Доцент кафедры машиностроения Стивен Гент более 10 лет занимался компьютерным моделированием гидродинамики, но это был его первый опыт моделирования кровотока.Их исследовательское партнерство оказалось успешным.Команда Sanford Health начала клинические испытания этого устройства Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в марте, опираясь на данные компьютерного моделирования гидродинамики и пациентов, которых лечила Келли. В апреле Sanford Health подписала лицензионное соглашение с Medtronic, которое приблизит коммерциализацию этого спасательного устройства.
Исследование поддержано грантом Sanford Frontiers.Настройка модели«Это нетривиальная проблема», — сказал Гент, отметив, что кровь — это пульсирующий поток. Он и аспирант Тейлор Сьюсс использовали имеющийся в продаже решатель вычислительной гидродинамики Star CCM + ® и написали дополнительный код для моделирования кровотока через пять стентов.
Три были коммерчески доступны, а два, в том числе Келли, были новыми.Сначала исследователи должны были изучить медицинскую терминологию, а затем связать инженерные результаты с тем, что имело значение для медицинских работников. «Язык перекрывает примерно 60 процентов, — сказал Гент, — но помогло то, что Келли была инженером-строителем, прежде чем стать хирургом».
Чтобы сравнить устройства, Зюссу пришлось создать геометрически правильную модель каждого трансплантата относительно одних и тех же координат аорты и положения в стволе тела и артериях, которые питают органы и переходят в ноги. «Я потратил много времени на изменение файлов САПР, чтобы сравнение было как можно более справедливым», — отметил он.Имитация кровотокаУпрощенный кровоток напоминает жидкость, движущуюся по трубам с точки зрения анализа жидкостей, но Зюсс отметил, что «граничные условия сложны, а параметры малоизвестны».
Чтобы зафиксировать, что происходит с кровотоком у стенок артерий, где обычно начинается атеросклероз, исследователям пришлось написать свой собственный код. Они должны были учитывать колеблющийся индекс сдвига, усредненное по времени напряжение сдвига стенки, относительное время пребывания и временной градиент напряжения сдвига в стенке.
«Чем дольше кровь остается на одном участке, тем больше вероятность того, что лейкоциты будут накапливаться и вызывать утолщение стенок артерий», — сказал Зьюсс. Это сужение увеличивает напряжение сдвига на стенке сосуда.Биомедицинский инженер Sanford Health Тайлер Ремунд, который является частью группы разработки продукта Келли, объяснил, что артерии, питающие почки, очень склонны к свертыванию. Ремунд получил степень бакалавра машиностроения в SDSU, а затем защитил докторскую диссертацию по биомедицинской инженерии в Университете Южной Дакоты.
«Задача, стоящая перед отраслью, заключается в том, чтобы почечные сосуды оставались открытыми», — добавил он, отметив, что небольшая длина и малый диаметр почечных артерий делают их склонными к сужению после стентирования.Чтобы учесть кратковременный пульсирующий поток крови, Зьюсс импортировал в программное обеспечение обширную таблицу данных, которая определяет объемный расход крови через систему каждые 5000 долей секунды и выводит раствор каждые 1000 долей секунды, чтобы получить симуляция для односекундного цикла.Традиционно кровоток моделируется как неньютоновская жидкость; однако исследователи обнаружили, что эти свойства применимы к артериолам и капиллярам диаметром 1 миллиметр или меньше.
Когда Зюсс сравнил моделирование с использованием ньютоновских и неньютоновских свойств жидкости, он не обнаружил «почти никакой разницы».Открытие возможностейПо словам Келли, моделирование потока жидкости «помогло подтвердить, что конфигурация обеспечивает более развитый кровоток вместе с дизайном».
«Моделирование показывает, что поведение потока рядом со стенкой артерии более упорядоченное, предсказуемое и умеренное с учетом конструкции. Оно разделяет поток крови вверх по течению и позволяет ему постепенно достигать почек», — сказал он. Гент и Зюсс подтвердили это, когда провели компьютерное моделирование.
По словам Келли, только у небольшого числа пациентов — двое на 100 000 в год — диагностируются торакоабдоминальные аневризмы. Однако большинство этих пациентов не пережили традиционную операцию, которая включает разрез от груди до паха.«Этот менее инвазивный подход может дать большему количеству пациентов выбор», — отмечает Келли.Этот проект может открыть больше возможностей для инженеров-исследователей.
Гент сопровождал хирурга из Сэнфорда на конференцию, где Келли представила проделанную ими работу.«У нас есть много вариантов в будущем», — сказал Зьюсс. «Мы можем сделать такое моделирование любого стента».
