Цифровой двойник клапана: российские ученые моделируют биопротезы сердца
В России разработана методика моделирования имплантов для пациентов с тяжелыми пороками аортального клапана сердца. Компьютер помогает заранее рассчитать, как биопротез будет работать под нагрузкой. Это позволит создавать более долговечные импланты для лечения сердечных заболеваний.
Ученые университета «Сириус» и Пермского политеха совместно с коллегами из Южно-Африканской Республики разработали методику численного моделирования биопротезов аортального клапана из тканей животных. Такая модель позволяет заранее увидеть зоны повышенной нагрузки и может помочь при создании новых клапанов, в том числе методом ротационной 3D-печати.
В отличие от предыдущих работ, где акцент делался на подборе материалов и хирургических методиках, новая разработка связана с цифровым моделированием поведения биопротеза. Исследователи растягивали образцы свиного перикарда в двух направлениях, имитируя нагрузку работающего сердца, и описывали данные с помощью десяти математических моделей. Наиболее точными оказались две модели, которые связывают свойства материала с его структурой, а именно с распределением волокон в двух и четырех направлениях. Лучший результат показала модель с четырьмя направлениями.
Результаты опубликованы в журнале «Frontiers in Bioengineering and Biotechnology». В работе ученых поддержала государственная программа научно-технологического развития федеральной территории «Сириус».
Что происходит внутри сердца
Аортальный клапан работает как своеобразные ворота между сердцем и аортой. Он открывается, когда кровь выходит из сердца, и закрывается, чтобы не дать ей вернуться обратно. За один день створки клапана в живом организме совершают десятки тысяч таких движений. Поэтому материал протеза, из которого делают клапан-имплант, должен выдерживать постоянные циклические нагрузки.
Для замены поврежденного аортального клапана применяются разные виды протезов. Механические конструкции служат долго, но после их установки человеку приходится до конца жизни принимать препараты, снижающие свертываемость крови. Биологические протезы для людей делаются из тканей животных, чаще всего свиного перикарда. Они ближе по свойствам к естественным тканям и не требуют постоянной терапии, однако со временем могут изнашиваться, терять эластичность и хуже смыкаться. Поэтому одна из задач инженеров и медиков заключается в том, чтобы понять, как именно клапан будет вести себя еще до того, как он будет изготовлен и установлен пациенту. Здесь как раз на помощь приходит компьютерное моделирование и ИИ.
Новый уровень создания биопротезов
Для оценки будущего поведения клапана исследователи рассчитали помимо прочего и напряжение сдвига, то есть силу трения, с которой поток крови воздействует на поверхность створок.
Как объяснил младший научный сотрудник группы Центра генетики и наук о жизни университета «Сириус» Никита Пиля, слишком высокое или неравномерное напряжение сдвига способно повреждать ткань и ускорять ее износ: «В расчетах самые высокие значения этого показателя возникали в моменты закрытия клапана, особенно у краев створок и в местах их крепления к стенке аорты. Именно в этих областях в реальных биопротезах чаще возникают кальцификаты или повреждения».
Таким образом, компьютерная модель позволяет увидеть не только то, работает ли клапан в целом, но и то, где именно конструкция может оказаться уязвимой. Теперь потенциально проблемные зоны импланта можно определить уже на этапе расчетов. А значит, можно изменить конструкцию клапана еще до изготовления физического образца и сделать конечный продукт более надежным и долговечным.
Кому это поможет
Замена клапана на имплант помогает при пороках сердца, когда собственный клапан перестает работать нормально. Чаще всего речь идет о стенозе аортального клапана. Это состояние, при котором створки клапана деформируются, сужаются и кровь уже не может в достаточном объеме поступать из сердца в аорту. Этим заболеванием чаще всего страдают люди старше 60 лет, оно встречается примерно у 4% пациентов старшего возраста.
Еще одна частая причина – недостаточность митрального клапана, когда створки не смыкаются плотно, и кровь забрасывается обратно в сердце. Такие пороки приводят к одышке, слабости, потере сознания и в итоге к сердечной недостаточности, поэтому замена клапана на имплант становится единственным способом вернуть человека в нормальную жизнь.
