Исследования сосредоточились о том, как ткань сердечного клапана отвечает на реалистический кровоток. Новые модели могут помочь врачам сделать более длительный ремонт и замену сердечных клапанов.«В ядре то, что мы делаем, является разработкой новых материальных моделей, которым намного более структурно и биологически сообщают и могут на самом деле объединить механизмы неудачи и модернизации, сказали рост и адаптация к измененным силам, которые продолжают», изучают соавтор Майкл Сэкс.
Сэкс – Дар В.А. Монкрифа Основанный на моделировании Стул Технических наук во ЛЬДАХ и преподаватель Биоинженерии, UT Austin.У ЛЬДОВ есть долгая история с TACC. С 2003 ICES использовала суперкомпьютеры в Texas Advanced Computing Center (TACC), чтобы изучить турбулентное течение.
Эти недавние исследования, которые моделируют взаимодействия кровотока ткани листовки через клапаны человеческого сердца замены, использовали миллионы часов центрального процессора на Паническом бегстве, Lonestar и Независимых суперкомпьютерах в TACC.«Одно из больших преимуществ для того, чтобы быть здесь во ЛЬДАХ – то, что у нас есть прямой доступ к средствам TACC», сказал Сэкс. «Эти рабочие места управляют многократными процессорами по целому широкому спектру, чтобы попытаться получить его работающий по сердечному циклу. Это очень в вычислительном отношении интенсивно.
Ресурсы TACC абсолютно необходимы к этим моделям. Средства TACC также позволяют нам концентрироваться на технических и научных проблемах под рукой, вместо того, чтобы разрабатывать и поддерживать аппаратные средства».
Два разбирается в мае 2015 сосредоточенный на клетках листовки митрального клапана, самом большом из этих четырех сердечных клапанов. После сердечного приступа ослабленная сердечная стена будет часто заставлять митральный клапан регулировать, так, чтобы нормальный односторонний поток богатой кислородом крови от легких между левым атриумом в левый желудочек, где это накачано к остальной части тела.В среднем сердце мечется 2,5 миллиарда раз в человеческой жизни.
Каждый пульс помещает износ на учредительные клетки листовки митрального клапана. Кроме того, ткань клапана реконструирует себя в ответ на напряжение ее курирования.Исследование в мае 2015, финансируемое Национальными Институтами Здоровья (NIH) и изданный в Журнале Теоретической Биологии, моделировало деформации на клеточном уровне в передней ткани листовки митрального клапана.
Научная команда объединила экспериментальную работу с вычислением, протянув сердечные ткани под микроскопом, чтобы обеспечить критические данные, чтобы смоделировать листовку митрального клапана.Ткани сердечного клапана построены как четыре слоеных торта волокнистых белков и клеток.
Один из главных результатов показал, что каждый слой ткани митрального клапана заставляет клетки в слое простираться по-другому до неустанной перекачки крови. Так как клетки – «рабочие обслуживания» клапана и отвечают на рабочие требования к клапану, будучи протянутым отличающимися способами, это открытие может помочь нам образцовые изменения в автоматическом техническом обслуживании сердечного клапана, которые приводят к отказу клапана.«Вычислительные требования происходят, прежде всего, от больших деформаций, которые происходят в родном клапане, приводящем к потребности в продвинутых материальных моделях, которые в вычислительном отношении очень требовательны», сказал Сэкс. «Есть также очень сложные конфигурации», добавил он, «когда листовки клапана ‘связываются’ и объединяются».Мешки и коллеги обратились к этим проблемам в другом исследовании, финансируемом NIH, и выпустили май 2015 в журнале Biomechanics и Modeling in Mechanobiology.
В нем они взяли то, что они узнали об архитектуре фактических волокон ткани напоминающего по форме митру сердечного клапана и применили его к модели большой картины, которая моделировала функцию на уровне органа.Пункт всего этого исследования, сказали Мешки, должен разработать модели о том, как улучшить длительность хирургическим путем восстановленных сердечных клапанов, которая учится, шоу может потерпеть неудачу в течение всего трех – пяти лет после ремонта.
«Одна из основных проблем там следует из срыгивания клапана», сказал Сэкс. Некоторые утечки крови назад через митральный клапан в левый атриум при заболевании назвали ишемическую митральную регургитацию.«Что мы пытаемся сделать, разрабатывают модели, которые могут предсказать, как конкретная хирургическая техника может расширить длительность ремонта определенным для пациента способом», сказал Сэкс. «В конечном счете это дает инструменты хирургов, чтобы развивать и улучшить операции».
«Это включает много различных компонентов, включая использование того, что назвало кольцо annuloplasty», сказал Сэкс. «Это кольцо хирургическим путем внедрено так, чтобы клапан больше не извергал, но различные формы вызывают отличающиеся усилия, которые, как думают, затрагивают длительность ремонта».Вне ремонтных работ каждый год больше чем 280 000 человек во всем мире заменяют больные сердечные клапаны клапанами искусственного сердца.
Но даже новейшие клапаны искусственного сердца, сделанные из ткани против более старых механических версий, только служат приблизительно 10 – 15 лет.«Они изготовлены от мягких тканей, которые были химически обработаны и поэтому представляют проблему и с точки зрения существенного моделирования и также с точки зрения факта, они находятся в окружающей среде контакта крови», сказал Сэкс. Он добавил, что есть также значительное давление крови на аортальном сердечном клапане что дальнейшая способность ученых проблем смоделировать их.
Доли высоки, чтобы смоделировать и улучшить клапаны искусственного сердца. «Если бы Вы могли бы сделать клапан, который прослужил бы даже три – пять лет дольше, в среднем по сравнению с текущими клапанами, которые будут монополизировать рынок», сказал Сэкс. «Это оказало бы огромное клиническое влияние».Мешки и коллеги сообщают о своих достижениях по моделированию аортального сердечного клапана в исследовании, финансируемом Национальным Сердцем, Легким и Институтом Крови (фонды NIH) и Управление по контролю за продуктами и лекарствами, изданный февраль 2015 в журнале Computer Methods in Applied Mechanics и Engineering.В нем научная команда развивала то, что они называют геометрически гибкой техникой для вычислительного взаимодействия жидкой структуры. «Это очень сложно из-за обработки математики, как потоки жидкости и как тело искажает, существенно отличаются», сказал Сэкс. «Сцепление их на передовом рубеже вычислительной механики».Соавтор исследования Мин-Чэнь Сюй работал над клапанами искусственного сердца с 2012.
Раньше постдоктор во ЛЬДАХ, Сюй был постдоктором с Томасом Хьюзом и Мешками, и в настоящее время является доцентом в Отделе Машиностроения в Университете штата Айова.«Что мы нашли, то, что это чрезвычайно сложно, чтобы рассмотреть сцепление между кровотоком и структурой сердечного клапана, используя текущие структуры моделирования.
Я думаю, что один из наиболее существенных вкладов в этой работе – то, что мы разработали вычислительную технологию, которая в состоянии непосредственно заняться этой проблемой», сказал Сюй.Сюй сказал, что важные «количества интереса», такие как механическое напряжение появляются из компьютерных моделей, что-то, что сложно, чтобы добраться сегодня из даже самых сложных экспериментов с живой тканью.«Что является новым в этой работе, то, что мы объединили все», сказал Сюй. «Мы начинаем с дизайна листовки, используем это непосредственно в нашу аналитическую структуру и выполняем жидкое исследование сцепления структуры, и затем исследуем механические усилия. Это включает идею изогеометрического анализа, который был очень популярен за прошлые 10 лет.
Эта структура может оптимизировать все в выполнении подобных исследований».Как работа с митральным клапаном, вычислительное усилие по моделированию с искусственными аортальными сердечными клапанами – все о длительности, по словам Сюя. «Влияние, которое это окажет, понимая взаимодействие между кровотоком и листовками сердечного клапана, что мы можем быть в состоянии лучше проектировать материал и форму листовки так, чтобы мы могли удлинить продолжительность жизни биопротезного сердечного клапана. Хотелось бы надеяться, с улучшенным дизайном пациент не должен проходить болезненный процесс хирургии замены сердечного клапана каждые 10 – 15 лет», сказал Сюй.
То, что в вычислительном отношении сложно о листовке сердечного клапана, сказал Сюй, это – очень тонкая и гибкая структура. «В вычислительном отношении, специально для взаимодействия жидкой структуры, это очень сложно, чтобы иметь прочный алгоритм, чтобы обращаться с этими структурными движениями. Кроме того, материальный ответ очень нелинеен. И когда напряжение выше, ткань напряжется».Есть также большой контакт между листовками, когда сердечный клапан открывается и закрывается, которые досаждают усилиям смоделировать их. «В вычислительной механике свяжитесь, проблема – огромная, сложная область, которая будет обращена», сказал Сюй.
Кровоток в сердце обычно где-нибудь между гладким, пластинчатым к грубой турбулентности, из-за которой сложно моделировать, особенно в присутствии листовок. «Самая важная вещь – Вы, хотят, чтобы Ваш метод был прочен», сказал Сюй. «Мы хотим изучить долгосрочную усталость этих материалов и проектов. Вы не хотите быть в состоянии моделировать всего один цикл. Вы можете хотеть моделировать как можно больше циклов и видеть, как эти количества изменяются со временем. Это не просто точность, но и надежность, которая чрезвычайно сложна в структуре FSI».
Сэкс видит, что это исследование влияет примерно на кого-либо, кто собирается получить следующее поколение замен сердечного клапана, особенно чрескожное, или нехирургическим путем заменил искусственный клапан.«По существу то, что Вы хотите сделать, быть в состоянии спроектировать эти устройства тем же самым путем инженеры Ваш iPhone», сказал Сэкс. «В конце дня цель состоит в том, чтобы быть в состоянии произвести более эффективную терапию.Вот именно.
Мы используем эти методы моделирования, чтобы быть в состоянии сделать это».