Cardiovascular hastalığı dünya çapındaki ölüm nedenlerini sürdürüyor ve en yaygın belirtilerin arasında kan akışını bozan kalp kapak hastalıklarıdır. Kalp kapakları -aortik, mitral, pulmonary ve tricuspid - sürekli olarak çeşitli baskı ve akış oranları altında açık ve yakın.Bu kapaklar kan basıncı (narrowed) veya regurgitantasyon (le) ile ilgili karmaşık bir deney yöntemi ile ortaya çıkan mekanik bozukluklar.

Kalp Vanaları ve Normal Hemodinamiks

Kalp, her tarafta (sol ve sağ) bir atrium ve bir ventrikle oluşur. valfler, tek yönlü akış sağlar: sağ tarafta atrioventriüler valfler (mitral, sağda triküresel basınç) solunda (yaklaşık 80 mmH) ve üç milyardan oluşan (biraz) solunda ve soldan oluşan bir basınçtan ayrılır.

Aortik kapak üzerinden normal kan akışı en düşük (daha düşük sert) ve korelasyon (tipik olarak 10-30 din yüzeyleri üzerinde) kapak boyunca basınç gradients minimumdur (daha az 5 mmHg). mitral valf, daha büyük veya büyük veya büyük ölçüde mekanik stresle ilişkili olarak, deneyimler farklı yükleme kalıpları: yüksek tepeli hear hız ve sistole sırasında korealarda yüksek basınç gradyanlar.

Kalp Ayı Hastalığı

Valvular patoloji temel olarak mekanik mikroenvironment'u değiştirir. valf dokusu üzerinde hareket eden üç temel kuvvet – işitme stresi, baskı ve çekme güçleri – hastalık eyaletlerde patolojik, doku yeniden modelleme, inflamasyon ve calcification.

Shear Stres

Shear stresi, yüksek yoğunluklu bir jet (daha iyi ve normal)den ortaya çıkar, oar tırnakları 200 felci / cm2'yi aşan bir şekilde yüksek hearlı hücreler, subendothelial kolajen ve plakalı agresyonlar ve regurgitantasyonlar ile daha düşük korelasyonlar ortaya çıkarır.

Baskı Basınç

Transvalvular baskı gradients bir kapaklı kapak hastalığıdır. Şiddetli aortik stenozda, valfin karşısındaki baskı, soladaki sol ventrik basıncın 30-40 mmHg'ye yükselmesine yol açıyor, pulmoner kontrasepsiyona yol açıyor ve sonunda kalp yetmezliği ortaya çıkıyor.

Güçlendirme Güçleri

Elli kapaklı motorlar, açılış ve kapanış sırasında kapak dokusunu genişletir. mitral valf, korordae, eklenme noktalarında anormal stres konsantrasyonuna yol açıyor.Floral rupture genellikle yerel bir çekmede 20-25 N. benzer şekilde, bicuspid asimetrik bir valf hastalığı, düzensizlik içinde amplifik bir şekilde yüklemeye yol açar.

C ⁇ Teknikleri Modelleme

Kan akışı ve mekanik kuvvetler kalp kapaklarında çok fazla fizyoloji yaklaşımı gerektirir. İki birincil yöntem alanı ele alır: Akışkan akış ve sonlu element analizi için (FEA) Katı mekanikler için. Çiftlik sıvı-yapı etkileşimi (FSI) modeller her ikisi de broşürler ve akış alanları arasındaki karşılıklı etkiyi yakalamak için entegre eder.

C ⁇ Akışkanlar Dinamik (CFD)

Navier-Stokes denklemleri tanımlanmış bir alan içinde sıvı hareket için çözer. Kalp kapak simülasyonları için, alan genellikle hastanın anatomisinin tıbbi görüntüleme (CT veya MRG) ile elde edilir.

  1. [FONT:0]İmage segmentasyon: [Dönekli algoritmaların hacimsel taramalardan gelen lumen ve valf geometrisini çıkarır. Bu, triangated yüzey ağı üretir.
  2. [FONT=0]Mesh nesli: [Dönetici:[Dönetici] Yüzey, bir hacimsel ağla dolu -tipik olarak tetrahedral veya hexahedral elementleri üretebilir. Sınır tabaka rafinerisi dik hız gradyan duvarların yakınında önemli.
  3. [FONT=0]Boundary conditions:[Dönetici:[Dönetici:0)) In the inlet (ventrikle or atrium), fizyolojik olarak gerçekçi hız veya baskı dalgaformları reçete edilir. Outlet koşulları, rüzgarkessel uyum ve direniş modelleri içerebilir.
  4. [FONT:0) Solution:[Dönemli Navier-Stokes denklemleri sonlu hacim veya sonlu elemanlar yöntemleri kullanılarak çözülebilir.Turbulence modelleri (e.g., k- ⁇ SST) genellikle gereklidir çünkü stenotic akışlar geçişli veya turbulent hale gelir.
  5. [FONT:0)Post-işlem:[Dönemli miktarlar duvardaki hear stresi, baskı damlası, kinetik enerji, vorticity ve parçacık oturma zamanı içerir.

Sadece geometrinin cine görüntülemeden reçete edildiği sürece yaprak hareketini yakalayamaz (örneğin, 4D CT’den). Tam çift deformasyon için FSI gereklidir.

Finite Element Analysis (FEA) for Valve Tounds

FEA, sağlam vücutlar için sürekli mekanik denklemleri çözer. Valve broşürleri hiperelastic, neredeyse baskılı malzemeler olarak modellenir. Ogden modeli veya Fung tipi üst düzey modeller yaygındır. Anahtar mekanik özellikler -stiffness, anisotropy, başarısızlık stres - ciltsiz dokularda veya edebiyat değerlerinden elde edilir.

  • [FONT:0)Geometri:[DDDDDD)[[Dönlümler:0) Aynı segmente yapraklı yüzeyler, ancak şimdi kalınlığı olan ince kabuklar veya sağlam elementler olarak temsil edilir (tipik olarak 0,5-1.5 mm).
  • [FONT:0)Malaj:[[Dönetici:0))) Fiber yönlendirme (collagen fiberler fibrosa'da çevreci olarak ayarlanabilir) onuntolojik verileri veya difüzyon onor görüntüleme kullanarak ağ üzerinden haritalanabilir.
  • [FONT:0)Loading koşulları:[Dönemli veya ölçümlü baskı izlerinin basınç yükleri uygulanır. İletişim modelleme, kapanış sırasında broşürleri engellemeyi önler.
  • [FONT:0) Solution:[Dönetici:[Dönetici: 0) Kapalı veya açık zaman entegrasyon programları büyük deformasyonları ele alır. Abaqus, LS-DYNA ve FEBio yaygın olarak kullanılır.
  • [FONT:0)Output:[Dönetici: [Dönetici: 0,0) Stres ve su dağıtımları, yırtık riski, calcification propensity.

Akışkanlar-Structure Interaction (FSI)

FSI çiftleri CFD ve FEA, sıvı-solid arayüzünde iki temel darbe stratejisi var: monolithic (hem aynı anda çözülür) ve bölmeli (ayrı devre yöntemi ile), en fizyolojik olarak gerçekçi gösterimini sağlar.

Özel valf Hastalığı Simül Edilmesi

Aortic Stenosis

Aortic stenosis (AS) yaşlıların en yaygın valf hastalığıdır.Polonyalı duvarlarında nodules formu, hareket kısıtlaması. AS CFD çalışmaları sürekli olarak valfe yüksek derecede karmaşıktır, ancak kanal ayrımı ve Valsalva'nın sinuselarında likital membranın yeniden tanımlanmasını sağlar.

Mitral Regurg

Mitral regurgitation (MR) soldan gelen bir dilasyondan, yapraklı prolaps veya kıvrımdan (flail broşürü) kaynaklanmaktadır. MR'nin simetrik regurgitantantant jetleri, yüksek duvarı hear stresi ve uçotal hasarları tedavi eden bir akışa bağlıdır.

Bicuspid Aortic Valve

Bicuspid aortik valf (BAV) nüfusun% 1-2'sini etkiler ve sık sık sık aortik kök dilasyon ile ilişkilendirilir. anormal broşür geometrisi, aortik duvardaki asimetrik akış kalıpları yaratır ve özellikle de BAV'nin bölgesinde hastaların hızlı bir dillendirme için en yüksek risk altında olduğunu ve bir akışla birlikte seslendirmenin yol göstericiye yol açtığını gösterir.

Klinik Uygulamalar ve Tahminsel Modelleme

Simülasyonun nihai hedefi hasta bakımı geliştirmektir. Birkaç klinik uygulama zaten aktif gelişim altında veya kullanımdadır:

  • [FONT:0) TAVR için önceden belirlenmiş planlama: [Dönetici aortik kapak geometrisinin ve calcification modelinin açıklanması, paravalvular sız ve koroner tıkanıklığı tahmin etmenize yardımcı olur.) HeartFlow, FEops) farklı prostez boyutları için transvalvular gradientler ve regurg hacimleri simüle eder.
  • [FONTD:0)Mitral valf onarım simülasyonu:[DDD-printed veya sanal modelinde, simülasyon kılavuz onarımlarının yeniden işlenme ihtiyacını azaltdığını gösteriyor.
  • [FONT:0)Prosthetic valf tasarımı: Edwards Lifesciences ve Medtronic gibi şirketler, broşür geometriyi optimize etmek için çok yüksek oranda ve çerçevelileştirici ve anti-kalkikasyon tedavilerini hızlandırırlar. Simülasyonlar gelişim döngüsünü hızlandırır ve hayvan testlerini azaltır.
  • [FONT:0)Risk stratification: [Dönetici hastalar için şiddetli AS ile simülasyon, yüksek mekanik stres bölgelerinin bağlantı kurma alanlarıyla bağlantı kurma hızını tahmin edebilir.Bu sonunda valf değişiminin zamanlamasına rehberlik edebilir.

Özellikle umut verici bir alan, kateter tabanlı prosedürler sırasında gerçek zamanlı geri bildirimin sağlanması için makine öğreniminin kullanılmasıdır. Örneğin, araştırmacılar duvardaki basit geometrik parametrelerin tamamını tahmin eden ekinler üzerinde eğiten ekinler ve stres dağılımını tahmin edebilir.

Future Yol Tarifi

Alan kişiselleştirilmiş, çok ölçekli modellemeye doğru ilerliyor. Mevcut simülasyonlar genellikle sadece organ-öldürülebilir geçişle sonuçlanır, ancak valf hastalığı hücresel ve moleküler düzeylerde süreçleri içerir. Çok ölçekli modeller, çift doku ölçekli stresle hücre sinyal yolları (örneğin, endotelyal-toplayıcı geçiş) ile işbirliği yapmak için çağrılar içerir.

Bir başka sınır, valfin ötesinde kalp mekaniğinin dahil edilmesidir. Tüm kalpli FSI modelleri ve farmaküla ödemleri dahil olmak üzere, fibrous mimarisi ve valf dinamikleri, eski bilgisayarları sayesinde mümkün hale gelebilir.Böyle modeller, en iyi tedaviden önce birçok müdahaleyi test etmek için kullanılabilir.

Düzenleme de ilerliyor. ABD Gıda ve İlaç Yönetimi (FDA) özellikle hasta işe alımlarının zor olduğu nadir kapak hastalıkları için simülasyon kullanımı konusunda rehberlik yayınladı.[0] Biyomedikal cihaz onayı için geçerli bilimsel kanıtlar doğrulama uygulamaları için en iyi uygulamaları özetliyor (ISCT) ve belirsizlik ölçümler için geleneksel denemeleri önerdi.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Kan akışı ve mekanik kuvvetler simülasyonu, kalp kapak hastalıkları anlayışımızı değiştirdi. Yüksek çözünürlüklü görüntüleme, sağlam fizik tabanlı modeller ve bilgisayarlı güç, araştırmacılar şimdi, bakım patolojisi olan görünmez güçleri görselleştirebilirler. Bu araçlar sadece akademik değil - uzun vadeli sonuçlara karşı bu modelleri yardımcı oluyor ve rutin bakımlara doğru ilerlerken, onları disiplinler arası bir şekilde entegre etmeye devam edecek.