Choroby układu krążenia stanowią największy problem

Nr wniosku: 159115, nr raportu: 5779. Kierownik (z rap.): mgr inż. Aleksandra Jakubowicz
Choroby układu krążenia stanowią największy problem współczesnej medycyny i są główną przyczyną
zgonów w Polsce i na świecie. W wielu przypadkach możliwe jest ich leczenie lub wspomaganie pracy
układu krwionośnego. Takie możliwości daje wykorzystanie urządzenia wspomagającego czynność komór
serca lub stentow. Proces ich korzystania obarczony jest niekorzystnymi zjawiskami zachodzącymi podczas
przepływu krwi. Do głównych należą wykrzepianie krwi, przez co powstaje skrzep oraz hemoliza polegająca
na niszczeniu krwinek czerwonych wskutek fragmentacji, kolizji i gwałtownych zmian prędkości przepływu.
W celu uniknięcia kosztownych, czasochłonnych oraz niebezpiecznych dla zdrowia testów możliwe jest
użycie symulacji komputerowych. Celem projektu było stworzenie narzędzia opisującego proces przepływu
krwi na poziomie mikro skali a przez to wspomaganie projektowania zastępczych lub wspomagających
części układu krwionośnego.
Innowacyjność zaproponowanego rozwiązania polega na uwzględnieniu złożonej natury krwi. Symulacje
uwzględniają obecność krwinek czerwonych w przepływie. Dzięki temu możliwe jest nie tylko badanie
deformacji erytrocytów, ale także uwzględnienie ich roli w procesie tworzenia skrzepów. Uzyskiwany
zestaw informacji z pojedynczej symulacji jest, zatem znacznie szerszy niż dostępne obecnie rozwiązania.
Dzięki temu możliwe jest lepsze dostosowanie badanych części w znacznie krótszym czasie.
Stworzony program komputerowy ma budowę modułową, przez co może być łatwo dostosowany do potrzeb
symulacji. Poszczególne moduły komunikują się ze sobą w celu stworzenia jak najbardziej wiernemu
rzeczywistością przepływu krwi i procesach z nim związanych. Badania koncentrują się na trzech
podstawowych obszarach: przepływie plazmy, deformacji krwinek czerwonych oraz na procesie tworzenia
się skrzepu. Każdy z obszarów działa niezależnie w oparciu o warunki, które wynikają z działania
pozostałych metod. Przepływ plazmy symulowany jest za pomocą metody gazu siatkowego Boltzmanna.
Jedną z największych zalet metody jest lokalność obliczeń, która powoduje, że doskonale sprawdza się w
architektach równoległych. Deformacja krwinek czerwonych opiera się na znalezieniu optymalnego kształtu,
który minimalizuje energie zmagazynowana w membranie, za pomocą metody powiazań spektryny. W
wyniku działania programu można uzyskać informacje o procencie krwinek, które uległy zniszczeniu w
skutek zbyt wysokich naprezeń. Proces, w jaki powstaje skrzep został opisany w oparciu o model
matematyczny oparty o idee kaskady krzepnięcia.
Przykładowy wynik symulacji dla przepływu przez tętniak zaprezentowany jest na Rys.1. Widoczne jest na
nim nie tylko rozkład prędkości uzyskiwany w naczyniu (czerwony kolor dla wysokich prędkości a niebieski
dla niskich), ale także obecność krwinek czerwonych (pozycja zaznaczona jest czerwonymi punktami) oraz
pozycja skrzepu (czarny obszar). Badania obejmują, zatem różne skale czasowe: kilku sekund dla
przypadku deformacji krwinek oraz tygodni lub miesięcy w przypadku powstawania skrzepu. Wyniki te
mogą być wykorzystane do uzasadnienia umieszczenia stentu.
Rysunek 1 Przepływ krwi przez tętniak dla testowej geometrii biblioteki Palabos.