فناوري راهگشاي عروق خوني
نويسنده:بهاره صفوي
منبع:روزنامه جام جم
منبع:روزنامه جام جم
:تحليل عملکرد سيستم گردش خون يکي از مهمترين مسائل در شناخت ، کنترل و جلوگيري از ناهنجاري ها و بيماري هايي است که امروزه نقش عمده اي در آمارمرگ و مير انسان ها دارند. با توجه به اهميت شناخت عملکرد سيستم گردش خون سالهاست که تلاش زيادي در شناسايي اين سيستم به عمل آمده است و در اين راه مدل سازي و شبيه سازي يکي از ابزارهايي است که امروزه به صورت گسترده در خدمت علوم بويژه مهندسي قرار گرفته است تا بتوان براحتي پارامترها و ويژگي هاي يک سيستم را بررسي و مطالعه کرد. در واقع اگرچه بروز گرفتگي و تنگي اين عروق موجب تغيير شدت جريان خون در آنها مي شود، نرم افزارهاي مدل ساز با دريافت اين تغييرات ، مي توانند ناهنجاري هاي پديد آمده را تشخيص دهند. در اين طرح علاوه بر توليد دانش اين مدل سازي در داخل کشور، روشهاي موجود نيز بهبود يافته است. در ضمن مدل سازي شريان هاي اصلي بدن مانند کليه ، کبد، شريان هاي گردني (کاروتيد) و همه شريان هاي قلبي در 42 متغير از برتري هاي اين طرح است.
حجم کلي خون در يک فرد بالغ 6 ليتر يا 7 درصد ليتر الي 8 درصد وزن بدن است و در لوله هايي به نام رگهاي خوني جريان مي يابد. اين رگها از قلب شروع و به آن ختم مي شوند و خون را به قسمتهاي بدن هدايت مي کنند. تقريبا 9600 کيلومتر رگ خوني در بدن وجود دارد که به 3نوع اصلي سرخرگ ، مويرگ و سياهرگ تقسيم مي شوند. سرخرگ رگهايي با جدار کلفت هستند که خون را از قلب به ريه ها يا ساير قسمتهاي بدن هدايت مي کنند. مويرگ ها هم خون را به همه بافتهاي بدن مي رسانند و در نهايت سياهرگ ، خون خالي از اکسيژن و تصفيه نشده را به قلب برمي گرداند.به طور کلي خون در بدن دو گردش مجزا از يکديگر دارد؛ يکي گردش خون سراسري و ديگري گردش خون ريوي که هر دو از قلب شروع مي شود و به آن نيز خاتمه مي يابد.
در گردش خون سراسري خون قرمز روشن حاوي اکسيژن از سمت چپ به داخل رگ اصلي بدن ، يعني آئورت و سپس به تعدادي رگ ديگر به نام سرخرگ پمپ مي شود. سرخرگ ها در سرتاسر با تقسيمات متعدد به سرخرگ هاي کوچکتر تبديل مي شوند تا به اعضا و بافتهاي بدن اکسيژن و مواد غذايي برسانند و محصولات زائد، مانند اکسيژن را از آنها بگيرند. خون پس از خارج شدن از بافتها در سياهرگ ها به يکديگر مي پيوندند. تا سرانجام دو سياهرگ بزرگ سياهرگ هاي زيرين و زبرين را قبل از بازگشت خون به سمت راست قلب ، تشکيل دهند. در گردش خون ريوي هم ، خوني که اکسيژن آن تخليه يا صرف شده است و به همين دليل کمي آبي رنگ است به بافتهاي ريه پمپ مي شود. در اينجا خون اکسيژن تازه مي گيرد و دي اکسيد کربن بيرون مي دهد. خون حاوي اکسيژن تازه به سمت چپ قلب بازمي گردد و آنگاه مجددا از طريق گردش خون سراسري به همه قسمتهاي بدن پمپ مي شود. به اين ترتيب قلب خون حاوي اکسيژن و مواد غذايي يا مواد زائد را از طريق لوله هايي به نام رگهاي خوني که انواع مختلفي دارند به همه قسمتهاي بدن مي رساند. البته خون استفاده شده از طريق سياهرگ هاي بدن که سرانجام به دو بزرگ سياهرگ زيرين و زبرين تخليه مي شوند به قلب بازمي گردد و خون اين دو سياهرگ ابتدا به دهليز راست و سپس از طريق دريچه هاي سه لتي به بطن راست تخليه مي شود.
در انقباض با ضربان بعدي قلب ديواره عضلاني بطن راست خون را از طريق دريچه ريوي به سرخرگ ريوي و سپس به ريه ها مي راند. خون در ريه ها دي اکسيدکربن خود را از دست مي دهد و دوباره اکسيژن پر مي شود. اين خون سرشار از اکسيژن ، از طريق سياهرگ هاي ريوي به دهليز چپ بازمي گردد و از طريق ميترال وارد بطن چپ مي شود. در ضربان بعدي ، بطن چپ منقبض مي شود و خون را از طريق دريچه آئورتي به داخل سرخرگ آئورت مي راند. اما تحليل همين عملکرد سيستم گردش خون يکي از مهمترين مسائل در شناخت ، کنترل و جلوگيري از ناهنجاري ها و بيماري هايي است که امروزه نقش عمده اي در آمار مرگ و مير انسان ها دارد. مدل نرم افزاري براي شبيه سازي جريان خون و تشخيص ناهنجاري هاي آن به همين منظور و براساس ويژگي هاي رگهاي بدن در دانشگاه صنعتي اميرکبير طراحي و ساخته شده است.
دکتر کامران حسني ، مجري طرح و دانش آموخته دکتري دانشکده مهندسي پزشکي دانشگاه صنعتي اميرکبير، بررسي غيرتهاجمي بدن و تشخيص بيماري را ازجمله اهداف مدل سازي هاي رايانه اي در مهندسي پزشکي ذکر مي کند و مي افزايد: اين گونه مدل سازي ها سابقه نسبتا طولاني در کشورهاي مختلف دارد و مراکز تحقيقاتي دنيا به دنبال بهبود و اصلاح آنها هستند. در اين طرح علاوه برتوليد دانش اين مدل سازي در داخل کشور، روشهاي موجود نيز بهبود يافت. ضمن آن که مدل سازي شريان هاي اصلي بدن مانند کليه ، کبد، شريان هاي گردني (کاروتيد) و همه شريان هاي قلبي در 42 متغير از برتري هاي اين طرح است. اگرچه بروز گرفتگي و تنگي اين عروق موجب تغيير شدت جريان خون در آنها مي شود و نرم افزارهاي مدل ساز با دريافت اين تغييرات ، مي توانند ناهنجاري هاي پديد آمده را تشخيص دهند.
پمپهاي بطن راست و چپ نيز با استفاده از منابع ولتاژي مدل شده اند. مدل نهايي شامل 42 المان و نمايانگر عملکرد عادي سيستم گردش خون است ، در اين ميان کليه نمودارهاي فشار و حجم قسمتهاي مختلف دستگاه قابل حصول هستند و نارسايي هاي سيستم از طريق تغيير پارامترهاي مدل مانند مقاومت و خازن قابل بررسي است. در ادامه بررسي دو دسته از بيماري هاي مهم سيستم گردش خون به نام آنوريزم شريان آئورت و گرفتگي شريان کليوي به صورت تفصيلي انجام شده است. حسني درباره مراحل مختلف طراحي اين سيستم مي گويد: کليه مدل سازي هاي الکتريکي با استفاده از نرم افزار Orcad صورت گرفته است ضمن اين که افت فشارهاي ناشي از آنوريزم آئورت و گرفتگي شريان کليه ، توسط روش ديناميک سيالات محاسباتي و نرم افزار Fluent به دست آمده است. نکته مهم آن است که کليه نتايج به دست آمده با داده هاي کلينيکي موجود در مراجع فيزيولوژي وپاتولوژي مقايسه شده اند.اين مدل براي اولين بار در کشور بررسي شده است و مي توان با ادامه آن DATA BASE هاي مناسبي از بيماري هاي مختلف سيستم گردش خون تهيه کرد. حسني مي افزايد: البته اين پروژه حامي مالي نداشته است.
تاکنون 2 مقاله معتبر در نشريات اروپايي و امريکايي منتشر و در 3 کنفرانس بين المللي نيز در کشورهاي اتريش و هلند شرکت کرده ايم. گام بعدي طرح ما تطبيق يافته هاي باليني از بيماران واقعي با خروجي هاي نرم افزار است تا با اصلاح نقايص احتمالي ، مدل جامع و قابل اعتمادي به دست بيايد. اين نرم افزار هم اکنون با دريافت اطلاعاتي ازجمله طول و شعاع رگ ، نمودارهاي فشار بر زمان ، حجم بر زمان و برون ده قلبي را مشخص مي کند. انتظار مي رود با گسترش تحقيقات در مورد اين طرح بتوان به صورت عملي بيماري هاي مختلف سيستم گردش خون مانند آنوريزم و گرفتگي ها را در بيماران از لحاظ درصد گرفتگي ها يا قطر پيش رونده آنوريزم پيش بيني کرد ولي اين امر نيازمند کمک پزشکان متخصص نيز هست. در پايان از مسوولان وزارت آموزش عالي مي خواهم که کمي بيشتر از دانشجويان دکتري حمايت کنند. در هر صورت اگر دولت بتواند در امور تحقيقات سرمايه گذاري وسيع کند، خواهيم ديد که ظرف 5 سال مي توانيم در سطوح بين المللي بيش از پيش ظاهر شويم و رتبه دانشگاهي خود را افزايش دهيم.
شبيه سازي آنالوگي با استفاده از مدارات الکتريکي از اواخر دهه 70 ميلادي در مورد سيستم گردش خون آغاز و امروزه اين نوع مدل سازي نقش اساسي در بيان فيزيولوژي سيستم ايفا مي کند. روپنيک در سال 2000 مدل نسبتا کاملي از سيستم گردش خون در حالت کارکرد دايم و گذرا با استفاده از مدار معادل برقي ارائه کرد. طي سالهاي 2001 تا 2004 نيز مدلهاي مشابهي توسط نيبت و پودنار ارائه شده است .
حجم کلي خون در يک فرد بالغ 6 ليتر يا 7 درصد ليتر الي 8 درصد وزن بدن است و در لوله هايي به نام رگهاي خوني جريان مي يابد. اين رگها از قلب شروع و به آن ختم مي شوند و خون را به قسمتهاي بدن هدايت مي کنند. تقريبا 9600 کيلومتر رگ خوني در بدن وجود دارد که به 3نوع اصلي سرخرگ ، مويرگ و سياهرگ تقسيم مي شوند. سرخرگ رگهايي با جدار کلفت هستند که خون را از قلب به ريه ها يا ساير قسمتهاي بدن هدايت مي کنند. مويرگ ها هم خون را به همه بافتهاي بدن مي رسانند و در نهايت سياهرگ ، خون خالي از اکسيژن و تصفيه نشده را به قلب برمي گرداند.به طور کلي خون در بدن دو گردش مجزا از يکديگر دارد؛ يکي گردش خون سراسري و ديگري گردش خون ريوي که هر دو از قلب شروع مي شود و به آن نيز خاتمه مي يابد.
در گردش خون سراسري خون قرمز روشن حاوي اکسيژن از سمت چپ به داخل رگ اصلي بدن ، يعني آئورت و سپس به تعدادي رگ ديگر به نام سرخرگ پمپ مي شود. سرخرگ ها در سرتاسر با تقسيمات متعدد به سرخرگ هاي کوچکتر تبديل مي شوند تا به اعضا و بافتهاي بدن اکسيژن و مواد غذايي برسانند و محصولات زائد، مانند اکسيژن را از آنها بگيرند. خون پس از خارج شدن از بافتها در سياهرگ ها به يکديگر مي پيوندند. تا سرانجام دو سياهرگ بزرگ سياهرگ هاي زيرين و زبرين را قبل از بازگشت خون به سمت راست قلب ، تشکيل دهند. در گردش خون ريوي هم ، خوني که اکسيژن آن تخليه يا صرف شده است و به همين دليل کمي آبي رنگ است به بافتهاي ريه پمپ مي شود. در اينجا خون اکسيژن تازه مي گيرد و دي اکسيد کربن بيرون مي دهد. خون حاوي اکسيژن تازه به سمت چپ قلب بازمي گردد و آنگاه مجددا از طريق گردش خون سراسري به همه قسمتهاي بدن پمپ مي شود. به اين ترتيب قلب خون حاوي اکسيژن و مواد غذايي يا مواد زائد را از طريق لوله هايي به نام رگهاي خوني که انواع مختلفي دارند به همه قسمتهاي بدن مي رساند. البته خون استفاده شده از طريق سياهرگ هاي بدن که سرانجام به دو بزرگ سياهرگ زيرين و زبرين تخليه مي شوند به قلب بازمي گردد و خون اين دو سياهرگ ابتدا به دهليز راست و سپس از طريق دريچه هاي سه لتي به بطن راست تخليه مي شود.
در انقباض با ضربان بعدي قلب ديواره عضلاني بطن راست خون را از طريق دريچه ريوي به سرخرگ ريوي و سپس به ريه ها مي راند. خون در ريه ها دي اکسيدکربن خود را از دست مي دهد و دوباره اکسيژن پر مي شود. اين خون سرشار از اکسيژن ، از طريق سياهرگ هاي ريوي به دهليز چپ بازمي گردد و از طريق ميترال وارد بطن چپ مي شود. در ضربان بعدي ، بطن چپ منقبض مي شود و خون را از طريق دريچه آئورتي به داخل سرخرگ آئورت مي راند. اما تحليل همين عملکرد سيستم گردش خون يکي از مهمترين مسائل در شناخت ، کنترل و جلوگيري از ناهنجاري ها و بيماري هايي است که امروزه نقش عمده اي در آمار مرگ و مير انسان ها دارد. مدل نرم افزاري براي شبيه سازي جريان خون و تشخيص ناهنجاري هاي آن به همين منظور و براساس ويژگي هاي رگهاي بدن در دانشگاه صنعتي اميرکبير طراحي و ساخته شده است.
دکتر کامران حسني ، مجري طرح و دانش آموخته دکتري دانشکده مهندسي پزشکي دانشگاه صنعتي اميرکبير، بررسي غيرتهاجمي بدن و تشخيص بيماري را ازجمله اهداف مدل سازي هاي رايانه اي در مهندسي پزشکي ذکر مي کند و مي افزايد: اين گونه مدل سازي ها سابقه نسبتا طولاني در کشورهاي مختلف دارد و مراکز تحقيقاتي دنيا به دنبال بهبود و اصلاح آنها هستند. در اين طرح علاوه برتوليد دانش اين مدل سازي در داخل کشور، روشهاي موجود نيز بهبود يافت. ضمن آن که مدل سازي شريان هاي اصلي بدن مانند کليه ، کبد، شريان هاي گردني (کاروتيد) و همه شريان هاي قلبي در 42 متغير از برتري هاي اين طرح است. اگرچه بروز گرفتگي و تنگي اين عروق موجب تغيير شدت جريان خون در آنها مي شود و نرم افزارهاي مدل ساز با دريافت اين تغييرات ، مي توانند ناهنجاري هاي پديد آمده را تشخيص دهند.
گردش خون مدل سازي مي شود
با توجه به اهميت شناخت عملکرد سيستم گردش خون سالهاست که تلاش زيادي در شناسايي اين سيستم به عمل آمده است.مدل سازي و شبيه سازي يکي از ابزارهايي است که امروزه به صورت گسترده در خدمت علوم بويژه مهندسي قرار گرفته است تا بتوان براحتي پارامترها و ويژگي هاي يک سيستم را بررسي و مطالعه کرد. در اين راستا هيل براي نخستين بار در سال 1938 ، يک مدل 3 پارامتري را از مکانيک ماهيچه هاي قلب ارائه کرد که در سال 1974 توسط گروود اصلاح شد. گروود توانست مساله ضربان قلب را در ماهيچه ها آن هم در حالت ايزومتريک و هم ايزوتونيک بررسي کند. لمون هم در سال 2000 با استفاده از روش اجزاي محدود بطن چپ را شبيه سازي کرد. البته تاريخچه مدلهاي رايانه اي ارائه شده براي سيستم گردش خون به دهه 60 ميلادي برمي گردد. در آن سالها دانشمنداني چون نوردرگراف يک مدل چندشاخه اي ارائه کردند که درخت شرياني گردش خون سيستميک را به فرم قابل استفاده در رايانه ديجيتالي درآورد که مي توانست شرايط فيزيولوژيکي و آسيب شناسي مختلف اين سيستم را شبيه سازي کند. اين مدل به صورت تکميل تر و کامل تر توسط آووليو در سال 1980 بيان شد. ضمنا جريان خون در نقاط مخصوص مثل گرفتگي هاي سيستم گردش خون يا نقاطي که رگ به 2 شاخه منشعب مي شود نيز توسط آووليو با روش اجزاي محدود بررسي شد. البته بيان رياضي تمام گردش خون بسيار پيچيده است. در نتيجه در مدلهاي ارائه شده به صور مختلف ساده سازي هايي انجام شده است. به عنوان مثال لاري در سال 1996 يک مدل از قلب چپ و آئورت را با در نظر گرفتن جريان خون به صورت ضرباني ارائه کرد و توانست توسط يک پمپ بالني تغييرات در کار جريان و حجم ضربه اي و زمان تانسيون را بررسي کند.عمده ترين محدوديت
عمده ترين محدوديت مدلهاي سيستم گردش خون مساله عدم مدل سازي تمامي شريان هاي مهم و اصلي است ، ضمن اين که هدف کلي اين مدلها بررسي يک نارسايي خاص در سيستم گردش خون بوده است. اما در مکانيزم جديد ارائه شده توسط حسني براي جريان خون سعي بر آن بوده تا قسمتهاي مهم دستگاه گردش خون نيز گنجانده شوند و در مورد رگها و سياهرگ ها نيز، تلاش بر آن بوده است تا مجموعه رگها و سياهرگ ها و مويرگ ها به صورت چند محفظه قرار گيرند و البته ساير رگهاي موازي با رگهاي مهم حذف نشده اند، بلکه در پارامترهاي سيستم که بايستي کنترل شوند (مثل فشار) لحاظ شده اند. به گفته حسني ، طراحي سيستم مذکور از ارديبهشت 1384 شروع و در فروردين ماه 1386 تکميل شده است. وي مي افزايد: در اين پروژه ، پس از مطالعات کامل در مورد سيستم گردش خون و در نظر گرفتن کليه پارامترهاي فيزيولوژيک و همچنين بررسي جامع مدلهاي موجود (مکانيکي ، الکتريکي و رياضي) ابتدا دياگرام بلوکي مربوط به اجزاي سيستم گردش خون بيان شده است. سپس مدل الکتريکي هر يک از اجزاي با استفاده از المان هاي مقاومت ، خازن و سلف طراحي و روي مدار اصلي پياده شده است. مقادير مقاومت رگي ، اينرسي خون و... مربوط به هر جزو سيستم هم با استفاده از فرمول هاي معتبر و براساس داده هاي آناتوميک و فيزيولوژيک موجود محاسبه و سپس مقادير هموديناميکي به الکتريکي تبديل مي شوند.پمپهاي بطن راست و چپ نيز با استفاده از منابع ولتاژي مدل شده اند. مدل نهايي شامل 42 المان و نمايانگر عملکرد عادي سيستم گردش خون است ، در اين ميان کليه نمودارهاي فشار و حجم قسمتهاي مختلف دستگاه قابل حصول هستند و نارسايي هاي سيستم از طريق تغيير پارامترهاي مدل مانند مقاومت و خازن قابل بررسي است. در ادامه بررسي دو دسته از بيماري هاي مهم سيستم گردش خون به نام آنوريزم شريان آئورت و گرفتگي شريان کليوي به صورت تفصيلي انجام شده است. حسني درباره مراحل مختلف طراحي اين سيستم مي گويد: کليه مدل سازي هاي الکتريکي با استفاده از نرم افزار Orcad صورت گرفته است ضمن اين که افت فشارهاي ناشي از آنوريزم آئورت و گرفتگي شريان کليه ، توسط روش ديناميک سيالات محاسباتي و نرم افزار Fluent به دست آمده است. نکته مهم آن است که کليه نتايج به دست آمده با داده هاي کلينيکي موجود در مراجع فيزيولوژي وپاتولوژي مقايسه شده اند.اين مدل براي اولين بار در کشور بررسي شده است و مي توان با ادامه آن DATA BASE هاي مناسبي از بيماري هاي مختلف سيستم گردش خون تهيه کرد. حسني مي افزايد: البته اين پروژه حامي مالي نداشته است.
تاکنون 2 مقاله معتبر در نشريات اروپايي و امريکايي منتشر و در 3 کنفرانس بين المللي نيز در کشورهاي اتريش و هلند شرکت کرده ايم. گام بعدي طرح ما تطبيق يافته هاي باليني از بيماران واقعي با خروجي هاي نرم افزار است تا با اصلاح نقايص احتمالي ، مدل جامع و قابل اعتمادي به دست بيايد. اين نرم افزار هم اکنون با دريافت اطلاعاتي ازجمله طول و شعاع رگ ، نمودارهاي فشار بر زمان ، حجم بر زمان و برون ده قلبي را مشخص مي کند. انتظار مي رود با گسترش تحقيقات در مورد اين طرح بتوان به صورت عملي بيماري هاي مختلف سيستم گردش خون مانند آنوريزم و گرفتگي ها را در بيماران از لحاظ درصد گرفتگي ها يا قطر پيش رونده آنوريزم پيش بيني کرد ولي اين امر نيازمند کمک پزشکان متخصص نيز هست. در پايان از مسوولان وزارت آموزش عالي مي خواهم که کمي بيشتر از دانشجويان دکتري حمايت کنند. در هر صورت اگر دولت بتواند در امور تحقيقات سرمايه گذاري وسيع کند، خواهيم ديد که ظرف 5 سال مي توانيم در سطوح بين المللي بيش از پيش ظاهر شويم و رتبه دانشگاهي خود را افزايش دهيم.
کاربردي ترين مدل
يکي از کامل ترين مدلهايي که براي سيستم گردش خون ارائه شده است ، مربوط به زاسک و کراوز است. آنها يک مدل 15 الماني براي تحليل سيستم گردش خون ارائه کرده اند که يک سيستم هيدروليکي است و بازده پمپهاي قلب (باي پس) اندازه گيري و بررسي شده است. بر اين اساس يک مدل عددي که سيستم گردش خون را به صورت ساده و کامل بيان کند ابداع شد. البته گرچه در ابتدا مدل از لحاظ پايداري عددي دچار مشکل بود ولي توسط مکانيسم هاي مکانيکي خاص اين نقص برطرف شد.شبيه سازي آنالوگي با استفاده از مدارات الکتريکي از اواخر دهه 70 ميلادي در مورد سيستم گردش خون آغاز و امروزه اين نوع مدل سازي نقش اساسي در بيان فيزيولوژي سيستم ايفا مي کند. روپنيک در سال 2000 مدل نسبتا کاملي از سيستم گردش خون در حالت کارکرد دايم و گذرا با استفاده از مدار معادل برقي ارائه کرد. طي سالهاي 2001 تا 2004 نيز مدلهاي مشابهي توسط نيبت و پودنار ارائه شده است .
