De flesta känner till turbulens inom luftfart:vissa vindförhållanden orsakar en ojämn passagerarflygning. Men även inom mänskliga blodkärl, blodflödet kan vara turbulent. Turbulens kan uppstå när blod flyter längs kärlböjningar eller kanter, orsakar en plötslig förändring i flödeshastigheten. Turbulent blodflöde genererar extra krafter som ökar oddsen för att blodproppar bildas. Dessa blodproppar växer långsamt tills de kan bäras av blodomloppet och orsaka stroke genom att blockera en artär i hjärnan.

Mekaniska hjärtklaffar producerar turbulenta blodflöden

Patienter med artificiella hjärtklaffar löper högre risk för koagelbildning. Den förhöjda risken är känd från observation av patienter efter implantation av en konstgjord ventil. Risken för koagulering är särskilt allvarlig för mottagare av mekaniska hjärtklaffar, där patienterna måste ta blodförtunnare varje dag för att bekämpa risken för stroke. Än så länge, det är oklart varför mekaniska hjärtklaffar främjar koagelbildning mycket mer än andra ventiltyper, t.ex. biologiska hjärtklaffar.

Ett team av ingenjörer från Cardiovascular Engineering Group vid ARTORG Center for Biomedical Engineering Research vid University of Bern har nu framgångsrikt identifierat en mekanism som avsevärt kan bidra till koagelbildning. De använde komplexa matematiska metoder för hydrodynamisk stabilitetsteori, ett delfält av vätskemekanik, som har använts framgångsrikt i många decennier för att utveckla bränslesnåla flygplan. Detta är den första översättningen av dessa metoder, som kombinerar fysik och tillämpad matematik, till medicin.

Med hjälp av komplexa datasimuleringar på flaggskepps superdatorer på Centro Svizzero di Calcolo Scientifico i Lugano, forskargruppen kunde visa att den nuvarande formen på de flödesreglerande klaffarna i hjärtklaffen leder till stark turbulens i blodflödet. "Genom att navigera genom simuleringsdata, vi fann hur blodet träffar vid ventilklaffarnas framkant, och hur blodflödet snabbt blir instabilt och bildar turbulenta virvlar, "förklarar Hadi Zolfaghari, första författaren till studien. "De starka krafter som genereras i denna process kan aktivera blodkoagulationen och orsaka blodproppar omedelbart bakom ventilen. Superdatorer hjälpte oss att fånga en rotorsak till turbulens i dessa ventiler, och hydrodynamisk stabilitetsteori hjälpte oss att hitta en teknisk fix för det. "

De mekaniska hjärtklaffarna som användes i studien består av en metallring och två klaffar som roterar på gångjärn; flikarna öppnas och stängs i varje hjärtslag för att låta blod rinna ut ur hjärtat men inte tillbaka igen. I studien, laget undersökte också hur hjärtklaffen kunde förbättras. Det visade att även en något modifierad utformning av ventilflikarna tillät blodet att flöda utan att generera instabilitet som leder till turbulens - mer som ett friskt hjärta. Ett sådant blodflöde utan turbulens skulle avsevärt minska risken för koagelbildning och stroke.

Livet utan blodförtunnare?

Mer än 100, 000 personer per år får en mekanisk hjärtklaff. På grund av den höga risken för koagulation, alla dessa människor måste ta blodförtunnare, varje dag, och resten av livet. Om hjärtklaffarnas konstruktion förbättras ur en vätskemekanisk synvinkel, det är tänkbart att mottagare av dessa ventiler inte längre skulle behöva blodförtunnare. Detta kan leda till ett normalt liv - utan den varaktiga bördan att få blodförtunnande medicin. "Utformningen av mekaniska hjärtklaffar har knappast anpassats sedan deras utveckling på 1970 -talet, "säger Dominik Obrist, chef för forskargruppen vid ARTORG Center. "Däremot, mycket forskning och utveckling har bedrivits inom andra teknikområden, som flygplanskonstruktion. Med tanke på hur många människor som har en artificiell hjärtklaff, det är dags att prata om designoptimeringar även inom detta område för att ge dessa människor ett bättre liv. "

Forskargrupp Cardiovascular Engineering

ARTORGs kardiovaskulära teknik (CVE) -grupp studerar kardiovaskulära flöden och sjukdomar, såsom valvulär hjärtsjukdom och hjärtinfarkt. Dess forskning syftar till att förbättra den långsiktiga hållbarheten och biokompatibiliteten hos terapeutiska apparater och implantat och att utveckla nya diagnostiska verktyg för klinisk praxis. CVE -translationella forskningsprojekt tar upp omedelbara kliniska behov som identifierades tillsammans med kliniska partner inom angiologi, Kardiologi och kardiovaskulär kirurgi på Inselspital, som är nära integrerade i projektteamen från början till slut. Teamet driver ett experimentellt flödeslabb med modern mätteknik och ett beräkningslaboratorium för att modellera flöden i hjärtat och blodkärlen. Dess experimentella faciliteter inkluderar höghastighetskameror och laserbaserade metoder för tredimensionell flödeskvantifiering. Gruppen utvecklar och använder skräddarsydda datormodeller och superdatorer för att studera biomedicinska flödessystem med vätske-struktur-interaktion.