فناوری راهگشای عروق خونی- مجله مادر گوپی

تحلیل عملکرد سیستم گردش خون یکی از مهمترین مسایل در شناخت ، کنترل و جلوگیری از ناهنجاری ها و بیماری هایی است که امروزه نقش عمده ای در آمارمرگ و میر انسان ها دارند. با توجه به اهمیت شناخت عملکرد سیستم گردش خون سالهاست که تلاش زیادی در شناسایی این سیستم به عمل آمده است و در این راه مدل سازی و شبیه سازی یکی از ابزارهایی است که امروزه به صورت گسترده در خدمت علوم بویژه مهندسی قرار گرفته است تا بتوان براحتی پارامترها و ویژگی های یک سیستم را بررسی و مطالعه کرد. در واقع اگرچه بروز گرفتگی و تنگی این عروق موجب تغییر شدت جریان خون در آنها می شود، نرم افزارهای مدل ساز با دریافت این تغییرات ، می توانند ناهنجاری های پدید آمده را تشخیص دهند. در این طرح علاوه بر تولید دانش این مدل سازی در داخل کشور، روشهای موجود نیز بهبود یافته است. در ضمن مدل سازی شریان های اصلی بدن مانند کلیه ، کبد، شریان های گردنی (کاروتید) و همه شریان های قلبی در 42 متغیر از برتری های این طرح است.

حجم کلی خون در یک فرد بالغ 6 لیتر یا 7 درصد لیتر الی 8 درصد وزن بدن است و در لوله هایی به نام رگهای خونی جریان می یابد. این رگها از قلب شروع و به آن ختم می شوند و خون را به قسمتهای بدن هدایت می کنند. تقریبا 9600 کیلومتر رگ خونی در بدن وجود دارد که به 3نوع اصلی سرخرگ ، مویرگ و سیاهرگ تقسیم می شوند. سرخرگ رگهایی با جدار کلفت هستند که خون را از قلب به ریه ها یا سایر قسمتهای بدن هدایت می کنند. مویرگ ها هم خون را به همه بافتهای بدن می رسانند و در نهایت سیاهرگ ، خون خالی از اکسیژن و تصفیه نشده را به قلب برمی گرداند.به طور کلی خون در بدن دو گردش مجزا از یکدیگر دارد؛; یکی گردش خون سراسری و دیگری گردش خون ریوی که هر دو از قلب شروع می شود و به آن نیز خاتمه می یابد.

در گردش خون سراسری خون قرمز روشن حاوی اکسیژن از سمت چپ به داخل رگ اصلی بدن ، یعنی آیورت و سپس به تعدادی رگ دیگر به نام سرخرگ پمپ می شود. سرخرگ ها در سرتاسر با تقسیمات متعدد به سرخرگ های کوچکتر تبدیل می شوند تا به اعضا و بافتهای بدن اکسیژن و مواد غذایی برسانند و محصولات زاید، مانند اکسیژن را از آنها بگیرند. خون پس از خارج شدن از بافتها در سیاهرگ ها به یکدیگر می پیوندند. تا سرانجام دو سیاهرگ بزرگ سیاهرگ های زیرین و زبرین را قبل از بازگشت خون به سمت راست قلب ، تشکیل دهند. در گردش خون ریوی هم ، خونی که اکسیژن آن تخلیه یا صرف شده است و به همین دلیل کمی آبی رنگ است به بافتهای ریه پمپ می شود. در اینجا خون اکسیژن تازه می گیرد و دی اکسید کربن بیرون می دهد. خون حاوی اکسیژن تازه به سمت چپ قلب بازمی گردد و آنگاه مجددا از طریق گردش خون سراسری به همه قسمتهای بدن پمپ می شود. به این ترتیب قلب خون حاوی اکسیژن و مواد غذایی یا مواد زاید را از طریق لوله هایی به نام رگهای خونی که انواع مختلفی دارند به همه قسمتهای بدن می رساند. البته خون استفاده شده از طریق سیاهرگ های بدن که سرانجام به دو بزرگ سیاهرگ زیرین و زبرین تخلیه می شوند به قلب بازمی گردد و خون این دو سیاهرگ ابتدا به دهلیز راست و سپس از طریق دریچه های سه لتی به بطن راست تخلیه می شود.

در انقباض با ضربان بعدی قلب دیواره عضلانی بطن راست خون را از طریق دریچه ریوی به سرخرگ ریوی و سپس به ریه ها می راند. خون در ریه ها دی اکسیدکربن خود را از دست می دهد و دوباره اکسیژن پر می شود. این خون سرشار از اکسیژن ، از طریق سیاهرگ های ریوی به دهلیز چپ بازمی گردد و از طریق میترال وارد بطن چپ می شود. در ضربان بعدی ، بطن چپ منقبض می شود و خون را از طریق دریچه آیورتی به داخل سرخرگ آیورت می راند. اما تحلیل همین عملکرد سیستم گردش خون یکی از مهمترین مسایل در شناخت ، کنترل و جلوگیری از ناهنجاری ها و بیماری هایی است که امروزه نقش عمده ای در آمار مرگ و میر انسان ها دارد. مدل نرم افزاری برای شبیه سازی جریان خون و تشخیص ناهنجاری های آن به همین منظور و براساس ویژگی های رگهای بدن در دانشگاه صنعتی امیرکبیر طراحی و ساخته شده است.

دکتر کامران حسنی ، مجری طرح و دانش آموخته دکتری دانشکده مهندسی پزشکی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، بررسی غیرتهاجمی بدن و تشخیص بیماری را ازجمله اهداف مدل سازی های رایانه ای در مهندسی پزشکی ذکر می کند و می افزاید: این گونه مدل سازی ها سابقه نسبتا طولانی در کشورهای مختلف دارد و مراکز تحقیقاتی دنیا به دنبال بهبود و اصلاح آنها هستند. در این طرح علاوه برتولید دانش این مدل سازی در داخل کشور، روشهای موجود نیز بهبود یافت. ضمن آن که مدل سازی شریان های اصلی بدن مانند کلیه ، کبد، شریان های گردنی (کاروتید) و همه شریان های قلبی در 42 متغیر از برتری های این طرح است. اگرچه بروز گرفتگی و تنگی این عروق موجب تغییر شدت جریان خون در آنها می شود و نرم افزارهای مدل ساز با دریافت این تغییرات ، می توانند ناهنجاری های پدید آمده را تشخیص دهند.

● گردش خون مدل سازی می شود

با توجه به اهمیت شناخت عملکرد سیستم گردش خون سالهاست که تلاش زیادی در شناسایی این سیستم به عمل آمده است.مدل سازی و شبیه سازی یکی از ابزارهایی است که امروزه به صورت گسترده در خدمت علوم بویژه مهندسی قرار گرفته است تا بتوان براحتی پارامترها و ویژگی های یک سیستم را بررسی و مطالعه کرد. در این راستا هیل برای نخستین بار در سال 1938 ، یک مدل 3 پارامتری را از مکانیک ماهیچه های قلب ارایه کرد که در سال 1974 توسط گروود اصلاح شد. گروود توانست مساله ضربان قلب را در ماهیچه ها آن هم در حالت ایزومتریک و هم ایزوتونیک بررسی کند. لمون هم در سال 2000 با استفاده از روش اجزای محدود بطن چپ را شبیه سازی کرد. البته تاریخچه مدلهای رایانه ای ارایه شده برای سیستم گردش خون به دهه 60 میلادی برمی گردد. در آن سالها دانشمندانی چون نوردرگراف یک مدل چندشاخه ای ارایه کردند که درخت شریانی گردش خون سیستمیک را به فرم قابل استفاده در رایانه دیجیتالی درآورد که می توانست شرایط فیزیولوژیکی و آسیب شناسی مختلف این سیستم را شبیه سازی کند. این مدل به صورت تکمیل تر و کامل تر توسط آوولیو در سال 1980 بیان شد. ضمنا جریان خون در نقاط مخصوص مثل گرفتگی های سیستم گردش خون یا نقاطی که رگ به 2 شاخه منشعب می شود نیز توسط آوولیو با روش اجزای محدود بررسی شد. البته بیان ریاضی تمام گردش خون بسیار پیچیده است. در نتیجه در مدلهای ارایه شده به صور مختلف ساده سازی هایی انجام شده است. به عنوان مثال لاری در سال 1996 یک مدل از قلب چپ و آیورت را با در نظر گرفتن جریان خون به صورت ضربانی ارایه کرد و توانست توسط یک پمپ بالنی تغییرات در کار جریان و حجم ضربه ای و زمان تانسیون را بررسی کند.

● عمده ترین محدودیت

عمده ترین محدودیت مدلهای سیستم گردش خون مساله عدم مدل سازی تمامی شریان های مهم و اصلی است ، ضمن این که هدف کلی این مدلها بررسی یک نارسایی خاص در سیستم گردش خون بوده است. اما در مکانیزم جدید ارایه شده توسط حسنی برای جریان خون سعی بر آن بوده تا قسمتهای مهم دستگاه گردش خون نیز گنجانده شوند و در مورد رگها و سیاهرگ ها نیز، تلاش بر آن بوده است تا مجموعه رگها و سیاهرگ ها و مویرگ ها به صورت چند محفظه قرار گیرند و البته سایر رگهای موازی با رگهای مهم حذف نشده اند، بلکه در پارامترهای سیستم که بایستی کنترل شوند (مثل فشار) لحاظ شده اند. به گفته حسنی ، طراحی سیستم مذکور از اردیبهشت 1384 شروع و در فروردین ماه 1386 تکمیل شده است. وی می افزاید: در این پروژه ، پس از مطالعات کامل در مورد سیستم گردش خون و در نظر گرفتن کلیه پارامترهای فیزیولوژیک و همچنین بررسی جامع مدلهای موجود (مکانیکی ، الکتریکی و ریاضی) ابتدا دیاگرام بلوکی مربوط به اجزای سیستم گردش خون بیان شده است. سپس مدل الکتریکی هر یک از اجزای با استفاده از المان های مقاومت ، خازن و سلف طراحی و روی مدار اصلی پیاده شده است. مقادیر مقاومت رگی ، اینرسی خون و... مربوط به هر جزو سیستم هم با استفاده از فرمول های معتبر و براساس داده های آناتومیک و فیزیولوژیک موجود محاسبه و سپس مقادیر همودینامیکی به الکتریکی تبدیل می شوند.

پمپهای بطن راست و چپ نیز با استفاده از منابع ولتاژی مدل شده اند. مدل نهایی شامل 42 المان و نمایانگر عملکرد عادی سیستم گردش خون است ، در این میان کلیه نمودارهای فشار و حجم قسمتهای مختلف دستگاه قابل حصول هستند و نارسایی های سیستم از طریق تغییر پارامترهای مدل مانند مقاومت و خازن قابل بررسی است. در ادامه بررسی دو دسته از بیماری های مهم سیستم گردش خون به نام آنوریزم شریان آیورت و گرفتگی شریان کلیوی به صورت تفصیلی انجام شده است. حسنی درباره مراحل مختلف طراحی این سیستم می گوید: کلیه مدل سازی های الکتریکی با استفاده از نرم افزار Orcad صورت گرفته است ضمن این که افت فشارهای ناشی از آنوریزم آیورت و گرفتگی شریان کلیه ، توسط روش دینامیک سیالات محاسباتی و نرم افزار Fluent به دست آمده است. نکته مهم آن است که کلیه نتایج به دست آمده با داده های کلینیکی موجود در مراجع فیزیولوژی وپاتولوژی مقایسه شده اند.این مدل برای اولین بار در کشور بررسی شده است و می توان با ادامه آن DATA BASE های مناسبی از بیماری های مختلف سیستم گردش خون تهیه کرد. حسنی می افزاید: البته این پروژه حامی مالی نداشته است.

تاکنون 2 مقاله معتبر در نشریات اروپایی و امریکایی منتشر و در 3 کنفرانس بین المللی نیز در کشورهای اتریش و هلند شرکت کرده ایم. گام بعدی طرح ما تطبیق یافته های بالینی از بیماران واقعی با خروجی های نرم افزار است تا با اصلاح نقایص احتمالی ، مدل جامع و قابل اعتمادی به دست بیاید. این نرم افزار هم اکنون با دریافت اطلاعاتی ازجمله طول و شعاع رگ ، نمودارهای فشار بر زمان ، حجم بر زمان و برون ده قلبی را مشخص می کند. انتظار می رود با گسترش تحقیقات در مورد این طرح بتوان به صورت عملی بیماری های مختلف سیستم گردش خون مانند آنوریزم و گرفتگی ها را در بیماران از لحاظ درصد گرفتگی ها یا قطر پیش رونده آنوریزم پیش بینی کرد ولی این امر نیازمند کمک پزشکان متخصص نیز هست. در پایان از مسوولان وزارت آموزش عالی می خواهم که کمی بیشتر از دانشجویان دکتری حمایت کنند. در هر صورت اگر دولت بتواند در امور تحقیقات سرمایه گذاری وسیع کند، خواهیم دید که ظرف 5 سال می توانیم در سطوح بین المللی بیش از پیش ظاهر شویم و رتبه دانشگاهی خود را افزایش دهیم.

● کاربردی ترین مدل

یکی از کامل ترین مدلهایی که برای سیستم گردش خون ارایه شده است ، مربوط به زاسک و کراوز است. آنها یک مدل 15 المانی برای تحلیل سیستم گردش خون ارایه کرده اند که یک سیستم هیدرولیکی است و بازده پمپهای قلب (بای پس) اندازه گیری و بررسی شده است. بر این اساس یک مدل عددی که سیستم گردش خون را به صورت ساده و کامل بیان کند ابداع شد. البته گرچه در ابتدا مدل از لحاظ پایداری عددی دچار مشکل بود ولی توسط مکانیسم های مکانیکی خاص این نقص برطرف شد.

شبیه سازی آنالوگی با استفاده از مدارات الکتریکی از اواخر دهه 70 میلادی در مورد سیستم گردش خون آغاز و امروزه این نوع مدل سازی نقش اساسی در بیان فیزیولوژی سیستم ایفا می کند. روپنیک در سال 2000 مدل نسبتا کاملی از سیستم گردش خون در حالت کارکرد دایم و گذرا با استفاده از مدار معادل برقی ارایه کرد. طی سالهای 2001 تا 2004 نیز مدلهای مشابهی توسط نیبت و پودنار ارایه شده است .