科学家们转向三维印刷,数字模拟来治疗心脏病
我妈妈买了她的第一个全球定位系统(GPS)在1990年代。几个月后,她回家生气,因为它所吩咐她的对立面,使她迟到一小时。“这太糟糕了,”我说,我们继续我们的生活。我们都知道商业GPS新技术和不可靠,但浪费了一个小时的99%是一个很小的代价开车旅行它正确地工作。我们知道进一步测试和用户反馈,GPS技术将继续提高。
事情就不同了,如果技术以1%的失败率是起搏器或人工瓣膜植入了妈妈的心,为了让她活着。
但是我们怎么能期望技术改善,如果一个人的健康岌岌可危?是不道德的测试新的医疗设备对病人没有充足的证据,他们将工作;广泛的动物试验、临床试验和一个复杂的FDA审批程序这些设备进入市场之前是必要的。这意味着潜在的医学治疗病人需要多年才能完成。
现在,科学家们正转向新的工具,包括计算机模拟和3 d打印技术,发展更快,更安全的方法来测试医疗设备没有安装在人类或动物生活。我的实验室正在将这些技术应用于心脏和血管的疾病。这项工作有可能改善结果今天从治疗中常见的侵入式检查。
在体内测量
血管疾病,我的研究领域,是一种很常见的苦难在美国有成百上千的固定循环系统的技术问题,包括支架(线气缸血管打开),气囊血管成形术(动脉阻塞是重新将障碍物的方式),甚至心脏瓣膜置换。
在心血管设备或过程被认为是安全有效的,它必须验证成功地恢复健康血液流动在体内。它一直所示血液流动的细节,比如流速度、方向和压力,会影响健康的心脏和血管的内皮细胞。知道血液流动的样子被固定的,之前和之后会发生什么事过程或设备安装,可以帮助预测技术的成功。
属性如流速度、方向和压力是很难衡量的生活人类或动物,因为大多数测量技术要求减低血管。一些非侵入性的方法给不可靠的结果或过于缓慢而昂贵的使用在每一个病人。此外,大多数流测量从动物和人类生活不够详细确定一个过程最终将导致疾病的影响血管的城墙。
使用计算机模型血液流动
为了规避这一问题,科学家们可以使用模拟和测试心血管设备和程序合成模型。这些研究让更多的控制和广泛的流动可能比数据收集在一个病人的生活。几个研究小组,包括我自己的,目前正在做这样的工作,包括在血管与计算机建模流体速度和压力。这个过程称为计算流体动力学(CFD)。
因为每个患者的血管网络是一个稍微不同的形状,有运动来执行特定的模拟。这意味着扫描单个病人的血管几乎从医学图像和建模。通过改变模型模拟过程或设备植入,医生可以预测病人的血流量会改变,选择最佳的可能结果。例如,CFD用于冠状动脉瘤模型在儿童和显示技术治疗。
使用这种方法有很多优势预测心血管手术成功和设备。首先,CFD产生详细的数据在血管壁附近的血液流动,这是很难衡量的实验,但在决定未来船舶卫生至关重要。同时,因为CFD模拟血管形状的变化,医生可以用它来优化手术对病人没有试验计划。例如,CFD被用来手术计划修复的心只有一个出生的婴儿室工作。
CFD也可以说明血流量分发药物各种器官和组织:跟踪运动药物粒子注入容器显示他们到达的地方血管壁。
然而,CFD也有其挑战。心血管设备比手术更困难的模型在一个模拟世界中。此外,流体模型通常必须耦合模型动脉壁力学和生物因素,如细胞对激素的反应来获得一个完整的模拟设备或过程的影响。
使用实验模型血液流动
一些研究人员,包括我的集团,已经超出了计算机建模,制作物理模型研究心血管设备如何影响血液流动。现在足够先进的3 d打印技术是构建现实的人类血管的模型,并通过这些血管pulsatile-flow泵可以驱动流模仿心脏跳动。由于船模型合成,没有伦理问题与刺穿他们采取相关流量测量。
这些真实的模型也有一个好处,那就是可以安装真正的心血管设备和使用真正的血,也可以模拟来完成。例如,一个最近的研究发现之前不明身份的漩涡在通过弯曲动脉血液流动下游的支架。然而,实验比CFD更慢,更贵,而且通常产生低分辨率数据。
仍有许多挑战在使用流体力学模拟和实验来预测心血管手术的成功和设备。流对血管健康的影响是紧密耦合的弹性血管壁和细胞对血液化学的反应;所有这些因素很难模型联系在一起。也很难验证模型数据与真实的人体血液流动,因为它是如此困难的病人在现场进行测量。
然而,模拟血流模型已经应用于临床。例如,美国食品和药物管理局最近批准HeartFlow FFR-CT流仿真软件包,帮助卫生保健专业人员评估冠状动脉阻塞的严重程度。血流量建模技术继续发展,我们希望,我们可以获得更多的数据在人类循环系统和设备的有效性以最少的人类或动物实验。
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