Новости

May 27, 2023

Машинное обучение, основанное на вычислительной гидродинамике, позволяет оптимизировать геометрическую конструкцию лопастей NeoVAD.

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 7183 (2023) Ссылаться на эту статью 2709 Доступов 2 Подробности об альтернативных метриках NeoVAD — это предлагаемое педиатрическое вспомогательное устройство для левого желудочка с аксиальным потоком.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7183 (2023) Цитировать эту статью

2709 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

NeoVAD — это предлагаемое педиатрическое вспомогательное устройство для левого желудочка с осевым потоком (LVAD), достаточно маленькое, чтобы его можно было имплантировать младенцам. Конструкция лопастей рабочего колеса и диффузора важна для гидродинамических характеристик и гемосовместимости насоса. Это исследование было направлено на оптимизацию лопастей для повышения эффективности насоса с использованием вычислительной гидродинамики (CFD), машинного обучения и глобальной оптимизации. Сетка каждой конструкции обычно включала 6 миллионов шестигранных элементов, а для замыкания усредненных уравнений Рейнольдса Навье – Стокса использовалась модель турбулентности переноса сдвигового напряжения. CFD-модели 32 базовых геометрий, работающих при 8 скоростях потока от 0,5 до 4 л/мин, были созданы для соответствия экспериментальным исследованиям. Они были подтверждены путем сравнения кривых давления-расхода и эффективности-расхода с экспериментально измеренными для всех базовых прототипов насосов. Требовалась суррогатная модель, чтобы позволить процедуре оптимизации проводить эффективный поиск; мультилинейная регрессия, гауссовская регрессия процессов и байесовская регуляризованная искусственная нейронная сеть предсказали цель оптимизации в расчетных точках, которые не моделировались явно. Для поиска оптимальной конструкции использовался генетический алгоритм. Оптимизированная конструкция обеспечила повышение эффективности на 5,51 % в расчетной точке (увеличение производительности на 20,9 %) по сравнению с насосом с лучшей производительностью из 32 базовых конструкций. Было показано, что метод оптимизации конструкции лопастей LVAD работает для одной целевой функции, и в будущих работах будет рассмотрена многокритериальная оптимизация.

Случаи сердечной недостаточности у детей вследствие врожденного порока сердца (ВПС) составляют от 1 до 2 случаев на 1000 рождений. Эти пациенты нуждаются в трансплантации сердца, однако количество доступных донорских сердец недостаточно для удовлетворения этой потребности1,2,3. Вспомогательные устройства левого желудочка (LVAD) могут поддерживать жизнь пациентов в ожидании нового сердца — так называемая терапия «мост к трансплантации».

Все существующие варианты LVAD для педиатрических пациентов имеют серьезные ограничения. Berlin Heart EXCOR — это экстракорпоральный VAD с пневматическим приводом и пульсирующим потоком; хотя он разработан специально для педиатрических пациентов, он по-прежнему имеет 20–30% риск неврологических осложнений, главным образом, из-за образования тромбов на клапанах4,5,6. PediMag — это экстракорпоральный центробежный VAD на магнитной подвеске, который одобрен для использования только до 6 часов и связан как с инфекциями, так и с неврологическими событиями7,8,9. Альтернативным текущим решением является перепрофилирование существующего LVAD, предназначенного для взрослых: HeartMate II и HVAD использовались таким образом, а в 2020 году HeartMate 3 был одобрен для педиатрических пациентов и в настоящее время используется наиболее часто6,10,11. Поскольку эти насосы были разработаны для взрослых с большим сердечным выбросом, любая операция с более низкой скоростью потока и напором, необходимая педиатрическим пациентам, предполагает снижение рабочей скорости, в результате чего устройство работает не по расчету, что приводит к увеличению времени пребывания в крови. застой крови и тромбоз1,3,12. Из-за размера устройства HeartMate 3 имплантируется только детям с площадью поверхности тела более 0,78 м\(^2\) (19,1 кг), тогда как минимальный BSA составляет около 0,6 м\(^2\) ( 13,1 кг) для HVAD11,13. Ограничения по размеру означают, что пациентам меньшего размера необходимо иметь устройство, расположенное экстракорпорально, что всегда представляет риск заражения.

NeoVAD — это предлагаемое педиатрическое вспомогательное устройство для левого желудочка, достаточно маленькое, чтобы его можно было имплантировать младенцам весом от 5 до 20 кг. Пациенты весом менее 5 кг в целом представляют собой большую проблему для поддержки LVAD, и использование устройств непрерывного потока для этих пациентов недостаточно изучено3. Учитывая дополнительную сложность полной имплантации, NeoVAD не разрабатывается специально для пациентов с размером тела меньше этого предела. Потребность в полностью имплантируемом LVAD, разработанном специально для педиатрических пациентов, является острой, и цель NeoVAD — обеспечить безопасную, долгосрочную терапию «переход к трансплантации», отвечающую этой конкретной потребности.