Bioinženjering i primena u kardiovaskularnoj medicini

Savremeni razvoj nauke nameće koncept uključivanja interdisciplinarnosti u istraživanjama. Mali je broj zasebnih egzaktnih disciplina i sve više se granične oblasti nauke međusobno preklapaju i dopunjuju. Bioinženjering predstavlja jedan takav interdisciplinarni spoj tehnike, informatike, medicine i prirodnih nauka.

Brzi razvoj tehnike i tehnologije, podstaknut razvojem informacionih i komunikacionih tehnologija uslovio je veću interdisciplinarnost i multidisciplinarnost nauke, potrebu za sistematizacijom znanja radi ovladavanja sve složenijim procesima, i stalnu nadogradnju znanja radi ovladavanja sve bržim tehnološkim i poslovnim promenama. Prof. Nenad Filipović iz Centra za bioinženjering Fakulteta inženjerskih nauka Univerziteta u Kragujevcu i vođa uspešnog naučnoistraživačkog tima BIOIRCa, objašnjava koje su mogućnosti modernog bioinženjeringa u kardiovaskularnoj medicini.

Nenad Filipovic BioIRC

Modeliranje u bioinženjeringu je metoda kojom se kompjuterski simuliraju fiziološke i patofiziloške funkcije ćelija i pojedinih organa u čovekom organizmu.

Kompjuterski model aterosklerotskog plaka

Ateroskleroza je bolest koja je najzastupljenija u našoj zemlji i zapadnom svetu. To je progresivna bolest koju karakteriše akumulacija lipida i vlaknastih elemenata u velikim arterijama.  Inflamatorni proces počinje ulaskom lipoproteina male gustine (LDL) u intimu – unutrašnji sloj zida krvnog zida. Ovaj prodor, ukoliko je izražen, dovodi do regrutovanja leukocita u intimi. Jedan endotelno-leukocitni adhezioni molekul se pojavio kao posebno interesantan faktor za rano lepljenje mononuklearnih leukocita u arterijski endotel na mestima gde se formira aterom - aterom inicijacija: vaskularni ćelijski adhezioni molekul-1 (VCAM-1). Pokazano je da ovaj proces može da učestvuje u formiranju masnih linija, prve lezije ateroskleroze, a zatim i u formiranju aterosklerotskog plaka.

Uz pomoć bioinženjeringa urađen je prediktivni model za formiranje plaka i napredovanje u koronarnoj i karotidnoj arteriji. Analiziran je pun trodimenzionalni model za formiranje i progresiju plaka, zajedno sa protokom krvi i koncentracijom LDL-a. Primenjene su Navier-Stokes jednačine zajedno sa Darcy zakonom za filtraciju modela krvi kao i Kedem-Katchalsky jednačine. Pored toga, sistem tri dodatne reakciono-difuzne jednačine za simulaciju zapaljenskog procesa prati puna inkrementalna iterativna procedura. Razvili smo hibridni genetski algoritam za fitovanje parametara ODE modela za oksidovan LDL, makrofage, glatke mišićne ćelije i koncentraciju evolucije penastih ćelija u toku vremena. Upoređivali smo distribuciju plaka koji je dobijen kompjuterskom simulacijom i stvarnu distribuciju plaka kod bolesnika koju smo dobili CT snimanjem. Date su detaljne distribucije napona za osnovne linije i praćenje pacijenata. Postoje dobra poklapanja zapremine plaka i lokacije što ukazuje da je model adekvatno razvijen i upotrebljiv.

Urađena je analiza rasta plaka za određenog pacijenta korišćenjem CT snimaka na početku pregleda i posle 12 meseci. Rast zapremine plaka od 50 do 70% je izmeren segmentacijom i registracijom CT snimaka. Analizirana je raspodela smičućeg napona na početku pregleda i nakon 12 meseci koiršćenjem geometrije pacijenta na osnovu trodimenzionalne rekonstrukcije CT snimaka. Zone niskog smičućen napona su uočene nizvodno od račve ka drugoj marginalnoj račvi. Lokacija najnižeg smičućeg napona odgovara zoni rasta plaka nakon 12 meseci. Kao ulazni parametri za datoj pacijenta su korišćeni podaci iz krvi kao što je holesterol, LDL, HDL i trigliceridi. Rezultati  pokazuju da je rast plaka upravo na poziciji niskog smičućen napona a zapremina plaka odgovara predviđenoj zapremini koja se dobila na osnovu složenoj matematičkog proračuna.

protok krvi kroz koronarne arterije

Raspodela smičućeg napona za datog pacijenta na levoj koronarnoj arteriji

Kompjuterski model aorte

Pomoću bioinženjeringa razvijen je metod i softver za ispitivanje kliničkih intervencija za aneurizme kod abdominalne aorte i uslove pri kojima dolazi do slabljenja zida aorte, ekspanzije i eventualno pucanja – rupture aorte. Verifikacija i validacija kompjuterskih modela se obavlja poređenjem sa eksperimentima in-vivo i in-vitro na animalnim modelima i u kliničkoj praksi. Specifični ciljevi su:

  • Kompjuterska analiza napona i sila kod aneurizme aorte pre i posle operacije
  • Poređenje modela sa eksperimentalnim rezultatima
  • Simulacija ugradnje stentova u pacijentima
  • Određivanje zamora materijala u stentovima pri realnim fiziološkim opterećenjima
  • Fitovanje modela

Generalno, aneurizma je lokalizovana abnormalna dilatacija bobičastog oblika ili postepena dilatacija bilo kog krvnog suda, obično na grananju ili u njegovoj blizini, koja je izazvana lokalizovanim oštećenjem ili slabošću zida krvnog suda. Aneurizma abdominalne aorte (AAA) je uvećanje dijametra abdominalne aorte koja je najveći krvni sud u telu. Aneurizma je definisana konsenzusom 1991. od strane Društva za vaskularnu hirirgiju i Međunarodnog društva za kardiovaskularnu hirurgiju kao: trajna lokalizovana dilatacija arterije sa najmanje 50% povećanja u prečniku u poređenju sa očekivanim normalnim prečnikom arterije, ili prečnika segmenta proksimalnog dilataciji. Smatra se da je abdominalna aorta sa prečnikom od 3 cm  i više definisana kao aneurizmatska. S obzirom da je prečnik normalne aorte oko 2 cm.

aneurizma abdominalne aorte

Aneurizme su klasifikovane kao prave i lažne. Kod prave aneurizme, krv ostaje u cirkulatornom sistemu, dok kod lažne aneurizme hematom koji se širi pojavljuje se iz rupe na zidu arterije. Stoga, u slučaju lažne aneurizme zid aorte puca, ne proširuje se. Prava aneurizme se klasifikuju prema obliku: bobičaste, vrećaste, vretenaste i disekantne aneurizme.

model AAA

Geometrija lumena i zida abdominalne aneurizme aorte

Geometrija lumena i zida abdominalne aneurizme aorte je prikazan na slici. Urađen je model AAA sa interakcijom solid-fluid kao i nelinearnim modelom zida. Numeričko rešenje distribucija sila za slučaj aorta pre i posle operacije je prikazano na slici.

numeričko rešavanje distribucije stresa na zid aorte

Distribucija sila za slučaj aorta pre i posle operacije

Kompjuterski modeli u stanju su da predvide progresiju aneurizme, da označe najverovatnije mesto rupture odnosno pucanja aorte, da omoguće izvođenje tzv. virtuelne hirurgije tj. planiranje optimalne hirurške strategije i procenu razultata operacije. Značajan broj medicinskih ustanova koriste kompjuterske modele prilikom planiranja lečenja kao i u svrhu edukacije bolesnika.

Modeliranje implementacije stenta

Sistem stenta koji se ugrađuje u krvne sudove u organizmu se sastoji od tri dela: balon, stent i krvni sud. Prvi deo - elastični balon koji treba da se naduva kako bi se otvorio stent i krvni sud na mestu suženja odnosno stenoze. Drugi deo je stent, žičana struktura koja treba da se otvori i podrži suženi krvni sud koji je prethodno razduvan. Treći deo je krvni sud sa suženjem – stenozom uzrokovanim progresijom plaka.

Model sistema stenta sadrži 8-čvorne linearne konačne elemente. Materijali svih triju struktura su linearno elastični, ali sa velikim deformacijama. Granični uslovi koji se primenjuju u ovom modelu su fiksni čvorovi na početku i na kraju krvnog suda sa stenozom, zadat pritisak u balonu i simetrični granični uslovi na sva tri dela mreže konačnih elemenata (jer smo modelirali polovinu modela na osnovu pretpostavka simetrije). Vrednost pritiska u ovom slučaju nije značajna, jer je ugrađena samo na otvorenu stenozu. Pritisak se povećava linearno tokom vremena. Predstavljeni su rezultati za model raspoređivanja stenta dobijenog pomoću solvera razvijenog u okviru softverskog paketa PAK (BioIRC, Centar za bioinženjering, Fakultet inženjerskih nauka, Univerzitet u Kragujevcu). PAK softver je nadograđen kontaktnim algoritmom razvijenim tokom ove studije.

Rezultati za stent koji je otvorio napumpani balon dati su na slici. Postoje dva vremenska koraka: vremenski korak 10 i 160. Ta dva koraka su karakteristična jer u vremenskom koraku 10 pojavljuje se kontakt između elastičnog balona i stenta, a u vremenskom koraku 160 suženi krvni sud potpuno je otvoren balonom i stentom. Kao što se vidi na slikama, na početku simulacije nema kontakta između elastičnog balona i stenta, a samo balon ima deformaciju. U koraku 10 pojavljuje se kontakt, a balon počinje otvaranjem stenta i krvnog suda. U koraku 160 prečnik suženja krvnih sudova se vraća u početni položaj.

8

8a

9