Dessa arteriella modeller skapades från en patientspecifik skanning. Modellen till vänster är det grundläggande "nätet" som krävs för att dela upp artären i många delar för att modellera spänningarna inom. Figuren till höger visar hur en materiell egenskap fortplantas genom artären i en enda riktning. Kredit:Duke University
Forskare vid Duke University arbetar för att exakt modellera osäkerheterna i det mekaniska beteendet hos mänskliga artärväggar. Genom att stödja teoretisk utveckling för vävnadsteknik, forskningen kan så småningom stödja patientspecifika simuleringar för att hjälpa läkare att utveckla icke-invasiva tekniker för tidig diagnos och identifiera potentiella fallgropar innan de utför medicinska procedurer.
Verket har fått internationell uppmärksamhet, med Brian Staber, en före detta Ph.D. elev av Johann Guilleminot, biträdande professor i civil- och miljöteknik vid Duke, vann två priser för sin avhandling i ämnet. I april 2019, Staber vann först avhandlingspriset från den Frankrike-baserade Computational Structural Mechanics Association. Fem månader senare, Staber accepterade European Community on Computational Methods in Applied Sciences (ECCOMAS) Ph.D. Tilldela, ges för den bästa avhandlingen som presenterats i Europa på området.
"Det finns stor variation i de konstgjorda vävnaderna vi konstruerar såväl som i människokroppen, sade Guilleminot. "Konstruerade kärl, till exempel, uppvisar vanligtvis betydande variationer på grund av komplexa utvecklingsförhållanden, och artärväggar är huvudsakligen biologiska, skiktade kompositmaterial som har olika strukturella egenskaper beroende på, till exempel, könet, ålder eller aktivitetsnivå för sin ägare."
"Vi försöker skapa digitala tvillingar som exakt redogör för dessa variationer och effektivt förutsäger hur de kommer att mildra och spridas till mängder av intresse, ", tillade han. "Att förstå hur dessa två delar kommer att samverka med varandra och fungera under extrema förhållanden inom en vaskulär konstruktion är en skrämmande utmaning."
Tricket är att skapa beräkningsmodeller som kan användas för att utforska virtuella scenarier på något optimalt sätt.
De två färgkodade artärerna till vänster visar hur en mekanisk egenskap hos artärväggen är fördelad över hela strukturen givet olika grundläggande antaganden. Tvärsnittet till höger är ett genomsnitt av många olika modeller och, forskare hoppas, är nära hur den mekaniska egenskapen faktiskt är fördelad över artären. Kredit:Duke University
"Vi kombinerar matematiska modeller med avancerade simuleringstekniker för att skapa en rad scenarier för hur ett transplantat kommer att fungera, baserat på den variationen, ", sa Guilleminot. "Och vi försöker göra det genom att definiera koefficienterna i de styrande ekvationerna på ett sätt som återspeglar den fysiska verkligheten för grupper av patienter."
Modellerna som utvecklats i Guilleminots grupp försöker återskapa hur en mängd olika mekaniska egenskaper vid en punkt påverkar samma egenskaper vid angränsande punkter - och längs linjen genom hela strukturen. Och för att göra saken mer komplicerad, dessa strukturer är krökta, lite knöliga volymer som ser ut som en dagisbarns försök till en lerskulptur.
De utvecklade algoritmerna modellerar krångligheterna i dessa oregelbundna former samtidigt som användarna kan justera hur mycket varje punkts fysiska egenskaper påverkar dess grannar i varje dimension oberoende av varandra. Genom att justera styrkan hos dessa dimensionella korrelationer och de inducerade deformationernas effekter, de kan matcha experimentella mätningar i någon statistisk mening.
"Vi har skapat mycket flexibilitet i att modellera mycket komplexa beteenden på mycket komplicerade former, sa Guilleminot.
Forskarna håller just nu på att se hur väl deras modeller fungerar. Genom att jämföra deras modellers resultat med de som erhållits från fysiska experiment, Guilleminot och hans grupp på Duke hoppas kunna visa att deras modeller och algoritmer står för alla dessa komplikationer tillräckligt bra för att exakt förutsäga den mekaniska tillförlitligheten hos vaskulära transplantat.
