Los nuevos modelos de supercomputadoras se han acercado más que nunca a capturar el comportamiento de las válvulas cardíacas humanas normales y sus reemplazos, según estudios recientes de grupos que incluyen científicos del Instituto de Ingeniería y Ciencias Computacionales ICES de la Universidad de Texas en Austin yDepartamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Estatal de Iowa.
Los estudios se centraron en cómo el tejido de la válvula cardíaca responde al flujo sanguíneo realista. Los nuevos modelos pueden ayudar a los médicos a reparar y reemplazar las válvulas cardíacas de manera más duradera.
"En el centro de lo que hacemos es el desarrollo de nuevos modelos de materiales que están mucho más estructurados y biológicamente informados y que en realidad pueden integrar mecanismos de falla y remodelación, crecimiento y adaptación a fuerzas alteradas que continúan", estudia el estudiodijo el autor Michael Sacks. Sacks es la Cátedra de Ciencias de Ingeniería Basada en Simulación de Dotación WA Moncrief en ICES, y profesor de Ingeniería Biomédica, UT Austin.
ICES tiene una larga historia con TACC. Desde 2003, ICES ha utilizado supercomputadoras en el Centro de Computación Avanzada de Texas TACC para estudiar el flujo turbulento. Estos estudios recientes que modelan las interacciones entre el tejido de los folletos y el flujo sanguíneo a través de válvulas cardíacas humanas de reemplazo han utilizadomillones de horas de CPU en las supercomputadoras Stampede, Lonestar y Maverick en TACC.
"Una de las grandes ventajas de estar aquí en ICES es que tenemos acceso directo a las instalaciones de TACC", dijo Sacks. "Estos trabajos ejecutan múltiples procesadores en un amplio rango para intentar que funcione durante el ciclo cardíaco. Esmuy computacionalmente intensivo. Los recursos de TACC son absolutamente esenciales para estos modelos. Las instalaciones de TACC también nos permiten concentrarnos en los problemas técnicos y científicos disponibles, en lugar de desarrollar y mantener hardware ".
Dos estudios realizados en mayo de 2015 se centraron en las células de la valva mitral, la más grande de las cuatro válvulas cardíacas. Después de un ataque cardíaco, la pared cardíaca debilitada a menudo hará que la válvula mitral se regule, de modo que la normalflujo de sangre rica en oxígeno desde los pulmones entre la aurícula izquierda hacia el ventrículo izquierdo, donde se bombea al resto del cuerpo.
En promedio, el corazón late aproximadamente 2.5 mil millones de veces en la vida humana. Cada pulso desgasta las células constituyentes del prospecto de la válvula mitral. Además, el tejido valvular se remodela en respuesta a la tensión de su control.
Un estudio de mayo de 2015 financiado por los Institutos Nacionales de Salud NIH y publicado en el Revista de biología teórica deformaciones simuladas a nivel celular dentro del tejido de la valva anterior de la válvula mitral. El equipo científico combinó el trabajo experimental con la computación, estirando los tejidos del corazón bajo un microscopio para proporcionar datos críticos para modelar la valva de la válvula mitral.
Los tejidos de la válvula cardíaca se construyen como una torta de cuatro capas de proteínas y células fibrosas. Uno de los principales hallazgos mostró que cada capa del tejido de la válvula mitral hace que las células dentro de la capa se estiren de manera diferente al bombeo implacable de sangre.las células son los "trabajadores de mantenimiento" de la válvula y responden a las demandas de trabajo de la válvula al estirarse de diferentes maneras, este hallazgo puede ayudarnos a modelar cambios en el auto mantenimiento de la válvula cardíaca que conducen a la falla de la válvula.
"Las demandas computacionales resultan principalmente de las grandes deformaciones que ocurren en la válvula nativa, lo que resulta en la necesidad de modelos de materiales avanzados que sean computacionalmente muy exigentes", dijo Sacks. "También hay geometrías muy complejas", agregó, "cuandovalvas de válvula 'contacto' y se unen. "
Sacks y colegas abordaron estos desafíos en otro estudio financiado por los NIH y publicado en mayo de 2015 en la revista Biomecánica y modelización en mecanobiología . En él tomaron lo que aprendieron sobre la arquitectura de las fibras de tejido reales de la válvula cardíaca mitral y lo aplicaron a un modelo de imagen general que simulaba la función a nivel de órgano.
El objetivo de toda esta investigación, dijo Sacks, es desarrollar modelos sobre cómo mejorar la durabilidad de las válvulas cardíacas reparadas quirúrgicamente, que según los estudios pueden fallar en tan solo tres a cinco años después de la reparación.
"Uno de los principales desafíos resulta de la regurgitación de la válvula", dijo Sacks. Parte de la sangre se filtra a través de la válvula mitral hacia la aurícula izquierda en una afección médica llamada regurgitación mitral isquémica.
"Lo que estamos tratando de hacer es desarrollar modelos que puedan predecir cómo una técnica quirúrgica en particular puede extender la durabilidad de la reparación de una manera específica del paciente", dijo Sacks. "En última instancia, esto les brinda a los cirujanos herramientas para desarrollar y mejorar los procedimientos quirúrgicos."
"Esto implica una serie de componentes diferentes, incluido el uso de lo que se llama un anillo de anuloplastia", dijo Sacks. "Este anillo se implanta quirúrgicamente para que la válvula ya no regurgite, pero diferentes formas inducen tensiones diferentes, que se cree queafectar la durabilidad de la reparación "
Más allá de las reparaciones, cada año más de 280,000 personas en todo el mundo reemplazan sus válvulas cardíacas enfermas con válvulas cardíacas artificiales. Pero incluso las válvulas cardíacas artificiales más nuevas, hechas de tejido versus las versiones mecánicas más antiguas, solo duran entre 10 y 15 años.
"Están fabricados a partir de tejidos blandos que han sido procesados químicamente y, por lo tanto, representan un desafío tanto en términos de modelado de materiales como del hecho de que están en un entorno de contacto con la sangre", dijo Sacks. Agregó que también existe elpresión significativa de la sangre sobre la válvula cardíaca aórtica que desafía aún más la capacidad de los científicos para modelarlas.
Hay mucho en juego para modelar y mejorar las válvulas cardíacas artificiales. "Si pudieras hacer una válvula que durara incluso de tres a cinco años más, en promedio en comparación con las válvulas actuales, eso arrinconaría el mercado", dijo Sacks ".Tendría un gran impacto clínico ".
Sacks y colegas informan sobre su progreso en el modelado de la válvula cardíaca aórtica en un estudio financiado por el Instituto Nacional del Corazón, los Pulmones y la Sangre fondos NIH y la Administración de Alimentos y Medicamentos, publicado en febrero de 2015 en la revista Métodos informáticos en mecánica aplicada e ingeniería .
En él, el equipo científico desarrolló lo que llaman una técnica geométricamente flexible para la interacción computacional de la estructura de fluidos. "Es muy difícil debido a que las matemáticas manejan cómo fluye un fluido y cómo un sólido se deforma son fundamentalmente diferentes", dijo Sacks.ellos están a la vanguardia de la mecánica computacional "
El coautor del estudio, Ming-Chen Hsu, ha estado trabajando en válvulas cardíacas artificiales desde 2012. Anteriormente un doctorado en ICES, Hsu fue un doctorado con Thomas Hughes y Sacks, y actualmente es profesor asistente en el Departamento deIngeniería Mecánica en la Universidad Estatal de Iowa.
"Lo que descubrimos es que es extremadamente difícil considerar el acoplamiento entre el flujo sanguíneo y la estructura de la válvula cardíaca utilizando los marcos de simulación actuales. Creo que una de las contribuciones más importantes en este trabajo es que desarrollamos una tecnología computacional que escapaz de abordar directamente este problema ", dijo Hsu.
Hsu dijo que importantes "cantidades de interés", como el estrés mecánico, surgen de los modelos de computadora, algo que es difícil de obtener hoy incluso en los experimentos más sofisticados con tejido vivo.
"Lo nuevo en este trabajo es que combinamos todo", dijo Hsu. "Comenzamos desde el diseño del folleto, lo usamos directamente en nuestro marco de análisis y realizamos un estudio de acoplamiento de estructura fluida, y luego investigamos las tensiones mecánicas.implica la idea del análisis isogeométrico que ha sido muy popular en los últimos 10 años. Este marco puede simplificar todo en la realización de este tipo de estudios ".
De acuerdo con Hsu, al igual que el trabajo con la válvula mitral, el esfuerzo de modelado computacional con válvulas cardíacas aórticas artificiales tiene que ver con la durabilidad. "El impacto que esto tendrá es, al comprender la interacción entre el flujo sanguíneo y las valvas de la válvula cardíaca, queEs posible que podamos diseñar mejor el material y la forma del folleto para poder alargar la vida útil de la válvula cardíaca bioprotésica. Con suerte, con el diseño mejorado, el paciente no tiene que pasar por el doloroso proceso de la válvula cardíacacirugía de reemplazo cada 10 a 15 años ", dijo Hsu.
Según Hsu, lo que es computacionalmente desafiante sobre el prospecto de la válvula cardíaca es que es una estructura muy delgada y flexible. "Computacionalmente, especialmente para la interacción fluido-estructura, es muy desafiante tener un algoritmo robusto para manejar estos movimientos estructurales. Además, ella respuesta del material es altamente no lineal. Y cuando la tensión es mayor, el tejido se endurecerá ".
También hay mucho contacto entre los folletos a medida que la válvula cardíaca se abre y se cierra, lo que molesta los esfuerzos para modelarlos. "En la mecánica computacional, el problema del contacto es un área enorme y difícil de abordar", dijo Hsu.
El flujo de sangre dentro del corazón suele estar en algún lugar entre la turbulencia suave laminar o áspera, lo que dificulta la simulación, especialmente en presencia de los folletos. "Lo más importante es que desea que su método sea robusto", dijo Hsu. "Queremos estudiar la fatiga a largo plazo de estos materiales y diseños. No querrá poder simular solo un ciclo. Puede simular tantos ciclos como sea posible y ver cómo cambian estas cantidades con el tiempo.No es solo la precisión, sino la robustez que es extremadamente desafiante en el marco FSI ".
Sacks considera que esta investigación impacta a casi cualquier persona que vaya a recibir la próxima generación de reemplazos de válvulas cardíacas, especialmente la válvula artificial percutánea o no quirúrgicamente reemplazada.
"Esencialmente, lo que quiere hacer es poder diseñar estos dispositivos de la misma manera que uno diseña su iPhone", dijo Sacks. "Al final del día, el objetivo es poder producir una terapia más efectiva. Eso esit. Estamos utilizando estas técnicas de modelado para poder hacer eso ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Original escrito por Jorge Salazar. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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