Los ingenieros descubren que los tejidos más delgados en las válvulas cardíacas de reemplazo crean un aleteo problemático
Estos son modelos informáticos de válvulas cardíacas aórticas de reemplazo. Los modelos muestran tejidos biológicos integrados en las válvulas con espesores del 100 %, 75 %, 50 % y 25 %. Puede ver el aleteo en los tejidos más delgados en la parte inferior. Crédito: Ming-Chen Hsu.
Estás en el medio de la aorta, la tubería del cuerpo para la sangre rica en oxígeno, mirando hacia atrás, hacia la bomba principal del corazón, el ventrículo izquierdo.
El músculo del ventrículo se contrae y las tres valvas de la válvula aórtica del corazón explotan y la sangre fluye a una velocidad de hasta 200 centímetros por segundo. ¿Y qué es esto?
Esos tres folletos están aleteando en el flujo revoloteando, en términos de ingeniería. Eso es un problema. Podría provocar el desgarro de las valvas, depósitos de calcio, fallo por fatiga e incluso daños en la sangre que fluye.
Tenemos una mirada de testigo presencial, desde un punto de vista físicamente imposible, gracias a los modelos computacionales del fluido- interacciones estructurales de la sangre y las válvulas cardíacas desarrolladas por ingenieros de la Universidad Estatal de Iowa y la Universidad de Texas en Austin.
Los ingenieros usaron su tecnología para estudiar qué sucede cuando se usan tejidos biológicos cada vez más delgados de vacas o cerdos. en el reemplazo valvular aórtico transcatéter. Ese procedimiento consiste en colapsar una válvula artificial en un catéter que se pasa a través de una arteria hasta la raíz aórtica, donde se expande y se asegura en su lugar. Tiene sentido elegir tejidos delgados cuando se construyen las válvulas de reemplazo; los tejidos más delgados se pueden doblar en catéteres más pequeños para facilitar el movimiento a través de los tubos estrechos de las arterias.
Pero, en modelos uno al lado del otro que comparan los grosores de tejido de 100 %, 75 %, 50 % y 25 %, puede ver que hay problemas con las dos opciones más delgadas.
Los hallazgos de los ingenieros se informan en un artículo recién publicado en línea por Proceedings of the National Academy de Ciencias. Los autores correspondientes son Ming-Chen Hsu, profesor asociado de ingeniería mecánica en el estado de Iowa; Thomas JR Hughes, titular de la Cátedra Peter O’Donnell Jr. de Matemática Computacional y Aplicada y profesor de ingeniería aeroespacial e ingeniería mecánica en Texas y su Instituto Oden de Ingeniería y Ciencias Computacionales; y Michael S. Sacks, presidente de WA «Tex» Moncrief Jr. en ingeniería y ciencias basadas en simulación, profesor de ingeniería biomédica y director del Centro Willerson para Modelado y Simulación Cardiovascular en Texas y el Instituto Oden. Emily L. Johnson, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica y del programa de Política, Ingeniería y Ciencia de la Energía Eólica en el estado de Iowa, es la primera autora. (Consulte la barra lateral para ver otros coautores).
La comparación de los ingenieros sobre el rendimiento de tejidos de válvula más delgados fue respaldada por subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud.
Modelos informáticos de reemplazo de válvulas cardíacas aórticas . Los modelos muestran tejidos biológicos integrados en las válvulas con espesores del 100 %, 75 %, 50 % y 25 %. Puede ver el aleteo en los tejidos más delgados en la parte inferior. Crédito: Ming-Chen Hsu, Universidad Estatal de Iowa
Años y años de desafíos
No es fácil desarrollar un modelo computacional predictivo de una válvula cardíaca en acción, dijo Hsu de la Universidad Estatal de Iowa, quien ha estado modelando válvulas cardíacas durante más de cinco años.
Hay contracción, presión y flujo constantes. Las válvulas son flexibles. Es un sistema altamente dinámico, con muchas variables.
«Realmente estamos modelando todo el sistema fisiológico», dijo Hsu. «Es por eso que ha llevado varios años modelar correctamente los flujos sanguíneos, que pueden cambiar de laminar a turbulento, las válvulas cardíacas, que son muy delgadas y no lineales, y el acoplamiento multifísico, que puede ser numéricamente inestable».
Este tipo de modelado requiere potencia de supercomputación, dijo Hsu. Las válvulas de este estudio se simularon utilizando recursos informáticos en el Centro de Cómputo Avanzado de Texas, y cada ciclo cardíaco tardó aproximadamente dos días en ejecutarse en 144 núcleos de procesamiento.
Pero este es un problema que vale la pena el tiempo y el esfuerzo. Cada vez que se desgasta una válvula cardíaca de reemplazo, los pacientes se enfrentan a otro procedimiento cardíaco. Eso hace que evitar el aleteo de las valvas en una válvula de reemplazo sea un «criterio de calidad crucial», escribieron los ingenieros.
Los modelos de computadora muestran el rendimiento de las válvulas cardíacas de reemplazo, incluidos varios grosores de tejidos biológicos de vacas o cerdos, durante un ciclo cardíaco típico. . Crédito: Ming-Chen Hsu/Universidad Estatal de Iowa
Vamos a investigar la ciencia también
Hsu le da crédito a Johnson, un estudiante de doctorado en su laboratorio que también trabaja en el modelado de turbinas eólicas, por ayudarlo a tomar las seguir trabajando en una nueva dirección.
«Mi experiencia es en métodos computacionales», dijo. «Pero los estudiantes sugirieron que también deberíamos prestar más atención a las preguntas científicas. Ya no solo estamos desarrollando herramientas informáticas».
En este caso, los modelos informáticos y los videos resultantes hacen que la ciencia sea fácil de ver y comprender. (Como dice Hsu, «creo que los videos son la mejor manera de mostrar nuestros resultados».)
Cuando los latidos del corazón los abren, las hojuelas más delgadas se doblan en el medio y revolotean en el flujo sanguíneo. «Es como el aleteo de una bandera», dijo Johnson.
Dijo que los ingenieros pudieron cuantificar el aleteo y descubrieron que los tejidos más delgados tenían hasta 80 veces más «energía de aleteo» que los tejidos más gruesos.
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Las conclusiones resultantes son claras como las opiniones de los ingenieros sobre las interacciones fluido-estructura dentro de una válvula cardíaca:
«Considerando los riesgos asociados con tales fenómenos de aleteo observados, incluido el daño sanguíneo y la aceleración deterioro, este estudio demuestra el impacto potencialmente grave de la introducción de tejidos más delgados y flexibles en el sistema cardíaco».
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Un estudio encuentra que el TAVR es un tratamiento seguro para los pacientes con enfermedad de la válvula bicúspide Más información: Emily L. Johnson et al, Thinner biológica tejidos inducen el aleteo de las valvas en los reemplazos de válvulas cardíacas aórticas, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2020). DOI: 10.1073/pnas.2002821117 Información de la revista: Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad Estatal de Iowa Cita: Los ingenieros encuentran tejidos más delgados en las válvulas cardíacas de reemplazo create problematic flutter (29 de julio de 2020) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-07-thinner-tissues-heart-valves-problematic.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.