工程师发现替换心脏瓣膜中较薄的组织会造成有

- 编辑:大众自然网 -

工程师发现替换心脏瓣膜中较薄的组织会造成有

你位于主动脉的中间,主动脉是输送富氧血液的管道,你可以向后看心脏的主要泵——左心室。

心室肌肉收缩,主动脉瓣的三瓣叶打开,血液以每秒200厘米的速度流动。这是什么?

这三张传单在随风飘扬,用工程术语来说。这是一个问题。它可能导致小叶撕裂,钙沉积,疲劳失效,甚至损害流动的血液。

由于爱荷华州立大学(Iowa State University)和得克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的工程师们开发了血液和心脏瓣膜之间流体-结构相互作用的计算模型,我们从物理上不可能的角度看到了目击者的样子。

工程师们用他们的技术来研究当取自牛或猪的越来越薄的生物组织被用于经导管主动脉瓣置换术时会发生什么。该手术包括将人造瓣膜压入导管,导管穿过动脉到达主动脉根部,主动脉在那里扩张并固定住。在构建替换瓣膜时,选择薄的组织是有意义的——薄的组织可以折叠成更小的导管,以便在狭窄的动脉导管中移动。

但是,在对比100%,75%,50%和25%的组织厚度的并排模型中,你可以看到两种较薄的选择存在问题。

《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)刚刚在网上发表了一篇论文,报告了工程师们的发现。通讯作者是爱荷华州立大学机械工程副教授徐明晨;Thomas J.R. Hughes, Peter O'Donnell Jr.计算和应用数学主席,德克萨斯航空航天工程和工程力学教授,以及Oden计算工程和科学研究所;还有Michael S. Sacks, w.a。“Tex”Moncrief Jr.模拟工程和科学主席,生物医学工程教授,德克萨斯心血管建模和仿真Willerson中心主任和奥登研究所。爱荷华州立大学机械工程和风能科学、工程和政策项目博士生艾米丽·约翰逊是第一作者。(其他合作作者请参见侧栏。)

工程师们对较薄瓣膜组织性能的比较得到了美国国立卫生研究院的资助。

置换主动脉瓣的计算机模型。模型显示,植入瓣膜的生物组织的厚度分别为100%、75%、50%和25%。你可以看到底部较薄的组织在颤动。资料来源:许明琛,爱荷华州立大学

年复一年的挑战

爱荷华州立大学的Hsu已经从事心脏瓣膜建模超过五年了,他说,要开发一个心脏瓣膜运作的预测计算模型并不容易。

有持续的收缩,压力和流动。这些阀门是灵活的。这是一个高度动态的系统,有很多变量。

“我们真的是在模拟整个生理系统,”徐说。“这就是为什么我们花了好几年时间来建立正确的血液流动模型,因为血液流动可以从层流变为湍流,心脏瓣膜非常薄而且是非线性的,以及多物理耦合,可能在数值上不稳定。”

徐说,这种建模需要超级计算能力。本研究中的瓣膜是使用德克萨斯州高级计算中心(Texas Advanced computing Center)的计算资源进行模拟的,在144个处理核心上运行每个心动周期大约需要两天时间。

但这是一个值得花费时间和精力的问题。任何时候替换的心脏瓣膜用坏了,病人就要接受另一个心脏手术。工程师们写道,这使得避免在更换阀门时出现单张颤振成为“关键的质量标准”。

计算机模型显示了替换心脏瓣膜在一个典型心脏周期中的性能,包括牛或猪的各种厚度的生物组织。来源:Ming-Chen Hsu/爱荷华州立大学

让我们也来研究一下科学

约翰逊是他实验室的一名博士生,也从事风力涡轮机建模的工作,他帮助徐把他的实验室的工作进一步推向了一个新的方向。

“我的背景是计算方法,”他说。但学生们建议我们也应该多看看科学方面的问题。我们不再只是在开发计算工具。”

在这种情况下,计算机模型和产生的视频使科学更容易看到和理解。(如许所说,“我认为视频是展示我们成果的最好方式。”)

当被跳动的心脏打开时,较薄的小叶在中间弯曲,在血液流动中跳动。“这就像一面飘扬的旗帜,”约翰逊说。

她说,工程师能够量化扑动,发现较薄的组织比较厚的组织拥有高达80倍的“颤振能量”。

根据工程师对心脏瓣膜内流体-结构相互作用的看法,得出的结论很清楚:

“考虑到与所观察到的扑动现象相关的风险,包括血液损伤和加速单张退化,这项研究证明了将更薄、更灵活的组织引入心脏系统的潜在严重影响。”