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减少人造心脏瓣膜中血块的风险

大多数人都熟悉航空中的湍流:某些风况会导致旅客飞行颠簸。但是即使在人的血管内,血流也会紊乱。当血液沿着血管的弯曲或边缘流动时会出现湍流,从而引起流速的突然变化。湍流产生的额外力会增加形成血块的几率。这些凝块生长缓慢,直到可能被血流带走并阻塞大脑中的动脉而引起中风。

机械心脏瓣膜产生湍流

患有人工心脏瓣膜的患者血栓形成的风险较高。从植入人工瓣膜后对患者的观察可知,其风险增加。对于机械心脏瓣膜的接受者而言,凝血风险因素尤其严重,在这种情况下,患者每天必须接受血液稀释剂以对抗中风的风险。到目前为止,尚不清楚为什么机械心脏瓣膜比其他瓣膜类型(例如生物心脏瓣膜)更能促进血凝块形成。

伯尔尼大学ARTORG生物医学工程研究中心的心血管工程小组的工程师团队现已成功确定了一种可显着促进血凝块形成的机制。他们使用了流体力学稳定性理论的复杂数学方法,流体力学稳定性理论是流体力学的一个子领域,数十年来已成功用于开发节油型飞机。这是将物理和应用数学结合起来的这些方法首次转化为医学。

通过在卢加诺的中央科学技术中心的旗舰超级计算机上使用复杂的计算机模拟,研究团队能够证明,心脏瓣膜流量调节阀瓣的当前形状会导致血流强烈紊流。该研究的第一作者哈迪·佐尔法加里(Hadi Zolfaghari)解释说:“通过浏览模拟数据,我们发现血液如何撞击到瓣膜瓣的前缘,以及血液如何迅速变得不稳定并形成湍流涡流。”“在此过程中产生的强大力量可能会激活血液凝结,并在阀后立即形成凝块。超级计算机帮助我们捕获了这些阀中湍流的根本原因,而流体动力稳定性理论则帮助我们为其找到了工程解决方案”。

研究中使用的机械心脏瓣膜由一个金属环和两个在铰链上旋转的瓣组成。每次心跳时皮瓣都会打开和关闭,以使血液从心脏流出,但不能再次流入。在研究中,研究小组还研究了如何改善心脏瓣膜。结果表明,即使瓣膜瓣的设计稍作改动,血液也可以流动而不会产生导致湍流的不稳定性-更像是健康的心脏。这种没有湍流的血流将显着减少血块形成和中风的机会。

生命没有血液稀释剂?

每年有超过100,000人使用机械心脏瓣膜。由于凝血的高风险,所有这些人每天都必须在其余生中服用稀释剂。如果从流体力学的角度改进心脏瓣膜的设计,则可以想象这些瓣膜的接受者将不再需要血液稀释剂。这可能会导致正常的生活-没有持久的血液稀释药物负担。“自1970年代以来,机械心脏瓣膜的设计几乎没有被修改过,” ARTORG中心研究组负责人Dominik Obrist说。“相比之下,在其他工程领域(例如飞机设计)已经进行了很多研究和开发。考虑到有多少人拥有人造心脏瓣膜,

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