مادر من اولین GPS خود را در دهه 1990 خریداری کرد. چند ماه بعد، او عصبانی به خانه آمد، زیرا او را به سمت اشتباه شهر سوق داده بود، و او یک ساعتی دیرش شده بود. گفتم: "این خیلی بد است"، و ما به زندگی خود ادامه دادیم. هر دوی ما فهمیدیم که GPS تجاری یک فناوری جدید است و مصون از خطا نیست، اما یک ساعت تلف شده هزینه کمی در ازای 99 درصد سفرهای رانندگی است که بر روی آنها درست کار می‌کند. ما می‌دانستیم که با آزمایش‌های بیشتر و بازخورد کاربر، فناوری GPS به پیشرفت خود ادامه می‌دهد.

اگر این فناوری با میزان شکست 1 درصدی، ضربان ساز یا دریچه مصنوعی که در قلب مادرم کاشته شده و برای زنده نگه داشتن او طراحی شده است بود، اوضاع فرق می‌کرد.

اما اگر سلامت فرد در معرض خطر باشد، چگونه می‌توانیم انتظار داشته باشیم که فناوری بهبود یابد؟ امتحان کردن وسایل جدید پزشکی بر روی بیماران بدون شواهد کافی در مورد ایمنی کار آنها غیر اخلاقی است. آزمایش گسترده حیوانات، آزمایشات بالینی و یک فرایند پیچیده تصویب FDA قبل از مراجعه به چنین وسایلی ضروری است. این بدان معناست که درمان‌های نجات بخش بالقوه می‌توانند سال‌ها برای رسیدن به بیماران طول بکشند.

اکنون دانشمندان به دنبال ابزارهای جدید از جمله شبیه سازی رایانه و چاپ سه بعدی هستند تا روشهای سریعتر و ایمن‌تری برای آزمایش دستگاه‌های پزشکی بدون نصب آنها در انسان‌های زنده یا حیوانات توسعه دهند. آزمایشگاه من در تلاش است تا این تکنیک‌ها را برای بیماری‌های قلبی و عروقی به کار ببرد. این کار پتانسیل بهبود نتایج، بیشتر از روشهای تهاجمی که امروزه در درمان رایج است را دارد.

اندازه گیری در داخل بدن

بیماری عروقی، حوزه تحقیقاتی من، یک بیماری بسیار شایع در ایالات متحده است. صدها تکنیک برای رفع مشکلات سیستم گردش خون وجود دارد، از جمله استنت‌ها (استوانه‌های سیمی که رگ‌های خونی را باز نگه می‌دارند)، آنژیوپلاستی بادکنکی (شریان‌های مسدود شده با فشار دادن موانع سر راه به بیرون مجدداً باز می‌شوند) و حتی تعویض دریچه قلب.

قبل از این که یک دستگاه قلبی و عروقی یا یک رویه بی خطر و مؤثر تلقی شود، باید برای بازگرداندن موفقیت آمیز جریان خون سالم در بدن تأیید شود. نشان داده شده است که جزئیات جریان خون مانند سرعت جریان، جهت و فشار می‌تواند بر سلامتی سلولهای قلب و رگهای خونی تأثیر بگذارد. دانستن این که جریان خون قبل از ثابت شدن چگونه به نظر می‌رسد و چه اتفاقی می‌تواند بعد از انجام روش یا نصب دستگاه رخ دهد، می‌تواند به پیش بینی موفقیت این روش کمک کند.

خواصی مانند سرعت جریان، جهت و فشار برای اندازه گیری در یک انسان زنده یا حیوان دشوار است زیرا بیشتر روش‌های اندازه گیری نیاز به سوراخ کردن رگ‌های خونی دارند. معدود روش‌های غیر تهاجمی یا نتایج غیر قابل اعتماد به دست می‌دهد یا خیلی کند و گران است که برای هر بیمار استفاده شود. علاوه بر این، بسیاری از اندازه گیری‌های جریان از حیوانات زنده و انسان به اندازه کافی دقیق نیستند تا تعیین کنند که آیا یک روش در نهایت منجر به بیماری دیواره‌های رگهای خونی مبتلا خواهد شد یا خیر.

استفاده از رایانه‌ها برای مدل سازی جریان خون

برای دور زدن این مشکل، دانشمندان می‌توانند دستگاهها و روشهای قلبی عروقی را با استفاده از شبیه سازی و مدلهای مصنوعی آزمایش کنند. این مطالعات امکان جمع آوری داده‌های جریان بسیار کنترل شده و گسترده‌تری را که ممکن است برای یک بیمار زنده وجود داشته باشد فراهم می‌کنند. چندین گروه تحقیقاتی، از جمله خود من، در حال حاضر این نوع کارها را انجام می دهیم، که شامل مدل سازی سرعت مایع و فشار در رگ‌های خونی با استفاده از رایانه است. به این فرآیند دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) گفته می‌شود.

از آن جا که شبکه عروقی هر بیمار دارای یک شکل کمی متفاوت از دیگران است، حرکتی برای انجام شبیه سازی‌های خاص بیمار انجام شده است. این بدان معناست که رگهای خونی یک بیمار را از تصاویر پزشکی اسکن کرده و از آنها به طور واقعی الگو برداری می‌کنیم. امتحان کردن وسایل جدید پزشکی بر روی بیماران بدون شواهد کافی در مورد ایمنی کار آنها غیر اخلاقی است. با تغییر مدل برای شبیه سازی یک روش یا کاشت دستگاه، پزشکان می‌توانند پیش بینی کنند که چگونه جریان خون بیمار تغییر می‌کند و بهترین نتیجه ممکن را از قبل انتخاب می‌کنند. به عنوان مثال، از CFD برای مدل سازی آنوریسم‌های عروق کرونر در کودکان استفاده شده است و روش‌هایی برای درمان آنها پیشنهاد می‌شود.

استفاده از این روش برای پیش بینی پروسه قلبی عروقی و موفقیت دستگاه مزایای بسیاری دارد. اول این که، CFD داده‌های دقیقی از جریان خون در نزدیکی دیواره‌های رگ به دست می‌دهد، که اندازه گیری آزمایشی آنها دشوار است و در عین حال در تعیین سلامت آینده رگ بسیار مهم است. همچنین، از آن جا که CFD می‌تواند تغییرات در رگ‌های خونی را شبیه سازی کند، پزشکان می‌توانند بدون آزمایش روی بیمار، از آن برای بهینه سازی برنامه‌های جراحی استفاده کنند. به عنوان مثال، از CFD برای برنامه ریزی جراحی برای ترمیم قلب نوزادان متولد شده فقط با یک بطن عمل کننده استفاده شده است.

CFD همچنین می‌تواند نشان دهد که چگونه جریان خون دارو را در اندامها و بافتهای مختلف توزیع می‌کند: ردیابی حرکت ذرات دارویی که به یک رگ تزریق می شوند، نشان می‌دهد که آنها کجا به دیواره رگهای خونی می‌رسند.

با این حال، CFD همچنین چالش‌های خود را دارد. آماده سازی دستگاه‌های قلبی و عروقی برای مدل سازی در یک شبیه سازی، دشوارتر از عمل جراحی است. همچنین، مدلهای سیال غالباً باید با مدلهای مکانیکی دیواره شریانی و فاکتورهای بیولوژیکی مانند پاسخ سلولی به هورمونها همراه باشند تا یک شبیه سازی کامل از تأثیر یک دستگاه یا رویه را به دست آورند.

استفاده از آزمایشات برای مدل سازی جریان خون

برخی از محققان، از جمله گروه من، مدل سازی فراتر از رایانه‌ها را انجام داده‌اند و مدل‌های فیزیکی‌ای ساختند تا بتوانند تأثیر دستگاه‌های قلبی عروقی بر جریان خون را بررسی کنند. اکنون فناوری چاپ سه بعدی به اندازه کافی پیشرفته هست که بتواند مدل های واقعی عروق خونی انسان را ایجاد کند، و پمپ‌های پالس جریان می‌توانند از طریق این رگ‌ها جریان داشته و پمپاژ قلب را تقلید کنند. از آن جا که مدل‌های رگ، مصنوعی هستند، هیچ مسئله اخلاقی مربوط به سوراخ کردن آنها برای اندازه گیری جریان وجود ندارد.

این مدل‌های دنیای واقعی همچنین از این مزیت برخوردار هستند که می‌توان دستگاه‌های قلبی عروقی واقعی را نصب کرد و از خون واقعی استفاده کرد، که هیچ یک از آنها با یک شبیه سازی قابل انجام نیست. به عنوان مثال، یک مطالعه جدید اخیراً گردابهای ناشناسی را در جریان خون از طریق شریان خمیده در پایین دست استنت مشاهده کرد. با این حال، آزمایشها کندتر ازCFD ، و گرانتر هستند و به طور کلی داده‌هایی با وضوح پایین تولید می‌کنند.

منبع: Erica Cherry Kemmerling - Academic rigour