Nhịp đập mới cho trái tim với mô phỏng kỹ thuật

Xuất bản 29/7/2018 đăng bởi  Mohammad Haddadi

Các thiết bị hỗ trợ tâm thất trái (LVAD) là công cụ không thể thiếu đối với các bệnh nhân suy tim giai đoạn cuối. LVAD là một máy bơm cơ khí chạy bằng pin được cấy ghép vào cơ thể nhờ phẫu thuật giúp hỗ trợ tâm thất trái (khoang bơm chính của tim) bơm máu đến các phần còn lại của cơ thể. Các bác sĩ phẫu thuật tim có thể sử dụng LVAD như "cầu nối" giúp duy trì chức năng tim cho các bệnh nhân đang chờ được ghép tim. Nhiều bệnh nhân không phải là đối tượng có thể cấy ghép tim thì cũng có thể sử dụng LVAD để kéo dài cũng như cải thiện sự sống của họ.

Các thiết bị LVAD hiện tại gặp phải một số thách thức về công nghệ như kích cỡ hay tuổi thọ của pin, gây ảnh hưởng xấu đến hiệu suất hoạt động. Ở FineHeart, một công ty thiết bị y tế của Pháp đang tập trung phát triển các công nghệ trong lĩnh vực tim mạch, chúng tôi đang vượt qua các thách thức đó với máy bơm xoay ICOMS (hệ thống cấy ghép hỗ trợ chức năng tim). Thiết bị cấy ghép hỗ trợ tuần hoàn máu cơ học không dây này có thể tối ưu hóa chức năng của tim trong khi vẫn duy trì được sự co bóp bẩm sinh của tim. Đây là một biện pháp trị liệu dài hạn cho những bệnh nhân bị suy tim nặng.

Khác với LVAD truyền thống được đặt vào động mạch chủ nhờ cấy ghép ngoài, ICOMS được cấy vào đỉnh của tâm thất trái và được định vị để điều khiển máu trong tim chảy đến van động mạch chủ trong quá trình tim co bóp và giữ áp suất của tâm thất ở mức bình thường trong suốt giai đoạn co bóp của tim. Để duy trì chức năng bình thường của tim, tua bin ICOMS sử dụng một thuật toán điện tâm đồ (EKG) để kiểm soát một cách chính xác và nhanh chóng sự chuyển tiếp định kì từ tâm nhĩ co sang tâm thất co và ngược lại.

Các thành phần của thiết kế tua bin Gen 2.

MÔ PHỎNG ĐÃ GIÚP CẢI THIỆN THIẾT KẾ BƠM CŨNG NHƯ VỊ TRÍ CẤY GHÉP NHƯ THẾ NÀO?

Một thách thức lớn của thiết kế LVAD là việc tối ưu hóa lưu lượng máu để tránh đông máu. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng ứng suất trượt theo thời gian có xu hướng gây ra đông máu. Thật không may, áp suất và ứng suất trượt, bao gồm thời gian tiếp xúc, không thể đo được trong phần kiểm tra thực tế sản phẩm. Tuy nhiên, cácthông số cơ học và dòng chảy có thể được so sánh nhờ mô phỏng. Tôi đã sử dụng mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) Fluent của ANSYS để xác định ứng suất trượt  trong thiết kế Gen 1 và sau đó sử dụng các kết quả mô phỏng để tối ưu hóa cấu hình cho Gen 2.

Mô hình hình học của một thiết kế Gen 1

Mô phỏng tốc độ chảy của máu trong cấu hình đã được tối ưu hóa

Tua bin mô-men xoắn được tính toán nhờ cho dòng điện chạy qua động cơ chổi than một chiều có chức năng điểu khiển tua bin. Mô men xoắn đo được lớn hơn mô men xoắn theo tính toán (bảng bên dưới). Điều này không có nghĩa là việc tính toán mô men xoắn bị sai: Đúng vậy, trong khi phần mềm mô phỏng của ANSYS chỉ tính mô men xoắn của bánh công tác, mô men xoắn đo được không chỉ có tua bin mà còn tất cả hệ thống liên quan khác. Việc đo mô men xoắn rất có ích trong việc ước tính công suất cơ khí cần thiết, cho phép tối ưu hóa thiết kế của pin và điện dung của chúng.

So sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm trên vùng mô phỏng.

TIÊN LƯỢNG CFD

Thiết kế Gen 1 của ICOMS là giai đoạn phát triển ban đầu và tốn thời gian nhất. Là điểm tựa cho các thiết kế tiếp theo. Điểm khác biệt cơ bản giữa Gen 1 và Gen 2 nằm ở thiết kế. Gen 2 có thiết kế cứng hơn và được tích hợp cảm biến điều chỉnh. Cả Gen 1 và Gen 2 đều hoạt động tốt như các dự đoán CFD.

Các kết quả chỉ ra lưu lượng dòng chảy và vận tốc mô phỏng. Theo đó, chúng ta có thể thấy bản thiết kế đã đáp ứng tất cả các thông số về lưu lượng dòng chảy theo yêu cầu của tua bin. Hơn nữa, dữ liệu từ phân tích PIV cũng chỉ ra rằng dòng chảy thẳng và chảy trực tiếp đến động mạch chủ (hình bên phải). Kết quả này có được nhờ sự hỗ trợ của thiết bị nắn thẳng, không chỉ cải thiện tốc độ và lưu lượng dòng chảy mà còn định hướng véc tơ cho dòng chảy, vượt trội hơn so với thiết kế chỉ có bộ khuếch tán (hình bên trái).

Hướng của véc tơ dòng chảy: không có thiết bị nắn thẳng (trái), có thiết bị nắn thẳng (phải)

Tiên lượng CFD sử dụng chất lưu cho Gen 2 đưa ra hiệu suất các dòng chảy hợp lý trong phạm vi hoạt động định trước. Chỉ hai vùng được tìm thấy có dòng chảy bất thường

Mô phỏng các chỉ số về chứng nghẽn mạch

TƯƠNG LAI CỦA FINEHEART?

Hiện tại chúng tôi đang phát triển sản phẩm cuối cùng nhưng vẫn còn cả một hành trình trước khi chúng tôi tiến đến khâu tiếp thị. Các nghiên cứu đã mang đến nhiều kết quả đầy hứa hẹn. Thật vậy, chúng ta có thể quan sát sự bình thường hóa chức năng của tim khi bơm được bật và đặt ở trong tâm thất trái. Chúng tôi vẫn đang tìm kiếm sự tối ưu hóa ứng suất trượt trượt nhờ phần mềm mô phỏng của ANSYS để xác định hình dạng các phần đặc thù của bơm. Nhiều nghiên cứu sẽ sớm bắt đầu với mong đợi ca cấy ghép đầu tiên sẽ được thực hiện vào năm 2019.

FineHeart được thành lập bởi một nhóm 4 bác sĩ tim mạch nổi tiếng thế giới với sứ mệnh tạo ra một hệ thống cấy ghép hỗ trợ tuần hoàn máu đầy đủ vượt trội hơn các thiết bị hỗ trợ tâm thất trái (LVADs) trên thị trường hiện nay. Mục tiêu chiến lược là bình thường hóa chức năng của tim và đưabệnh nhân suy tim về với cuộc sống bình thường.

 


Nguồn: ANSYS Advantage volume-xii-issue-1-2018

Lược dịch: Thanh Bình - Cộng tác viên tại Advantech

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này

 

TUYỂN DỤNG

LIÊN HỆ

VĂN PHÒNG GIAO DỊCH:
Tầng 8, số 1 Đỗ Hành, Q.Hai Bà Trưng, Hà Nội
Tel: (84-24)36 649 066 Fax: (84-24)39 727 464
Email: info@advantech.vn

HỖ TRỢ KỸ THUẬT:
Email: support@advantech.vn

Họ tên
E-Mail