Механические сердечные клапаны производят турбулентный кровоток
Пациенты с искусственными сердечными клапанами подвергаются более высокому риску образования тромбов.
Повышенный риск известен из наблюдения за пациентами после имплантации искусственного клапана. Фактор риска свертывания крови особенно серьезен для пациентов с механическими сердечными клапанами, где пациенты должны получать разжижители крови каждый день, чтобы снизить риск инсульта. До сих пор неясно, почему механические сердечные клапаны способствуют образованию сгустка в гораздо большей степени, чем клапаны других типов, например.грамм. биологические сердечные клапаны.
Команда инженеров из группы сердечно-сосудистой инженерии Центра биомедицинских инженерных исследований ARTORG при Бернском университете успешно определила механизм, который может значительно способствовать образованию тромбов.
Они использовали сложные математические методы теории гидродинамической устойчивости, раздела механики жидкостей, который успешно использовался в течение многих десятилетий для разработки экономичных самолетов. Это первый перевод этих методов, сочетающих физику и прикладную математику, в медицину.
Используя комплексное компьютерное моделирование на флагманских суперкомпьютерах в Centro Svizzero di Calcolo Scientifico в Лугано, исследовательская группа смогла показать, что нынешняя форма регулирующих поток створок сердечного клапана приводит к сильной турбулентности кровотока. «Просматривая данные моделирования, мы обнаружили, как кровь попадает на передний край створок клапана, и как кровоток быстро становится нестабильным и образует турбулентные вихри», – объясняет Хади Золфагари, первый автор исследования. "Сильные силы, возникающие в этом процессе, могут активировать свертывание крови и вызвать образование сгустков сразу за клапаном. Суперкомпьютеры помогли нам выявить одну основную причину турбулентности в этих клапанах, а теория гидродинамической устойчивости помогла нам найти инженерное решение этой проблемы."
Механические сердечные клапаны, которые использовались в исследовании, состоят из металлического кольца и двух створок, вращающихся на шарнирах; створки открываются и закрываются при каждом ударе сердца, чтобы кровь выходила из сердца, но не возвращалась обратно. В исследовании команда также изучила, как можно улучшить работу сердечного клапана. Он показал, что даже слегка измененная конструкция створок клапана позволяет крови течь, не создавая нестабильности, которая приводит к турбулентности – больше похоже на здоровое сердце. Такой кровоток без турбулентности значительно снизит вероятность образования сгустка и инсульта.
Жизнь без разжижителей крови?
Более 100000 человек в год получают механический сердечный клапан. Из-за высокого риска свертывания крови все эти люди должны принимать антикоагулянты каждый день и всю оставшуюся жизнь. Если конструкция сердечных клапанов будет улучшена с точки зрения механики жидкости, можно предположить, что получателям этих клапанов больше не понадобятся разбавители крови.
Это может привести к нормальной жизни – без длительного приема лекарств, разжижающих кровь. «Конструкция механических сердечных клапанов практически не менялась с момента их разработки в 1970-х годах», – говорит Доминик Обрист, руководитель исследовательской группы в Центре ARTORG. «Напротив, много исследований и разработок было проведено в других инженерных областях, таких как проектирование самолетов. Учитывая, у скольких людей есть искусственный сердечный клапан, пришло время поговорить об оптимизации конструкции также в этой области, чтобы дать этим людям лучшую жизнь."
Исследовательская группа Сердечно-сосудистая инженерия
АРТОРГ´Группа сердечно-сосудистой инженерии (CVE) изучает сердечно-сосудистые заболевания и заболевания, такие как пороки сердца и сердечный приступ.
Его исследования направлены на повышение долговечности и биосовместимости терапевтических устройств и имплантатов, а также на разработку новых диагностических инструментов для клинической практики. Проекты трансляционных исследований CVE направлены на неотложные клинические потребности, которые были определены вместе с клиническими партнерами в области ангиологии, кардиологии и сердечно-сосудистой хирургии в Inselspital, которые тесно интегрированы в проектные группы от начала до конца.
Команда управляет экспериментальной лабораторией потока с современной измерительной техникой и вычислительной лабораторией для моделирования потоков в сердце и кровеносных сосудах. Его экспериментальное оборудование включает высокоскоростные камеры и лазерные методы количественной оценки трехмерного потока.
Группа разрабатывает и использует индивидуальные компьютерные модели и суперкомпьютеры для изучения биомедицинских потоковых систем с взаимодействием жидкости и структуры.