Жидкость

Jul 10, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5734 (2023) Цитировать эту статью

1169 Доступов

Подробности о метриках

Для тех, кто страдает терминальной стадией бивентрикулярной сердечной недостаточности и когда трансплантация сердца не является приемлемым вариантом, полное искусственное сердце (TAH) может использоваться в качестве моста для устройства для трансплантации. Realheart TAH — это четырехкамерное искусственное сердце, в котором используется метод накачки с положительным вытеснением, имитирующий родное сердце, для создания пульсирующего потока, управляемого парой двустворчатых механических сердечных клапанов. Целью этой работы было создание метода моделирования гемодинамики в поршневых насосах крови с использованием вычислительной гидродинамики с взаимодействием жидкости и структуры, чтобы исключить необходимость в ранее существовавших in vitro данных о движении клапана, а затем использовать его для исследования производительность Realheart TAH в различных условиях эксплуатации. Устройство было смоделировано в Ansys Fluent для пяти циклов при скорости откачки 60, 80, 100 и 120 ударов в минуту и ​​длине хода 19, 21, 23 и 25 мм. Движущиеся компоненты устройства были дискретизированы с использованием метода смещения сетки, между жидкостными и структурными решателями использовался новый смешанный алгоритм слабой и сильной связи, а для максимизации вычислительной эффективности и точности использовалась настраиваемая схема пошагового изменения по времени. Двухэлементная модель Виндкесселя аппроксимировала реакцию физиологического давления на выходе. Результаты объемного расхода и давления переходного оттока сравнивались с экспериментами in vitro с использованием гибридного сердечно-сосудистого симулятора и показали хорошее согласие с максимальными среднеквадратичными ошибками 15% и 5% для скоростей потока и давления соответственно. Было смоделировано вымывание желудочков, и оно показало увеличение по мере увеличения сердечного выброса с максимальным значением 89% после четырех циклов при 120 ударов в минуту на расстоянии 25 мм. Также было измерено распределение напряжения сдвига во времени, показав, что не более \(4,5\x 10^{-4}\)% общего объема превышало 150 Па при сердечном выбросе 7 л/мин. Это исследование показало, что эта модель является точной и надежной в широком диапазоне рабочих точек и позволит быстро и эффективно провести будущие исследования текущего и будущих поколений Realheart TAH.

Сердечная недостаточность (СН) поражает более 64 миллионов человек во всем мире, при этом число случаев увеличилось почти на 92% в период с 1990 по 2017 год1. Тяжелые случаи СН (симптомы IV класса Нью-Йоркской кардиологической ассоциации2), такие как терминальная стадия бивентрикулярной СН, поражающая обе стороны сердца, требуют трансплантации сердца. Однако количество доступных донорских сердец ограничено, а списки ожидания трансплантации продолжают расти3. Врачи могут обратиться к механической поддержке кровообращения (MCS) как к средству преодоления разрыва с трансплантацией, а тип HF определяет, какую MCS можно использовать. В случаях недостаточности одного желудочка можно использовать желудочковое вспомогательное устройство (VAD), чтобы помочь желудочку перекачивать кровь, однако в случаях терминальной стадии бивентрикулярной СН используется полное искусственное сердце (TAH), которое полностью заменяет функцию родное сердце более подходящее4.

Существует два основных способа откачки устройств МКС: роторный и объемно-вытеснительный. Самые последние VAD представляют собой вращающиеся устройства5,6,7. Они содержат одну вращающуюся крыльчатку, передающую кинетическую энергию крови, которая преобразуется в напор с помощью либо лопаток статора (в насосе с осевым потоком), либо улитки (в насосе с центробежным потоком). Роторные насосы обычно производят непрерывный поток, но, изменяя скорость вращения рабочего колеса, они могут создавать пульсирующую форму потока. В TAH обычно используется метод нагнетания с принудительным вытеснением, при котором кровь выталкивается из устройства с помощью мембраны или толкающей пластины с электрическим или пневматическим приводом для создания пульсирующего потока8,9,10. Роторные насосы также использовались в качестве TAH11,12, а объемные насосы также использовались в качестве VAD13,14,15,16. Хотя устройства с непрерывным потоком обычно меньше, чем пульсирующие насосы, и оказались более прочными и надежными по сравнению с ранней технологией VAD с положительным вытеснением, исследования показали физиологические преимущества пульсации как внутри устройства, так и по всему телу17,18.