شبیه‌سازی برهم کنش میان سیال و سازه در دریچه‌های قلبsamira1399-11-15 14:07:49 +00:00
شبیه‌سازی برهم کنش میان سیال و سازه در دریچه‌های قلب
قلب انسان در هرشبانه روز حدود 100 هزار بار می‌تپد و با هر بار تپش، چهار دریچه قلب باز و بسته شده و خون را به صورت یکطرفه به وسیله حفره‌ها (بطن‌ها و دهلیزها) به قسمت‌های مختلف بدن منتقل می‌کند. با شبیه‌سازی دریچه‌های قلب، محققین و پژوهشگران حوزه پزشکی، می‌توانند رفتار آن‌ها را بررسی‌کرده و مشکلات سلامت قلب را تشخیص دهند و گامی مهم برای کمک به درمان بیماری‌های مختلف قلبی بردارند.
یکی از شبیه‌سازی‌های انجام‌شده توسط تیمی از گروه مهندسی veryst با استفاده از نرم افزار کامسول صورت‌گرفته و باز و بسته شدن دریچه‌ها را شبیه‌سازی می‌کند.
تحقیقات در حال پیشرفت در حوزه دریچه قلب با استفاده از شبیه‌سازی
یکی از ویژگی‌های مهم دریچه‌های قلب، انعطاف‌پذیری آن‌ها است. یک دریچه سالم باید به اندازه کافی باز شود تا به خون اجازه دهد، به صورت کامل و یکطرفه جریان یابد. از طرفی باید به صورت کامل بسته و نفوذناپذیر شود تا از بازگشت خون جلوگیری کند. در بیماران با بیماری‌های دریچه‌ای، دریچه‌ها به درستی وظایف خود را انجام نمی‌دهند که این امر باعث بروز مشکلات جدی در سلامت قلب می‌شود. با توجه به توضیحات فوق، لزوم انجام پروژه‌های تحقیقاتی در بررسی دریچه‌های قلب مشخص می‌شود.
شماتیک قلب
ساخت و توسعه کوچکتریندریچه مکانیکی آزمایش شده جهان را می‌توان یکی از پیشرفت‌های اخیر در حوزه‌ی تحقیقات دریچه قلب دانست. لازم به ذکر است که هر سال، حدود 35000 کودک فقط در آمریکا، با نقص مادرزادی قلب متولد می‌شوند و برای بسیاری از این کودکان، این نقص به اختلال در عملکرد دریچه‌ها منتج می‌شود که تنها راه درمان، انجام عمل جراحی است.
ساخت کوچک‌ترین دریچه مکانیکی تنها یکی از نمونه‌های پیشرفت در حوزه بیماری‌های دریچه است. این حوزه مورد توجه گروه‌های پژوهشی از‌جمله تیمی از گروه مهندسی veryst قرار گرفته است. این تیم، یکی از مجموعه‌های فعال و خبره و دارای گواهینامه در زمینه مشاوره نرم‌افزار کامسول است که روی شبیه‌سازی مسائل واقعی کار می‌کند. به منظور پیشرفت بیشتر در تحقیقات روی دریچه قلب، این تیم به ایجاد یک نمونه مدل شبیه‌سازی‌شده از دریچه قلب قدام کرد. چنین مدلی می‌تواند به عنوان ابزاری ارزشمند، اطلاعات مهمی را در دسترس محققان حوزه پزشکی قرار‌دهد.
شبیه‌سازی باز و بسته شدن دریچه قلب در کامسول
همان طور که قابل پیشبینی است، شبیه‌سازی دریچه‌های قلب می‌تواند بسیار پیچیده بوده و هزینه محاسباتی زیادی داشته باشد. این مسئله برهم‌کنش سازه و سیال (FSI) را همراه با تغییر شکل و حرکت سازه‌ای که با سیال برهم‌کنش دارد. به‌علاوه، به حساب آوردن دقیق رفتار غیرخطی ماده، مدل‌سازی تماس و جابجایی شبکه محاسباتی در ناحیه سیال در این مسئله اهمیت زیادی دارد.
به منظور رفع چالش‌های به‌وجود‌آمده، Nagi Elabbasi یکی از اعضای تیم veryst از نرم‌افزار کامسول استفاده کرد. طبق گفته او این نرم‌افزار توانایی منحصر‌به‌فردی را برای در نظر گرفتن همه موارد درگیر در مسئله به صورت همزمان و کوپل‌شده فراهم می‌کند. او یک مثال ساده در نرم‌افزار کامسول ایجاد کرد تا نشان دهد که چگونه مهندسین می‌توانند به وسیله آن بر چالش‌های شبیه‌سازی واقعی دریچه‌های قلب غلبه کنند و رفتار آن‌ها را پیشبینی کنند.
اما چالش اصلی این مسئله چیست؟ در این شبیه‌سازی با عبور جریان، دریچه‌ها باز و بسته می‌شوند. با بسته شدن دریچه قلب شبکه محاسباتی در ناحیه سیال می‌تواند تخریب شود. بنابراین چالش‌های اصلی در این مسئله مدل‌کردن بسته‌شدن دریچه قلب و بازسازی دقیق رفتار مواد سازنده دریچه قلب است. برای حل مشکل اعوجاج بیش از انداره شبکه محاسباتی، این گروه از ویژگی‌های پیشرفته کنترل شبکه موجود در نرم‌افزار کامسول استفاده کردند.
نتایج شبیه سازی برای برهم کنش میان سیال و سازه در دریچه قلب
در این قسمت نگاهی به نتایج به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی دریچه قلب می‌اندازیم. با استفاده از این شبیه‌سازی موارد زیر بررسی شده است:
– الگوهای جریان – ناپایداری (variation) – زمان اقامت (Residence time) – گردش مجدد جریان (Flow recirculation) اطراف دریچه قلب» – تاثیر حرکت دریچه بر عوامل بالا
همچنین امکان بررسی تنش و خستگی در ماده دریچه، فشارخون، تنش برشی و تغییر شکل در دریچه با استفاده از این مدل وجود دارد.
این شبیه‌سازی همچنین امکان تحلیل و بررسی همزمان و چند جانبه دریچه در یک مدل را فراهم می‌کند، مانند بررسی همزمان برهم‌کنش سرعت خون، تغییر شکل دریچه و تنش فون میزز در دریچه.
نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که در اطراف دریچه‌ها مناطق سکون جریان و در سیال گردش مجدد وجود دارد. این موارد تحت تاثیر باز و بسته شدن جریان، به وجود می‌آیند. علاوه بر آن می‌بینیم که به پایه‌های دریچه تنش زیادی وارد می‌شود. این نتایج به محققین کمک می‌کند که مشکلات بالقوه را شناسایی کرده و همچنین ساختار دریچه‌های مصنوعی را بهبود ببخشند.
البته لازم به ذکر است که موارد ذکر شده جهت اطلاع از نتایج شبیه‌سازی دریچه بوده و نتایجی که در تصویر می‌بینید کاملا مبتنی بر واقعیت نیست.
مدل FSI دریچه در حالت بازشدن (بالا) و در حال بسته شدن (پایین)
شبیه‌سازی مالتی‌فیزیکس همچنین می‌تواند دریچه قلب را در حال باز و بسته شدن به تصویر بکشد، همان طور که در انیمیشن زیر مشاهده می‌کنید:
بهبود طراحی لوازم پزشکی با استفاده از شبیه‌سازی FSI
این مثال نشان‌دهنده اطلاعاتی است که محققان حوزه پزشکی می‌توانند با استفاده از شبیه‌سازیFSI به آن دست‌یابند.
استفاده از چنین شبیه‌سازی‌هایی به محققین و مهندسین کمک می‌کند، رفتار دریچه واقعی قلب را پیشبینی کرده و به صورت بالقوه از این اطلاعات جهت بهبود طراحی و اصلاح نمونه‌های مصنوعی ساخته‌شده استفاده کنند.
به گفته Nagi Elabbasi لازم است همه شرکت‌های تولیدکننده تجهیزات پزشکی که روی دریچه‌های قلب کار می‌کنند، شرکت‌هایی که لوازم مرتبط با این حوزه (مانند stent) را می‌سازند و حتی شرکت‌هایی که بیماری‌های قلبی را تجزیه و تحلیل می‌کنند، شبیه‌سازی FSI را انجام دهند.
اطلاعات به دست آمده از این شبیه‌سازی‌ها باعث بهبود طراحی تجهیزات پزشکی می‌شود و کارایی آن‌ها را در درمان بیماری‌ها بیشتر می‌کند.
