БІОМЕДИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ КРОВООБІГУ ДЛЯ ПОКРАЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СЕРЦЕВО-СУДИННИХ ІМПЛАНТАТІВ

Анотація

Серцево-судинні імплантати (далі – ССІ) відіграють важливу роль у лікуванні різних кардіологічних захворювань, проте їхня ефективність часто залежить від гемодинамічних умов, які можуть змінюватися залежно від анатомії пацієнта та характеристик самого імплантату. Біомедичне моделювання кровообігу (далі – БМК) дає змогу детально дослідити гемодинамічні умови, що сприяє підвищенню надійності та функціональності імплантатів. Використання сучасних методів обчислювальної гідродинаміки забезпечує аналіз і оптимізацію ССІ, що визначає актуальність дослідження. Метою статті є обґрунтування використання БМК кровообігу для підвищення ефективності та надійності ССІ. У дослідженні застосовувалися методи аналізу, синтезу, абстрагування, індукції та дедукції для оцінки гемодинамічних параметрів, математичних моделей кровообігу та рекомендацій щодо їх застосування. Досліджено основні гемодинамічні параметри, що визначають ефективність ССІ. Зокрема, вивчено швидкість кровотоку, яка характеризує інтенсивність руху крові в судині та дозволяє виявити зони пришвидшення й застою. Кров’яний тиск відображає механічне навантаження на судинну стінку, що важливо для оцінки впливу імплантату. В’язкість крові визначає опір течії, що впливає на точність моделювання взаємодії з поверхнею імплантату. Сила тертя крові вздовж стінки судини (англ. Wall Shear Stress, далі – WSS) є критерієм ризику тромбоутворення, а пульсація кровотоку дає змогу аналізувати стабільність гемодинаміки в серцевому циклі. Проаналізовано сучасні математичні моделі кровообігу та підходи до їх застосування, зокрема рівняння Нав’є–Стокса, моделі пульсуючого потоку та взаємодії «рідина–структура». Розглянуто обчислювальні методи, такі як метод обчислювальної гідродинаміки (англ. Computational Fluid Dynamics, далі – CFD), метод скінченних елементів і метод скінченних об’ємів. Визначено програмні засоби, які використовуються для моделювання, зокрема ANSYS Fluent, COMSOL Multiphysics і OpenFOAM. Розроблено рекомендації щодо застосування БМК для підвищення функціональних характеристик і надійності ССІ. Запропоновано використовувати тривимірні пацієнт-специфічні моделі судин із високою просторовою роздільною здатністю, застосовувати пульсуючі граничні умови для відтворення реального серцевого циклу та використовувати неньютонівські моделі крові в зонах із низькими швидкостями зсуву. Також рекомендовано враховувати деформацію судинної стінки та імплантату за допомогою FSI-моделей та проводити порівняння результатів CFD-моделювання з експериментальними даними. Отримані результати підтверджують доцільність використання біомедичного моделювання кровообігу для оптимізації серцево-судинних імплантатів. Це дозволяє не лише підвищити їхню ефективність, але й знизити ризики ускладнень, пов’язаних із тромбоутворенням та іншими гемодинамічними порушеннями.