‏قلب و عروق : تخصص مهندسی مکانیک

امروزه میزان مرگ و میر ناشی از بیماریهای غیر واگیر به‌ویژه بیماریهای قلبی-عروقی در كشورهای جهان به‌خصوص كشورهای در حال توسعه در حال افزایش است. عوامل خطرزا همواره شاخص‌های وضعیت سلامت در آینده است و ۵ خطر از ۱۰ خطری كه در سراسر جهان در صدر قرار دارد، مختص بیماریهای غیرواگیر است. این خطرها عبارتند از بالا رفتن فشار خون، مصرف سیگار، مصرف الكل، كلسترول و چاقی.‏
در دنیای امروز اكثر آمار مرگ و میر را می‌توان به بیماریهای غیر واگیر نسبت داد. نیمی از این تعداد (۶/۱۶ میلیون مورد) به دنبال بیماریهای قلبی - عروقی روی می‌دهد كه گزارش سازمان بهداشت جهانی ‏WHO)‎‏ ) در این زمینه قابل تعمق است:‏
▪ بیماری‌های قلبی - عروقی باعث ۳۰ درصد از مرگ‌و‌میرهای جهان (۶/۱۶ میلیون نفر) در سال ۲۰۰۱ بوده است،
▪ حدود ۸۰ درصد از مرگ و میرهای ناشی از بیماری‌های قلبی ‏- عروقی در كشورهای كم درآمد یا با درآمد متوسط رخ می‌دهد،
▪ در سال ۲۰۱۰ بیماری‌های قلبی ‏- عروقی عامل اصلی مرگ و میر و در كشورهای در حال توسعه خواهد بود،
▪ هر ساله حداقل ۲۰ میلیون نفر از حملات قلبی و سكته‌های مغزی جان سالم به در می‌برند كه نیازمند مراقبت‌های‏ پزشكی مداوم و پرهزینه است و
▪ بیماری‌های قلبی ‏- عروقی به شرایط جغرافیایی، اقتصادی، اجتماعی و جنیست ارتباط ندارد.‏
عمده ‌ترین بیماری‌های قلبی و عروقی عبارت است از:‏
▪ بیماریهای عروق كرونر (یا ایسكمی) و حمله قلبی،
▪ بیماریهای عروق مغز (سكته مغزی)،
▪ پرفشاری خون (بالا بودن فشار خون)،
▪ نارسایی قلبی‏ و ‏
▪ بیماریهای رماتیسم قلبی‏.‏
از ۶/۱۶ میلیون مورد مرگ ناشی از بیماریهای قلبی - عروقی در سال، ۲/۷ میلیون به بیماری ایسكمی قلبی، ۵/۵ میلیون به بیماری عروق مغزی، ۶/۳ میلیون به پرفشاری خون و سایر بیماری‌های قلبی مربوط می‌شود.‏
در كشورهای در حال توسعه بیماریهای قلبی و سكته مغزی به ترتیب اولین و دومین علت اصلی مرگ در میان زنان و مردان بزرگسال به شمار می‌رود. این گزارش‌‌ها تازگی ندارد و دیگر باعث شگفتی نمی‌شود. با این حال شگفت‌آور است كه بدانیم در برخی از كشورهای در حال توسعه بیماریهای قلبی - عروقی دلیل یك سوم از كلیه آمار مرگ و میر.‏
از آنجا كه این پدیدهٔ نامطلوب گریبان‌گیر تمام جوامع بشری و كشور خودمان نیز هست و با عنایت به توضیحات ارایه شده، نیاز به بررسی‌های علمی و بنیادی در مورد این عضو حساس و شناخت هر چه بهتر آن برای داشتن آگاهی بیشتر و نگاهی منطقی‌تر به منظور پیداكردن راهكارهای مناسب‌تری برای پیشگیری، درمان و مراقبت بهتر، به منظور حفظ حیات و سلامت انسانها شدیداً احساس می‌گردد. ‏
البته محققان اعم از پزشكان و مهندسان بیكار ننشسته‌اند و تاكنون مطالعات فراوانی را در مورد بیماریهای قلب و عروق انجام داده‌اند كه نتایج آنها منجر به پیدا كردن راههای شناخت بهتر و در نتیجه عملكرد بهتر در پیشگیری و درمان گردیده است.‏
تحقیقات انجام شده در زمینه های متعددی صورت پذیرفته است كه بی اغراق علم مهندسی مكانیك كه در زمینه پزشكی از آن به‌عنوان مهندسی پزشكی باید یاد كرد نقشی غیر قابل انكار دارد .
● قلب؛ ارگان حیاتی بدن
قلب عضو مهمی است كه از دیرباز مورد توجه بشر بوده است. قلب عضو عضلانی توخالی و مخروطی شكل است كه قاعده آن در بالا و نوك آن در پایین و كمی مایل به طرف چپ قرار دارد. وزن قلب در مردان بالغ حدود ۳۱۰ گرم و در زنان حدود ۲۵۵ گرم است یا این‌كه قلب از نظر اندازه در حد مشت بسته انسان است.
قلب در بین ششها و در مدیا ستینوم و پشت جسم استرنوم بین نقطه اتصال دنده دوم تا ششم از جلو قرار دارد و از پشت، قلب در محدوده بین مهره پنجم تا مهره هشتم توراسیك قرار دارد. تقریباً دو سوم قلب در سمت چپ خط وسط استرنوم قرار دارد و فقط یك سوم آن در سمت راست خط وسط قرار دارد.‏
قلب پمپ یا تلمبه‌ای است كه خون را در بدن به گردش در می‌آورد. قلب در حقیقت از دو پمپ تشكیل شده است یكی قلب چپ كه خون بازگشتی از ریه‌ها را به بافتها می‌رساند (گردش خون بزرگ یا سیستمیك) و دیگری قلب راست كه خون بازگشتی از بافتها را به ریه‌ها می‌رساند (گردش خون كوچك یا ریوی). خون قلب چپ كه دارای اكسیژن است به داخل آئورت ریخته می‌شود و از آنجا از طریق آرتری و آرتویولها به داخل مویرگها هدایت می‌شود. خون هنگام عبور از مویرگهای بافتی اكسیژن خود را از دست می‌دهد و به رنگ تیره در می‌آید این خون تیره به قلب راست باز می‌گردد و بطن راست آن را از شریانهای ریوی به ریه‌ها می‌فرستد در ریه‌ها خون اكسیژن می‌گیرد و رنگش مجدداً به قرمز روشن تبدیل می‌گردد خون روشن توسط وریدهای ریوی به قلب چپ مراجعت می‌كند.
اعمال دستگاه گردش خون عبارت است از:‏
۱) حمل مواد غذایی و اكسیژن به بافت‌ها،
۲) حمل فرآورده‌های زاید به خارج از بافت‌ها،
۳) رساندن هورمون‌ها از یك قسمت به قسمت دیگر،
۴) تنظیم دمای بدن‏ و ‏
۵) ایجاد غلظت یونی مناسب‏.‏
در اینجا دو نكته حایز اهمیت است:‏
بیشترین مقدار حجم خون در وریدها جای دارد و ‏
بیشترین سطح مقطع مجموع رگ‌ها مربوط به مویرگ‌ها است.‏
در هر دو گردش خون بزرگ و ریوی هر چه از شریان‌ها به وریدها نزدیك شویم، فشار خون كم می‌شود و به طوری كه در آئورت، فشار سیستولیك ۱۲۰ میلی‌متر جیوه و فشار دیاستولیك ۸۰ میلی‌متر جیوه است در حالی كه در مویرگهای سیستمیك، فشار انتهای آرتریول ۳۵ میلی‌متر جیوه و فشار انتهای ونول ۱۰ میلی‌متر جیوه است. همچنین در سرخرگ‌های ریوی، فشار سیستولیك ۲۵ میلی‌متر جیوه و فشار دیاستولیك ۸ میلی‌متر جیوه است در حالی كه در مویرگ‌های ریوی فشار ۷ میلی‌متر جیوه گزارش شده است.‏
سه اصل زیر بر تمام اعمال سیستم گردش خون، حاكم است:‏
۱) جریان خون موضعی بافت متناسب با نیازهای بافت كنترل می‌شود،
۲) برون ده قلبی توسط مجموع جریان خون‌های موضعی بافت‌ها كنترل می‌شود و‏
۳) فشار شریانی، مستقل از جریان خون موضعی و برون ده قلبی است و توسط رفلكس‌های عصبی و كلیه‌ها كنترل می‌شود.
● گردش خون كرونری
دو شریان عمده كرونر راست و چپ وظیفه خون رسانی به قلب را بر عهده دارد. این شریان‌ها از سینوسهای والسالوا در ابتدای آئورت جدا شده و روی سطح اپی كارد قلب قرار گرفته و شاخه‌هایی از آنها جدا می‌شود. در اكثر موارد شریان كرونر چپ دارای قطر بیشتری بوده و نواحی بیشتری از قلب را خون رسانی می‌كند.
بیماریهای شریان كرونر ‏
CAD‏ (بیماری شریان كرونر) عمدتاً شامل بیماری آنژرین صدری و آنفاركتوس قلبی است كه به آنها بیماریهای ایسكمیك قلب ‏‎(IHD)‎‏ نیز گفته می‌شود.
دلیل بروز آن را به صورت زیر خلاصه می‌كنند:‏
۱) آترواسكلروزیس ‎(Atherosclerosis)‎،
۲) ترومبوزیس ‎(Thrombosis)‎‏ و ‏
۳) اسپاسم و آنوریسم كرونر.‏
با توجه به اینكه آترواسكلروز مهمترین و شایعترین علت ‏CAD‏ است، اشاره مختصری به آن می‌شود.‏
Atherosclerosis، ك اختلال عمومی در شریانها است كه به‌وسیله تشكیل پلاكهای زرد رنگ از كلسترول، چربی‌ها و نخاله‌های سلولی در لایه داخلی دیواره شریانهای بزرگ و متوسط مشخص می‌شود. با تشكیل پلاك دیواره شریان ضخیم، فیبروتیك و كلسیفیه و لُوْمن عروق تنگ می‌شود. در نتیجه گردش در ارگانها كاهش می‌یابد. ضایعه آترومی بزرگترین علت ‏CAD، آنژین پكتوری، ‏MI‏ و سایر بیماری‌های قلبی است.
پاتولوژی آترواسكلروز به روشنی مشخص نیست. اما ممكن است به علت ترومای دیواره شریانها به‌وجود آید یا به‌ علت پرولیفراسیون ‏‎(Proliferation)‎‏ عضلات صاف در دیواره عروق باشد یا به‌علت تجمع چربی در هیپرلیپیدمی در تغذیه سرشار از مواد چربی و با نقص ژنتیك ایجاد كننده هیپرلیپدمی باشد. آترواسكلروز معمولاً با افزایش سن، چاقی، فشار خون بالا و امراض قندی همراه است.
آنژین صدری یك نشانه كلاسیك ‏CAD‏ است. آنژین یك احساس ادراك شده‌ای است كه به علت كاهش عرضه اكسیژن به عضله میوكارد بوجود می‌آید. آنژین معمولاً وقتی بروز می‌كند كه میزان انسداد شراین كرونر تا حد ۷۵% قطر كرونر یا بیشتر از آن رسیده باشد.
برای تشخیص بیماریهای عروق كرونر اعمال و روشهای مختلفی وجود دارد كه می‌تواند بر حسب معیارهای مختلفی تقسیم بندی شود:‏
‏۱) تهاجمی و غیر تهاجمی بودن
▪ تهاجمی: آنژیو، CT، ...
▪ غیر تهاجمی: اكو، MRI
۲) بر اساس عامل موثر در ایجاد تصویر
▪ اشعه x‏: آنژیو، ‏CT‏ و ...
▪ پوزیترون: Spect، ‏PET‏ و ...‏
▪ میدان مغناطیسی: MRI‏ و ...‏
▪ صوت: اكو و ...
۳) تقسیم‌بندی بر اساس تعداد بعد داده‌ها (مجسم نمایی)
▪ یك بعدی: سینگالهای جمع‏‌آوری شده در حوزه زمانی یا مكانی مانند ‏ECG، ‏EEG‏ و ...
▪ دو بعدی: سیگنالهای جمع‌آوری شده از مكان یا تلفیق مكان و زمان:‌آنژیوگرافی
▪ سه بعدی: تصاویر ۲ بعدی كه در زمانهای مختلف از یك شیء گرفته می‌شود و یا تصاویر حجمی مقطعی كه از یك شیء استاتیك جمع‌آوری می‌گردد (‏CT-Scan‏).‏
▪ چهار بعدی: تصاویر حجمی مقطعی‏ كه از یك شیء متحرك گرفته می‌شود(‏fMRI‏)‏
▪ جهت محاسبه مشخصه‌های مكانیكی جریان خون در رگ روشهای تهاجمی و غیر تهاجمی مختلفی وجود دارد البته بدون شك روشهای غیر تهاجمی به مراتب كم خطر تر است اما در بعضی مواقع و برای دستیابی به دقت قابل قبول، روشهای تهاجمی تنها راه ممكن است.‏
از روشهای غیر تهاجمی می‌توان استفاده از امواج التراسوند و دستگاه اكو و بهرمندی از اثر داپلررا یاد كرد.‏● اندازه‌گیری حجم در جریان
حجم در جریان، میزان خون در حال حركت از درون رگ را در واحد زمان مشخص می‌كند. برآورد این حجم عموماً از اندازه‌گیری‌های توزیع سرعت و سطح مقطع رگ مورد بررسی به‌دست می‌آید. توزیع سرعت، جهت دستیابی به سرعت میانگین، تحلیل می‌شود. حاصل ضرب سرعت میانگین و سطح مقطع رگ مورد بررسی، حجم در جریان را نشان می‌دهد. همه سرعت‌های موجود باید در محاسبه سرعت میانگین جهت دستیابی به یك برآورد صحیح از حجم در جریان لحاظ شود.‏
محاسبه فشار برای جریان خون
دینامیك جریان خون عبوری از شریان‌ها بسیار پیچیده است. مطابق قوانین حركت نیوتن هر جا سیال در معرض تغییر مومنتم است به دلیل آشكار شدن گرادیان فشار، نیروها پیچیده‌تر می‌شود. در مطالعات كاردیولوژی از معادله برنولی جهت تخمین زدن اختلاف فشار جریان خون عبوری از شریان‌ها با استفاده از داده‌های سرعت كه به‌وسیله اولتراسوند داپلر به‌ دست آمده‌ است، استفاده می‌شود. بسط‌های این روش‌ها برای موقعیت‌های دیگر به علت غیر قابل اجرا بودن معادله برنولی برای جریان، ضربانی، محدود می‌شود. یعنی برای عروق كرونر مناسب نیست و معمولاً در مورد شریان كاروتید استفاده می‌شود. اما با وجود این محدودیت‌ها می‌توان مسأله را از طریق حل معادلات "ناویر استوكس" جواب داد.
معادلات "ناویراستوكس" با توجه به پایداری موضوع در یك حجم كنترل به دست می‌آید این معادلات در حقیقت نشان دهنده ارتباط بین ممان‌های نیروهای فشاری و اینرسی گذرا و همرفتی و مقاومت ویسكوز است. با توجه به معادلات "ناویراستوكس" می‌توان گرادیان فشار را مستقیماً از داده‌های سرعت به دست آورد سپس با یك انتگرال‌گیری در طول یك مسیر دلخواه می‌توان فشار نسبی را محاسبه كرد. البته فشار بدست آمده وابسته به مسیر انتگرال‌گیری است. روش مناسب‌تر برای حل این مساله مشتق‌گیری هم جهت از معادلات "ناویر استوكس" و به‌دست آوردن لاپلاسین فشار است كه با حل معادله لاپلاسین توزیع فشار نهایی بدست می‌آید.‏
●‏ معادلات حاكم بر جریان خون
معادلات پیوستگی و ممومنتم كه برای تحلیل مشخصات جریان غیر قابل تراكم و در حالت نیوتنی و یا غیر نیوتنی استفاده می‌شوند عبارتند از:‏
خاصیت رئولوژیك خون از این لحاظ كه ترم ویسكوزیته آن ثابت نیست با یك سیال نیوتنی
تفاوت می‌كند. معادلات حاكم در مورد یك سیال نیوتنی ایزوتروپیك و غیر قابل تراكم با معادله زیر نشان داده می‌شود.كه در آندر فرمولهایی كه در بالا بیان شد هر یك از جملات به صورت زیر قابل تعریف است:
▪ برابر است با تانسور تنش، برابر است با نرخ تانسور كرنش.‏
▪ برابر است با مؤلفه‌های سرعت، برابر است با دلتای كرونیكر یا تانسور ایزوتروپیك
▪ P‏ معادل است با فشار هیدرواستاتیك و نیز معرف ضریب ویسكوزیته است.‏
اما در مورد سیالات غیر نیوتنی در حالت كلی ‏Fung‏ ویسكوزیته خون را بصورت تابعی از مشتق دوم تانسور نرخ برش به صورت زیر تعریف كرده است:
بر اساس این تعریف تانسور تنش به صورت زیر تغییر می‌یابد:
برای جریانهای برشی ساده در حالت دو بعدی نرخ برش بر پایه اطلاعات تجربی به صورت ‏زیر تعریف می‌شود:‏
شایان ذكر است كه برای خون مدل‌های مختلفی معرفی گردیده و در هر مدل‏ به فرم خاصی تعریف شده است.
معادله مومنتم برای یك سیال غیر نیوتنی به صورت ذیل بیان می‌شود:
تغییرات تنش برش بر دیواره میزان نیروی مماسی بر دیواره عروق را بیان می‌كند .عدد رینولدز یكی از اعداد بی‌بعد بوده و برای مشخص شدن رژیم جریان سیال از آن استفاده می‌كنند ‏كه نسبت نیروهای اینرسی به نیروهال لزجی است.‏
در سیالات نیوتنی به صورت روبرو تعریف می‌شود:‏
ر سیالات غیر نیوتنی مانند خون به این شكل تعریف می‌شود:
كه در آن ‏n‏= شاخص رفتار سیال‏
k‏ = ضریب سختی ‏
كه برای مدل‌های مختلف خون ‏n‏ متفاوت است.‏
حال با بهره گیری از علم سیالات و مدل كردن عروق و جریان سیال در آن و تحلیل عددی (‏CFD‏ ) به منظور حل معادلات حاكم بر سیال در جهات مختلف می توان به توزیع تنش، فشار، سرعت، دما و ... در عروق كرونر پرداخت و بدین‌سان با محیطی كه با آن مواجه هستیم از نظر علمی و مهندسی به خوبی آشنا شده و بهترین طراحی و تمهیدات ممكن را جهت ساخت ابزار و هر عملی كه بتواند در بهبود، پیشگیری و درمان این نوع عارضه ها مناسب‌تر عمل كند را صورت داد و از نتایج این قبیل تحقیقات می‌توان به طراحی استنت‌ها، كویل ها و ارائه پیشنهادات و تكنیك های جدید جهت درمان مانند روش ‏EECP‏ (درمان غیرتهاجمی عروق كرونر) و غیره اشاره كرد.‏

نویسنده: دكتر مهدی نوید بخش عضو هیأت علمی دانشگاه علم و صنعت ایران
منبع
‎]‎‏۱‏‎[‎بررسی روش تحلیل جریان غیر نیوتنی كرونری با هندسه واقعی به روش عددی، سمینار كارشناسی ارشد دانشگاه علم و صنعت ایران، دانشكده مهندسی مكانیك بهار۱۳۸۵
تحلیل تنش بر روی استنت در رگ
نمونه‌هایی از استنت
شبیه‌سازی و مش‌بندی یك رگ
استنت‌گذاری برای عارضه آنوریسم
نمونه‌ای از یك كویل
نمونه‌هایی از درمان گرفتگی

منبع : مجله مهندسی پزشکی و تجهیزات آزمایشگاهی