Yapay Kalp Vanaları ve Kan Akışı Dinamikleri Giriş

Her yıl, dünya çapında 250.000'den fazla kalp valfi yedekleri gerçekleştiriliyor, kalp odası aracılığıyla doğrulanmış kan akışı ele alıyor, bu implantların performansı ve uzunluğu, onları nasıl hareket ettirdiği konusunda ağır bir şekilde bağlıdır. Yapay kalp kapakları yaşam kurtarıcı cihazlar sadece akademik bir arayıştır; doğrudan etkiler, hasta sonuçları, dayanıklılık, ve yaşam tarzı kan basıncı gibi komplikasyonları etkiler.

İnsan kalbi günde yaklaşık 100.000 kez yenmektedir, her bir sözleşmede kanları valfler aracılığıyla taşır. Doğal valfler açık ve dikkat çekici verimlilikle kapanır, arka akışları önlerken minimum direnç yaratır. Yapay yedekler benzer bir dengeye ulaşır, ancak malzemeler ve geometriler karmaşık akış kalıpları sunar.Turbulence, hear stresi ve stapatit akış bölgelerin kan bileşenlerinin düşmesine yol açabilir.

Yapay Kalp Vanaları ve Akış Özellikleri

Mekanik Kalp Vanaları

Mekanik valfler, pirolytic karbon, titanyum ve polimerler gibi dayanıklı malzemelerden inşa edilir. En yaygın tasarımları, siraflet kapakları, eğimli disk valfleri ve kafesli-bol valfleri (sonunda nadiren kullanılırsa) Bileaflet valfleri, özellikle de, olumlu akış profilleri için tercih edilir. İki yarık yapraktan oluşur ve üç ayrı veya önemli alan oluştururlar, iki tane dahaki açmaz ve merkezi olmayan kapalı.Bu geometri bugün nispeten düşük basınç gradyanırıklığı sağlar.

Araştırmacılar, kare görüntüleri velocimetri (PIV) ve hesaplama sıvı dinamikleri (CFD) mekanik kapaklar etrafında haritalamak için kullandılar.Bu çalışmalar, orta jetin neden 3 m /s'e ulaşan ve piknasyonunu azaltmak için hear stresleri oluşturmaya devam ediyor.

Bioprosthetic Heart Valves

Biyoprosthetic (tract) valfler hayvan dokularından yapılır -tipik olarak mide aortik kapaklar veya bovine pericardium - destek çerçeve veya stent üzerinde yoğunlaşır. 10-20 yıl içinde trileaflet yapısını yakından taklit ederler, çünkü genellikle ömür boyu antikoagülasyon gerektirmezler, onları daha yaşlı hastalar için cazip hale getirirler veya kanama riskleri olan kişiler için cazip hale getirirler.

Biyoprosthetic valflerinin akış dinamikleri daha yakından doğal fizyolojiye benzemektedir.Dörtler esnektir ve merkezi bir triangular veyaifice ile açık, daha düzgün bir hız profili üretir ve daha düşük hear stresleri mekanik valfler ve planlama müdahaleleri ile karşılaştırır. Büyüyen ve dikme eğilimi zaman içinde transcatheter aortik bir valfi yeniden ortaya çıkarır (VR)

Kalp Vanaları'ndaki Temel Akışkanlar Dinamikleri

Kan, yeni olmayan bir sıvıdır - özellikle de yüksek hear oranlarında bulunan bir Newton sıvısı olarak, karmaşık, pulsatile ortamı ile akışlar. Ancak birçok model basitlik için bir Newton sıvısı olarak, özellikle de yüksek hear oranlarında bulunan yüksek enerjik parametreler içerir:

  • [FONT:0)Reynolds sayısı:[Dönetici: 0 ) Akışın ne kadar büyük olduğunu gösteren bir boyutsız sayı. kalp kapaklarında, zirvede, tepekar sayılar, arsa rejimde bin ila 10.000 arasında değişebilir.
  • [FONT:0)Shear stres: [Dönetici: 1) Komplikeli kuvvet, kapak yüzeyinde ve kan hücreleri üzerinde kan akarak, yüksek hear stresleri (above 1000 dyn/cm2) kırmızı kan hücrelerine zarar verebilir, trombozları teşvik edebilir, trombozları teşvik edebilir.
  • [FONT:0)Basın gradient: valfin içindeki baskıdaki fark. büyük bir gradient, kalp üzerinde yüksek direnç gösterir ve yüksek ücretli iş yüklerini artırır. 10 mmHg'nin altında kalan yüksek tavanlar hedef.
  • [FONT:0]Turbulent kinetik enerji (TKE): [Dönetici: 1) Akış dalgalanmalarının yoğunluğuna göre yüksek TKE, kan hasar ve trobus oluşumu riskini artırmaktadır.
  • [FONT:0)Yönekici hacim:[Dönetici:[Dönetici:0)Köpektif hacim:[Dönetici:[Döncük:0))))) Kapalı kapak sırasında kapaktan geriye kalan kan miktarı. Minimal regurgitation kabul edilebilir, ancak aşırı sızıntı kardiyak çıktıyı azaltabilir.

Bu parametreler birbirine bağımlıdır. Örneğin, baskıyı azaltan bir tasarım değişikliği, hear stresi veya turbulence'ı, bir ticarete yol açan bir şekilde artırabilir. Modern valf mühendisliğinin amacı, her iki direniş ve kan hasarını en aza indirmektir.

Akış Ayrılığı ve Rejim Bölgesi

Yapay kapak akışındaki en kritik fenomenlerden biri akış ayrımı - kapak yüzeyinden gelen sınır tabakaları, recirül sıvısı bölgeleri oluşturmak. Bu bölgeler genellikle yaprak veya yakınlıkların arkasındaki sinüsler içinde meydana gelir.Leprosthetic valfler, daha uyumlu olmayan faktörlerle, özellikle de tromboz formasyonların risklerini artırmakta, farklı recirkülasyon bölgelerinde ortaya çıkabilirler.

Boya enjeksiyonu veya dijital PIV gibi akış görselleştirme teknikleri, araştırmacıların bu bölgeleri tanımlamalarına izin verir. CFD simülasyonlar, broşür eğriliği nasıl değiştirebilir veya yıkama kanallarının durgunluğunu azaltabilir. Bazı yeni mekanik valf tasarımları, her bir kalp döngüsü sırasında alanları net bir şekilde yıkamak için küçük bir merkezi akış veya harika bir zemin içerir.

C ⁇ Kalp Vanaları aracılığıyla Kan Akışı Modelleme

C ⁇ sıvı dinamikleri yapay kalp kapaklarını analiz etmek ve optimize etmek için vazgeçilmez bir araç haline geldi. Gelişmiş CFD kodları Navier-Stokes denklemleri akışkan aktı için, hemodinamik yükleme altındaki broşürlerin deformasyonunu sağlayan yapısal bir çözümle çözülür.

FSI simülasyonları, saf olarak deneysel yaklaşımlar üzerinde birkaç avantaja sahiptir. Parametrik çalışmalara izin verir - Bir tasarım değişikliğinin herhangi bir üretim prototipi veya klinik denemeden önce hemoliz potansiyel veya trombozojenik etkisini tahmin edebilir. Ayrıca, ekspektif stres, basınç ve hız üzerinde ayrıntılı olarak bilgi sağlarlar.

Örneğin, Minnesota Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, standart bir serzenfek valfi ile eğrili broşürler içeren bir roman tasarımıyla karşılaştırarak FSI simülasyonlarını kullandı. Simülasyonlar eğrili-leaflet tasarımının, menajerlerin ardındaki yankılanan bir kesinti bölgesini azaltdığını gösterdiler.

Bununla birlikte, CFD modelleri sadece sınır koşullarını ve varsayımları kadar iyidir. Doğru modelleme, tek bir kalpli döngü için gerçekçi bir inlet hızı profilleri (örneğin ekokardiyografi veya MRG’den elde edilen trend), tıbbi görüntülemeleri uyumlu ve uygun kan rheolojiyi ek olarak, büyük eddy simülasyonları, yüksek performanslı bir ultrason kümeleri gerektiren, potansiyel olarak bu zorluklara rağmen, hastaya özgü modellemeye yönelik eğilim büyüyor.

Valve Hemodynamics'daki Deneysel Yöntemler

Vitro Flow Loops ve Parçacık Görüntü Velocimetri

Laboratuvar testleri, hesaplama tahminleri için önemli kalır ve aortik kökünü temsil eden fenomenler için zor kalır ve bir programlanabilir piston pompası fizyolojik akış ve baskı dalgalama sıvıları ile maça çıkan vitreus ve yoğunluktan oluşur (genellikle bir glycerin ve su veya xanthan dişil çözümünde monte edilir).

Parçacık görüntüsü velocimetri (PIV) bu kurulumlarda hız alanları ölçmek için altın standarttır. Akışkan küçük izr parçacıkları ile karıştırılır (tipik olarak 10-50 μm polistyrene alan) ve PIV, akıştaki karmaşık üç boyutlu akış kalıpları yakalayabilir ve yüksek hızda kamera yakalamaz.

PIV'in bir sınırlaması, yalnızca aydınlatılmış uçakta veri sağlar. Stereosko PIV veya hacimsel PIV (e.g., tomografik PIV), uçaktaki ve konumların ölçülmesi, üçüncü bir bileşeni eklemek için özellikle değerlidir.

Lazer Doppler Velocimetri ve Hemoliz Test

Lazer Doppler velocimetri (LDV), yüksek zamansal çözünürlükte tek bir noktada hız gerektiren başka bir optik tekniktir.Bu genellikle belirli yerlerde CFD sonuçlarını doğrulamak için kullanılır, çünkü LDV noktadır, tam alanları haritalamak için daha yavaştır, ancak zirve ve konum dalgalanmaları için kullanışlıdır.

Akış görselleştirmenin ötesinde, in vitro test genellikle hemoliz assays içerir. Kan veya bir kan analogu sabit bir süre için valfle dolaşımlanır ve hasarlı kırmızı hücrelerden hemoglobinin serbest bırakılması spektroffofotometrik olarak ölçülür.Bu, hemodinamik verilerin birbiriyle olan dağılımının daha tam bir şekilde, trombositivitenin ifadesini ölçmek için aktivasyon işaretlerin (örneğin, P-selectin) ifadesiyle karşılanır.

Kan Akışı Dinamikleri

Yapay kalp kapakları aracılığıyla kan akışının dinamikleri derin klinik sonuçlara sahiptir. Üç önemli komplikasyon doğrudan akış modelleri ile bağlantılıdır: trobozis, hemoliz ve yapısal valf dejenerasyon.

Thrombosis ve Embolism

Yapay kapaklar üzerinde trombus oluşumu, belirgin bir hastalık nedeni olarak kalmaktadır. Mekanik valfler 1-4 yıllık trombosit olayları antikoagülasyona rağmen başlatabilir ve ideal valf tasarımı çok faktörlüdür, ancak sıvı dinamikler akış stagnasyon bölgelerinin daha düşük bir trombosit riski vardır, ancak özellikle de düşük süreli stresin aktif olduğu zamanlardaki yan etkilerden daha düşük bir şekilde hareket eder.

Hemolololol

Hemoliz – kırmızı kan hücrelerinin yıkımı – yüksek mekanik hear stresi veya katı kapak bileşenlerine karşı etkisi nedeniyle sebep olabilir. Modern yapay kapaklar nadiren klinik olarak önemli hemoliz, ancak subclinical hemoliz yaygındır. Mild hemoliz plazmada yüksek derecede yüksek derecede yüksek dozda yüksek derecede yüksek derecede yüksek dozda hemoglobine yol açar, ancak zamanla anemiye neden olabilir. Şiddetli hemoliz, hemolizal hemoliz ile birlikte patolojik değişikliklerle ilgili olarak, hemolsundur.

Yapısal Valf Dejenerasyon

Biyoprosthetic valfleri, calcification nedeniyle, broşür gözyaşları veya pannus overgrowth.Bu süreçler öncelikle biyolojik olsa da, akış dinamikleri onları hızlandırabilir.Örneğin, türbülan akış veya yüksek stagnasyon bölgeleri ekokardiyografi kullanarak calciyal stres teşvik edebilir.

Bir diğer klinik değerlendirme, prosthetic valf ve ana anatomi arasındaki etkileşimdir. Örneğin, yüksek seviyeli bir jetin aortik duvara doğru yönlendirilen bir valf duvarı hasar veya intimal hiperplasia neden olabilir. Hastaya özgü simülasyonlar bu tür riskleri tanımlayabilir ve valf tipi veya implantasyon derinliğini bildirebilir.

Future Yol ve İnovasyonlar

Yapay kalp valfi hemodinamik alanı hızla gelişmeye devam ediyor. Birkaç ortaya çıkan trendler valf performansını ve hasta sonuçlarını geliştirmek için söz veriyor.

Hasta-Specific Valve Design

3D baskı ve tıbbi görüntülemedeki gelişmelerle, dağıtım sitesinin yaygın olarak değiştiği özel prosthetic valfleri tasarlamak mümkün.Hastaneye özgü olmayan modeller, aday tasarımları aracılığıyla akışları simüle edebilir ve en iyi hemodinamik ile bir tane seçebilir.Bu yaklaşım özellikle transcatheter valfleri için umut vericidir, dağıtım sitesi yaygın olarak değişir.

Gelişmiş malzemeler ve Yüzey Modifications

Nanocomposite polimerleri ve biyo-inspired kaplamalar gibi yeni malzemeler, trombositleri azaltırken dayanıklılık geliştirmek için tasarlanmıştır. Örneğin, bir heparin benzeri polimer ile kaplı bir kapak, potansiyel olarak daha düşük sistemsel antikoagülasyonu engelleyebilir. Yüzey mikro metincilik köpekbalığı derisinden ilham alan yüzey mikro metinsel sürüklenme ve hear stresi azaltır. Bu malzemeler, ters akış etkilerini tanıtmak için titiz bir şekilde test edilmelidir.

Makine Öğrenme ve Data-Driven Modeling

Makine öğrenme algoritmaları, ISIT'leri hızlandırmaya alışkındır.Geçmişli motor geometrilerinin büyük veri setlerinde eğitim sinir ağları ve akış alanları, araştırmacılar, milisaniyelerde yeni tasarımların hemodinamik performansını günlerden daha iyi tahmin edebilir.Bu, hızlı tasarım uzay keşfi sağlar.

In Vivo Flow Görüntüleme

Makul ve in vitro testleri önemlidir, in vivo akış verileri - 4D akış MRG ile lekelenmiş, ekokardiyografi veya elektrokariografi - bu etkileri en üst düzeyden indirgemek. 4D akışı MRG, kalp ve büyük gemilerde zaman bazlı modelleme alanları yakalayabilir, prosthetic valfler dahil. Metalik bileşenlerden eserler bir meydan okuma kalır, yeni diziler bu etkileri azaltır. "görüntü tabanlı modelleme" denilen bir teknikle birlikte görüntülemede, bireyselleştirilmiş bir değerlendirme sağlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Yapay kalp kapakları aracılığıyla kan akımının dinamikleri, derin bir sıvı mekaniği anlayışıyla yönlendirilir.Turbulence, hear stresi ve recciraj bölgelerinden itibaren bugün trombozların, hemoliz ve yapısal başarısızlık olasılığını doğrudan etkiler. Mekanik görüntü ve simülasyon gibi deneysel teknikler, akışkan-yapı etkileşimleri gibi tamamlayıcı fikirler sağlar.

Nüfus çağı ve valvular kalp hastalığının yaygınlığı büyüdükçe, daha iyi yapay kapaklar için talep yalnızca dikkat çekici adımlar atacaktır ve kan akışı dinamikleri ile birlikte çalışmak için merkezi olacaktır.

valf hemodinamik ve hesaplama modelleme hakkında daha fazla okuma için, [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSTÜSÜDÜSÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜye Değerleri[Üye Olmayanlar ve Acil Durumlar)[Üye Olmayanlar İçin Tıklayınız.