиковое напряжение сдвига на 20% и почти устраняла зону рециркуляции за шарниром. Эти прогнозы позже были подтверждены экспериментами in vitro PIV. Такие итеративные циклы моделирования и эксперимента ускоряют инновации.

Однако модели CFD хороши лишь как их граничные условия и предположения. Точное моделирование требует реалистичных профилей скорости входа (часто полученных из эхокардиографии или МРТ), совместимых моделей корня аорты и надлежащей реологии крови. Кроме того, большие вихревые симуляции являются вычислительно дорогостоящими, требующими высокопроизводительных вычислительных кластеров для одного сердечного цикла. Несмотря на эти проблемы, тенденция к моделированию конкретного пациента растет. Путем объединения медицинской визуализации с CFD клиницисты могут имитировать поток через протезный клапан, имплантированный в анатомию конкретного пациента, потенциально предсказывающий осложнения до их возникновения.

Экспериментальные методы в гемодинамике клапанов

В Vitro Flow Loops и Particle Image Велоциметрия

Лабораторные испытания по-прежнему необходимы для проверки вычислительных предсказаний и для изучения явлений, которые трудно моделировать, таких как кавитация или повреждение крови. Типичные установки in vitro состоят из пульсативной петли потока, имитирующей левое сердце. Искусственный клапан установлен в совместимой камере, представляющей корень аорты, а программируемый поршневой насос генерирует физиологический поток и формы волн давления. Используются кровеобразующие жидкости с соответствующей вязкостью и плотностью (часто смесь глицерин и вода или раствор ксантановой резинки).

Велоциметрия изображения частиц (PIV) является золотым стандартом для измерения скоростных полей в этих установках. Жидкость засеяна крошечными частицами трассера (обычно 10-50 мкм полистирольных сфер), которые следуют за потоком. Лазерный лист освещает поперечное сечение потока, а высокоскоростная камера захватывает пары изображений, разделенных известной задержкой времени. Алгоритмы перекрестной корреляции вычисляют смещение частиц, давая мгновенные векторы скорости. PIV может захватывать сложные трехмерные структуры потока, включая образование вихрей и разрыв струи, с высоким пространственным и временным разрешением. Метод широко используется для характеристики потока через различные конструкции клапанов и для идентификации областей повышенного напряжения сдвига.

Одно из ограничений PIV заключается в том, что он предоставляет данные только в освещенной плоскости. Стереоскопический PIV или объемный PIV (например, томографический PIV) может измерять скорости вне плоскости, добавляя третий компонент. Эти методы особенно ценны для потоков с сильной трехмерностью, таких как те, которые находятся вблизи листовок.

Лазерная доплеровская велоциметрия и тестирование на гемолизис

Лазерная доплеровская велоциметрия (ЛДВ) — еще один оптический метод, который измеряет скорость в одной точке с очень высоким временным разрешением. Он часто используется для проверки результатов CFD в определенных местах, таких как центральная линия отверстия клапана. Поскольку ЛДВ является точечным, он медленнее для отображения полных полей, но он остается полезным для количественной оценки пиковых скоростей и турбулентных колебаний.

Помимо визуализации потока, тестирование in vitro часто включает анализы гемолиза. Кровь или аналог крови циркулируют через клапан в течение фиксированного периода, а высвобождение гемоглобина из поврежденных красных клеток измеряется спектрофотометрически. Это обеспечивает прямую метрику потенциала повреждения крови клапана. Аналогично, анализы активации тромбоцитов используют проточную цитометрию для измерения экспрессии маркеров активации (например, P-селектин) на тромбоцитах, подвергающихся воздействию потока клапана. Сочетание гемодинамических данных с биологическими анализами дает более полную картину тромбогенности.

Клинические последствия динамики кровотока

Динамика кровотока через искусственные клапаны сердца имеет глубокие клинические последствия.Три основных осложнения напрямую связаны с структурой потока: тромбоз, гемолиз и дегенерация структурных клапанов.

Тромбоз и эмболия

Формирование тромбов на искусственных клапанах остается ведущей причиной заболеваемости. Механические клапаны несут 1–4% годового риска тромбоэмболических событий, несмотря на антикоагуляцию. Причины многофакторные, но гидродинамика играет центральную роль. Области застоя потока (низкий сдвига) позволяют накапливаться факторам свертывания, в то время как высокий сдвигающий стресс может активировать тромбоциты и инициировать коагуляционный каскад. Идеальная конструкция клапана минимизирует оба. Биопротезные клапаны имеют более низкий риск тромбоза, но они не являются иммунными, особенно в раннем послеоперационном периоде или в состояниях с низким потоком. Понимание точных порогов сдвига и времени воздействия, которые приводят к активации тромбоцитов, является активной областью исследований. Некоторые исследования показывают, что напряжения сдвига выше 50 дина / см2 более 0,1 секунды достаточно, чтобы вызвать активацию.

гемолиза

Гемолиз — разрушение красных кровяных телец — может быть вызван высоким механическим напряжением сдвига или воздействием на жесткие компоненты клапана. Современные искусственные клапаны редко вызывают клинически значимый гемолиз, но субклинический гемолиз является обычным явлением. Мягкий гемолиз приводит к повышенному свободному гемоглобину в плазме, что может истощать гаптоглобин и вызывать анемию с течением времени. Тяжелый гемолиз, хотя и редко, может привести к гемоглобинурии и почечной недостаточности. Порог сдвига для гемолиза составляет около 1500 дина / см2 для коротких экспозиций, но гораздо более низкие напряжения могут вызвать кумулятивное повреждение. Модели CFD могут предсказать объем крови, подверженной повреждению сдвига, направляя изменения конструкции для снижения риска гемолиза.

Дегенерация структурных клапанов

Биопротезные клапаны подвергаются прогрессирующей дегенерации из-за кальцификации, листовых слез или разрастания паннуса. В то время как эти процессы в первую очередь биологические, динамика потока может их ускорить. Например, области турбулентного потока или высокого застоя могут способствовать образованию кальцифика узелков. Повышенный сдвигающий стресс также может механически утомлять листовую ткань, приводя к разрыву. И наоборот, хорошо спроектированный клапан с гладким, однородным потоком может замедлить дегенерацию. Продольные исследования с использованием эхокардиографии и МРТ начинают коррелировать специфические особенности потока (например, аномальные струйные паттерны) с ранним ухудшением клапана.

Еще одним клиническим соображением является взаимодействие протезного клапана с нативной анатомией. Например, клапан, генерирующий высокоскоростную струю, направленную к стенке аорты, может вызвать повреждение стенки или интимальную гиперплазию. Специфическое моделирование пациента может выявить такие риски и сообщить о выборе типа клапана или глубины имплантации.

Будущие направления и инновации

Гемодинамика искусственного клапана сердца продолжает быстро развиваться. Несколько новых тенденций обещают повысить эффективность клапана и результаты лечения пациентов.

Дизайн клапанов для конкретного пациента

Благодаря достижениям в области 3D-печати и медицинской визуализации теперь можно разрабатывать индивидуальные протезные клапаны, адаптированные к анатомии человека. Модели CFD для пациентов могут имитировать поток через конструкции кандидатов и выбирать тот, который имеет оптимальную гемодинамику. Этот подход особенно перспективен для транскатетерных клапанов, где место развертывания широко варьируется. Ранние клинические испытания планирования TAVR для пациентов показали снижение паравальвулярной утечки и лучшие градиенты давления.

Передовые материалы и модификации поверхности

Новые материалы, такие как нанокомпозитные полимеры и биоиндуцированные покрытия, направлены на повышение долговечности при одновременном снижении тромбогенности. Например, клапан, покрытый гепариновым полимером, может локально ингибировать коагуляцию, потенциально позволяя снизить системную антикоагуляцию. Поверхностная микротекстировка, вдохновленная кожей акулы, может уменьшить турбулентное сопротивление и напряжение сдвига. Эти материалы должны быть тщательно протестированы в проточных петлях, чтобы гарантировать, что они не вносят неблагоприятных эффектов потока.

Машинное обучение и моделирование на основе данных

Алгоритмы машинного обучения используются для ускорения моделирования CFD. Обучая нейронные сети большим наборам данных о геометрии клапанов и их полях потока, исследователи могут предсказать гемодинамические характеристики новых конструкций за миллисекунды, а не дни. Это позволяет быстро проектировать освоение космоса. Более того, мониторинг потока в реальном времени с использованием имплантированных датчиков в сочетании с машинным обучением может когда-нибудь предупредить клиницистов о развитии дисфункции клапанов.

Изображение потока Vivo

Хотя CFD и тестирование in vitro необходимы, данные потока in vivo, полученные с помощью 4D-потоковой МРТ, эхокардиографии или электрокардиографии, обеспечивают окончательную валидацию. 4D-поток МРТ может захватывать трехмерные скоростные поля в сердце и больших сосудах, в том числе через протезы. Хотя артефакты из металлических компонентов остаются проблемой, новые последовательности уменьшают эти эффекты. Комбинирование визуализации in vivo с CFD в технике, называемой «моделированием на основе изображений», позволяет индивидуализированную оценку функции клапана и стратификации риска.

Заключение

Динамика кровотока через искусственные клапаны сердца представляет собой увлекательное пересечение инженерной, физической и клинической медицины. С первых дней существования протезов с клетчатым шаром до современных сложных биопротезных и механических клапанов поиск идеальной замены продолжает руководствоваться глубоким пониманием механики жидкости. Турбулентность, сдвигающий стресс и зоны рециркуляции напрямую влияют на вероятность тромбоза, гемолиза и структурного сбоя. Экспериментальные методы, такие как велоциметрия изображения частиц и вычислительные модели, такие как моделирование взаимодействия структуры жидкости, обеспечивают взаимодополняющие идеи, которые приводят к итеративным улучшениям конструкции.

По мере старения населения и роста распространенности клапанных заболеваний сердца спрос на лучшие искусственные клапаны будет только расти. Продолжающаяся интеграция моделирования для конкретного пациента, передовых материалов и оптимизации на основе машинного обучения обещает будущее, в котором каждый пациент получит клапан, который гемодинамически оптимален для их уникальной анатомии и физиологии. Клиницисты и инженеры, работающие вместе в этой области, добились замечательных успехов, и продолжающиеся исследования динамики кровотока будут иметь центральное значение для спасения и улучшения жизни.

Для дальнейшего чтения по гемодинамике клапанов и вычислительному моделированию Национальный институт сердца, легких и крови предоставляет обзор заболеваний сердечного клапана и лечения. Подробные исследования динамики жидкости можно найти в Журнале инженерии жидкостей и Журнале биомеханики. Заявление Американской кардиологической ассоциации о протезных сердечных клапанах предлагает клинические рекомендации. Наконец, база данных PubMed содержит тысячи исследовательских статей по этому вопросу для тех, кто стремится к более глубоким знаниям.