درمان بیماری های قلبی با استفاده از چاپ سه بعدی و شبیه سازی های دیجیتال - تاورنا

مادر من اولین GPS خود را در دهه 1990 خریداری کرد. چند ماه بعد، او عصبانی به خانه آمد، زیرا او را به سمت اشتباه شهر سوق داده بود، و او یک ساعتی دیرش شده بود. گفتم: این خیلی بد است، و ما به زندگی خود ادامه دادیم. هر دوی ما فهمیدیم که GPS تجاری یک فناوری نو است و مصون از خطا نیست، اما یک ساعت تلف شده هزینه کمی در ازای 99 درصد سفرهای رانندگی است که بر روی آنها درست کار می نماید. ما می دانستیم که با آزمایش های بیشتر و بازخورد کاربر، فناوری GPS به پیشرفت خود ادامه می دهد.

اگر این فناوری با میزان شکست 1 درصدی، ضربان ساز یا دریچه مصنوعی که در قلب مادرم کاشته شده و برای زنده نگه داشتن او طراحی شده است بود، اوضاع فرق می کرد.

اما اگر سلامت فرد در معرض خطر باشد، چگونه می توانیم انتظار داشته باشیم که فناوری بهبود یابد؟ امتحان کردن وسایل نو پزشکی بر روی بیماران بدون شواهد کافی در خصوص ایمنی کار آنها غیر اخلاقی است. آزمایش گسترده حیوانات، آزمایشات بالینی و یک فرایند پیچیده تصویب FDA قبل از مراجعه به چنین وسایلی لازم است. این بدان معناست که درمان های نجات بخش بالقوه می توانند سال ها برای رسیدن به بیماران طول بکشند.

اکنون دانشمندان در پی ابزارهای نو از جمله شبیه سازی رایانه و چاپ سه بعدی هستند تا روشهای سریعتر و ایمن تری برای آزمایش دستگاه های پزشکی بدون نصب آنها در انسان های زنده یا حیوانات توسعه دهند. آزمایشگاه من در کوشش است تا این تکنیک ها را برای بیماری های قلبی و عروقی به کار ببرد. این کار پتانسیل بهبود نتایج، بیشتر از روشهای تهاجمی که امروزه در درمان رایج است را دارد.

میزان گیری در داخل بدن

بیماری عروقی، حوزه تحقیقاتی من، یک بیماری بسیار شایع در ایالات متحده است. صدها تکنیک برای برطرف مسائل سیستم گردش خون وجود دارد، از جمله استنت ها (استوانه های سیمی که رگ های خونی را باز نگه می دارند)، آنژیوپلاستی بادکنکی (شریان های مسدود شده با فشار دادن موانع سر راه به بیرون مجدداً باز می شوند) و حتی تعویض دریچه قلب.

قبل از این که یک دستگاه قلبی و عروقی یا یک رویه بی خطر و مؤثر تلقی گردد، باید برای بازگرداندن موفقیت آمیز جریان خون سالم در بدن تأیید گردد. نشان داده شده است که جزئیات جریان خون مانند سرعت جریان، جهت و فشار می تواند بر سلامتی سلولهای قلب و رگهای خونی تأثیر بگذارد. دانستن این که جریان خون قبل از ثابت شدن چگونه به نظر می رسد و چه اتفاقی می تواند بعد از انجام روش یا نصب دستگاه رخ دهد، می تواند به پیش بینی موفقیت این روش یاری کند.

خواصی مانند سرعت جریان، جهت و فشار برای میزان گیری در یک انسان زنده یا حیوان سخت است زیرا بیشتر روش های میزان گیری احتیاج به سوراخ کردن رگ های خونی دارند. معدود روش های غیر تهاجمی یا نتایج غیر قابل اعتماد به دست می دهد یا خیلی کند و گران است که برای هر بیمار استفاده گردد. علاوه بر این، بسیاری از میزان گیری های جریان از حیوانات زنده و انسان به میزان کافی دقیق نیستند تا مشخص نمایند که آیا یک روش در نهایت منجر به بیماری دیواره های رگهای خونی مبتلا خواهد شد یا خیر.

استفاده از رایانه ها برای مدل سازی جریان خون

برای دور زدن این مشکل، دانشمندان می توانند دستگاهها و روشهای قلبی عروقی را با استفاده از شبیه سازی و مدلهای مصنوعی آزمایش نمایند. این مطالعات امکان جمع آوری داده های جریان بسیار کنترل شده و گسترده تری را که ممکن است برای یک بیمار زنده وجود داشته باشد فراهم می نمایند. چندین گروه تحقیقاتی، از جمله خود من، در حال حاضر این نوع کارها را انجام می دهیم، که شامل مدل سازی سرعت مایع و فشار در رگ های خونی با استفاده از رایانه است. به این فرآیند دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) گفته می گردد.

از آن جا که شبکه عروقی هر بیمار دارای یک شکل کمی متفاوت از دیگران است، حرکتی برای انجام شبیه سازی های خاص بیمار اجرا شده است. این بدان معناست که رگهای خونی یک بیمار را از تصاویر پزشکی اسکن نموده و از آنها به طور واقعی الگو برداری می کنیم. امتحان کردن وسایل نو پزشکی بر روی بیماران بدون شواهد کافی در خصوص ایمنی کار آنها غیر اخلاقی است. با تغییر مدل برای شبیه سازی یک روش یا کاشت دستگاه، پزشکان می توانند پیش بینی نمایند که چگونه جریان خون بیمار تغییر می نماید و برترین نتیجه ممکن را از قبل انتخاب می نمایند. به عنوان مثال، از CFD برای مدل سازی آنوریسم های عروق کرونر در بچه ها استفاده شده است و روش هایی برای درمان آنها پیشنهاد می گردد.

استفاده از این روش برای پیش بینی فرایند قلبی عروقی و موفقیت دستگاه مزایای بسیاری دارد. اول این که، CFD داده های دقیقی از جریان خون در نزدیکی دیواره های رگ به دست می دهد، که میزان گیری آزمایشی آنها سخت است و در عین حال در مشخص سلامت آینده رگ بسیار مهم است. بعلاوه، از آن جا که CFD می تواند تغییرات در رگ های خونی را شبیه سازی کند، پزشکان می توانند بدون آزمایش روی بیمار، از آن برای بهینه سازی برنامه های جراحی استفاده نمایند. به عنوان مثال، از CFD برای برنامه ریزی جراحی برای ترمیم قلب نوزادان متولد شده فقط با یک بطن عمل نماینده استفاده شده است.

CFD بعلاوه می تواند نشان دهد که چگونه جریان خون دارو را در اندامها و بافتهای مختلف توزیع می نماید: ردیابی حرکت ذرات دارویی که به یک رگ تزریق می شوند، نشان می دهد که آنها کجا به دیواره رگهای خونی می رسند.

با این حال، CFD بعلاوه چالش های خود را دارد. آماده سازی دستگاه های قلبی و عروقی برای مدل سازی در یک شبیه سازی، سختتر از عمل جراحی است. بعلاوه، مدلهای سیال غالباً باید با مدلهای مکانیکی دیواره شریانی و فاکتورهای بیولوژیکی مانند پاسخ سلولی به هورمونها همراه باشند تا یک شبیه سازی کامل از تأثیر یک دستگاه یا رویه را به دست آورند.

استفاده از آزمایشات برای مدل سازی جریان خون

بعضی از محققان، از جمله گروه من، مدل سازی فراتر از رایانه ها را انجام داده اند و مدل های فیزیکی ای ساختند تا بتوانند تأثیر دستگاه های قلبی عروقی بر جریان خون را آنالیز نمایند. اکنون فناوری چاپ سه بعدی به میزان کافی پیشرفته هست که بتواند مدل های واقعی عروق خونی انسان را ایجاد کند، و پمپ های پالس جریان می توانند به وسیله این رگ ها جریان داشته و پمپاژ قلب را تقلید نمایند. از آن جا که مدل های رگ، مصنوعی هستند، هیچ مسئله اخلاقی مربوط به سوراخ کردن آنها برای میزان گیری جریان وجود ندارد.

این مدل های دنیای واقعی بعلاوه از این مزیت برخوردار هستند که می توان دستگاه های قلبی عروقی واقعی را نصب کرد و از خون واقعی استفاده کرد، که هیچ یک از آنها با یک شبیه سازی قابل انجام نیست. به عنوان مثال، یک مطالعه نو اخیراً گردابهای ناشناسی را در جریان خون به وسیله شریان خمیده در پایین دست استنت مشاهده کرد. با این حال، آزمایشها کندتر ازCFD ، و گرانتر هستند و به طور کلی داده هایی با وضوح پایین فراوری می نمایند.

منبع: Erica Cherry Kemmerling - Academic rigour

منبع: راسخون