Учёные используют компьютерные модели для прогнозирования поведения створок клапанов сердца

Инженеры из Университета штата Айова (Iowa State University) и Техасского университета в Остине (The University of Texas) разработали вычислительные модели, демонстрирующие взаимодействие структуры жидкости и крови клапанов сердца с невозможной для реального наблюдателя точки зрения.

Мышца желудочка сокращается, и три створки клапана сердца открываются в сторону аорты и кровь течет со скоростью до 200 сантиметров в секунду. Эти три створки колеблются в потоке – развеваются (трепещут) и это может быть проблемой, так как может произойти разрыв створок из-за отложений кальция, просто усталости или повреждения проходящей кровью.

Инженеры использовали свою технологию для изучения того, что происходит, когда все более и более тонкие биологические ткани от коров или свиней используются для транскатетерной замены аортального клапана. Эта процедура включает внедрение искусственного клапана в катетер, который пронизывает артерию к корню аорты, где он расширяется и закрепляется на месте. При создании запасных клапанов имеет смысл выбирать тонкие ткани - более тонкие ткани можно сложить в меньшие катетеры для более легкого перемещения через узкие трубки артерий.

Но в параллельных моделях, сравнивающих толщину ткани 100%, 75%, 50% и 25%, учёные обнаружили проблемы с двумя более тонкими вариантами.

Выводы инженеров опубликованы в Интернете книге «Труды Национальной академии наук», авторами которой являются: Минг-Чен Хсу (Ming-Chen Hsu), доцент кафедры машиностроения; Томас Дж. Р. Хьюз (Thomas J.R. Hughes), заведующий кафедрой вычислительной и прикладной математики; Питер О'Доннел младший (Peter O'Donnell Jr. Chair), профессор аэрокосмической техники и инженерной механики; Майкл С. Сакс (Michael S. Sacks), заведующий кафедрой инженерных и естественных наук; Эмили Л. Джонсон (Emily L. Johnson), докторант в области машиностроения и науки.

Сравнение инженеров производительности более тонких клапанных тканей было поддержано грантами Национального института здоровья (National Institutes of Health).

По словам Минг-Чен Хсу, который разрабатывает клапаны сердца более пяти лет, нелегко разработать прогнозную вычислительную модель сердечного клапана в действии с учётом постоянных сжатия, давления и потока. Клапаны - очень динамичная система с большим количеством переменных.

«Мы действительно моделируем всю физиологическую систему… Вот почему потребовалось несколько лет, чтобы правильно смоделировать потоки крови, которые могут изменяться от ламинарных до турбулентных, сердечные клапаны, которые очень тонкие и нелинейные, и мультифизическая связь, которая может быть численно нестабильной», пояснил Минг-Чен Хсу.

Этот вид моделирования требует суперкомпьютерной мощности, клапаны в исследовании, о котором говорится в книге, были смоделированы с использованием вычислительных ресурсов в Техасском вычислительном центре (Texas Advanced Computing Center), причем разработка каждого сердечного цикла занимала около двух дней на 144 процессорных ядрах.

Но эта проблема стоит времени и усилий. Каждый раз, когда запасной сердечный клапан изнашивается, пациенты сталкиваются с другой процедурой сердца. Это делает предотвращение трепетания створок в заменяющем клапане «решающим критерием качества», пишут инженеры.

При открывании пульсирующим сердцем более тонкие листочки сгибаются в середине и развеваются в кровотоке. Инженеры смогли количественно оценить колебание и обнаружили, что более тонкие ткани имели в 80 раз больше «энергии трепетания», чем более толстые ткани.

Полученные выводы ясны, как взгляды инженеров на взаимодействие структуры жидкости внутри сердечного клапана: «Принимая во внимание риски, связанные с такими наблюдаемыми явлениями трепетания, включая повреждение крови и ускоренное разрушение листовок, это исследование демонстрирует потенциально серьезное влияние введения более тонких и более гибких тканей в сердечную систему».