Les cœurs humains sont simulées aussi bons que modèles animaux?
Ma mère a acheté son premier GPS dans les années 1990. Quelques mois plus tard, elle est rentrée en colère parce qu'il l'avait dirigé vers le mauvais côté de la ville, faisant d'elle une heure de retard. "C'est trop mauvais," je l'ai dit, et nous sommes allés avec nos vies. Nous avons tous deux compris que le GPS commercial était une nouvelle technologie et ne fut pas infaillible, qu'une heure perdue était un petit prix à payer pour les 99 pour cent des voyages sur lesquels il a travaillé correctement conduite. Nous savions que, avec d'autres tests et les commentaires des utilisateurs, la technologie GPS continuerait à améliorer.
Les choses auraient été différentes si cette technologie avec un taux d'échec de 1 pour cent était un stimulateur cardiaque ou valve artificielle implantée dans le cœur de ma mère et conçu pour la garder en vie.
Mais comment pouvons-nous nous attendons à la technologie pour améliorer si la santé d'une personne est en jeu? Il est contraire à l'éthique de tester de nouveaux dispositifs médicaux sur les patients sans suffisamment de preuves qu'ils vont travaillent; vaste expérimentation animale, les essais cliniques et un processus d'approbation de la FDA compliquée sont nécessaires avant que ces dispositifs vont au marché. Cela signifie des traitements potentiellement sauvent des vies peuvent prendre des années pour atteindre les patients.
Maintenant, les scientifiques se tournent vers de nouveaux outils, y compris la simulation par ordinateur et l'impression 3D, de développer plus rapides, des moyens plus sûrs pour tester des dispositifs médicaux sans les installer chez les humains ou les animaux vivants. Mon laboratoire travaille sur l'application de ces techniques à des maladies cardiaques et vasculaires. Ce travail a le potentiel d'améliorer les résultats des procédures invasives communes dans le traitement aujourd'hui.
Prendre des mesures à l'intérieur du corps
La maladie vasculaire, mon domaine de recherche, est une affection très courante aux États - Unis Il y a des centaines de techniques pour résoudre les problèmes du système circulatoire, y compris les stents (cylindres de fils détiennent les vaisseaux sanguins ouverts), l’angioplastie par ballonnet (artères bloquées sont rouverts en poussant les obstructions de la manière) et même cœur remplacement de la valve.
Avant un dispositif ou une procédure cardiovasculaire est réputé sûr et efficace, il doit être vérifié pour restaurer avec succès le flux sanguin sain dans le corps. Il a été démontré que les détails de la circulation sanguine, tels que la vitesse d'écoulement, la direction et la pression, peuvent affecter la santé des cellules qui tapissent le cœur et les vaisseaux sanguins. Sachant ce que le flux sanguin ressemble avant d'être fixé, et ce qui peut arriver après une installation de procédure ou d'un dispositif, peut aider à prédire le succès de la technique.
Les propriétés telles que la vitesse d'écoulement, la direction et la pression sont difficiles à mesurer dans un humain vivant ou animal parce que la plupart des techniques de mesure nécessitent la perforation des vaisseaux sanguins. Les quelques méthodes non invasives soit donnent des résultats peu fiables ou sont trop lents et coûteux à utiliser sur chaque patient. En outre, la plupart des mesures de débit provenant d'animaux vivants et les humains ne sont pas suffisamment détaillées pour déterminer si une procédure conduira à terme à la maladie des parois des vaisseaux sanguins touchés.
L'utilisation des ordinateurs pour modéliser le flux sanguin
Pour contourner ce problème, les scientifiques peuvent tester des dispositifs et des procédures en utilisant des simulations et des modèles synthétiques cardiovasculaires. Ces études permettent beaucoup plus contrôlées et vaste collecte de données de flux que cela ne serait possible sur un patient en direct. Plusieurs groupes de recherche, dont le mien, sont en train de faire ce genre de travail, qui comprend la vitesse du fluide de modélisation et de la pression dans les vaisseaux sanguins avec des ordinateurs. Ce processus dynamique est appelé calcul des fluides (CFD).
Parce que le réseau vasculaire de chaque patient est une forme légèrement différente, il y a eu un mouvement pour effectuer des simulations spécifiques au patient. Cela signifie que la numérisation des vaisseaux sanguins d'un patient individuel à partir d’images médicales et les modéliser virtuellement. En faisant varier le modèle pour simuler une procédure ou d'un dispositif d’implantation, les médecins peuvent prédire comment la circulation sanguine du patient va changer et choisir le meilleur résultat possible à l' avance. Par exemple, CFD a été utilisé pour modéliser anévrismes coronaires chez les enfants et de proposer des techniques pour les traiter.
Il existe de nombreux avantages à utiliser cette méthode pour prédire la procédure cardio-vasculaire et le succès de l'appareil. Tout d'abord, CFD fournit des données détaillées sur le flux de sang près des parois des vaisseaux, qui sont difficiles à mesurer expérimentalement et pourtant sont essentiels dans la détermination de la santé future des navires. Aussi, parce que CFD peut simuler des variations dans la forme des vaisseaux sanguins, les médecins peuvent utiliser pour optimiser les plans de chirurgie sans expérimenter sur le patient. Par exemple, CFD a été utilisé pour planifier une intervention chirurgicale pour réparer les cœurs de bébés nés avec un seul ventricule de travail.
Débit contours de simulation de vitesse dans des coupes de trois géométries de navires différents après une procédure Fontan, qui compense la faiblesse du ventricule cardiaque chez les bébés. Ce type de travail permet aux chirurgiens de planifier des interventions chirurgicales.
CFD peut également montrer comment la circulation sanguine distribue des médicaments aux divers organes et tissus: suivi le mouvement des particules de médicament injecté dans un vaisseau révèle où ils atteignent les parois des vaisseaux sanguins.
La vitesse du sang simulé et la distribution des médicaments dans un modèle spécifique à l'aorte du patient.
Cependant, CFD a aussi ses défis. Les dispositifs cardiovasculaires sont plus difficiles que la chirurgie pour modéliser dans une simulation. En outre, les modèles de fluide doivent souvent être couplés à des modèles d’artérielle mécanique de la paroi et des facteurs biologiques, tels que les réponses des cellules aux hormones afin d'obtenir une simulation complète d'un dispositif ou de l'impact de la procédure.
En utilisant des expériences pour modéliser le flux sanguin
La vitesse du sang simulé et la distribution des médicaments dans un modèle spécifique à l'aorte du patient.
Certains chercheurs, y compris mon groupe, ont pris la modélisation au-delà des ordinateurs et ont fabriqué des modèles physiques pour étudier comment les dispositifs cardiovasculaires affectent le flux sanguin. Maintenant, la technologie d'impression 3D est assez avancée pour construire des modèles réalistes de vaisseaux sanguins humains, et les pompes pulsatile débit peut conduire l'écoulement à travers ces vaisseaux pour imiter le pompage du cœur. Étant donné que les modèles de bateaux sont synthétiques, il n'y a pas de problèmes éthiques qui leur sont associés perforant à prendre des mesures de débit.
Ces modèles réels ont également l'avantage qu'il est possible d'installer des dispositifs cardio - vasculaires réels et à utiliser le sang réel, qui ne peut être accompli avec une simulation. Par exemple, une étude récente a révélé des tourbillons non identifiés auparavant dans le flux sanguin dans une artère courbe en aval d'un stent. Cependant, les expériences sont plus lentes que CFD, plus coûteux et produisent généralement des données plus faible résolution.
Il y a encore de nombreux défis à l'aide de la mécanique des fluides simulations et des expériences pour prédire le succès des procédures et des dispositifs cardiovasculaires. L'effet sur la santé de l'écoulement du vaisseau sanguin est étroitement couplé à l'élasticité des parois des vaisseaux sanguins et des réponses cellulaires à la chimie du sang; il est difficile de modéliser tous ces facteurs ensemble. Il est également difficile de valider les données du modèle réel contre les flux de sang humain, car il est si difficile de prendre des mesures dans un patient en direct.
Cependant, les modèles de flux sanguin simulé sont déjà utilisés en clinique. Par exemple, la FDA a récemment approuvé Heart Flow FFR-CT, un logiciel de simulation de flux, pour aider les professionnels de la santé évaluent la gravité des blocages des artères coronaires. Comme les techniques de modélisation de flux de sang continuent à se développer, nous espérons que nous pouvons acquérir plus de données sur le système circulatoire humain et l'efficacité des dispositifs d'expérimentation humaine ou animale minimale.
