Información completa y detallada sobre la biomecánica del sistema cardiovascular

Introducción, investigación biológica, modelado biomecánico, introducción La investigación biomecánica sobre el sistema cardiovascular incluye principalmente dos aspectos: uno es la investigación sobre mecanobiología cardiovascular. Aclarar cómo los factores mecánicos producen efectos biológicos que conducen a la reconstrucción vascular, estudiar las vías de transducción de señales cardiovasculares y las vías de regulación mecánica, y obtener una comprensión profunda de la naturaleza de la actividad cardiovascular y la aparición de enfermedades desde los niveles celular y molecular. basado en imágenes clínicas, modelado biomecánico e investigación de diseño quirúrgico individualizado. Aplicar la teoría de la mecánica de fluidos, combinada con imágenes médicas y tecnología avanzada de pruebas de campo de flujo, para realizar modelos cardiovasculares y análisis cuantitativos, estudiar nuevas tecnologías de detección no invasivas de la función vascular y el diseño de sistemas de tratamiento individualizados, para proporcionar diagnóstico, tratamiento y alerta temprana. de enfermedades cardiovasculares. Aportar soluciones biomecánicas. El cuerpo humano se encuentra en un entorno mecánico y los factores mecánicos afectan los procesos de actividad vital en todos los niveles del cuerpo. El sistema cardiovascular puede considerarse como un sistema mecánico centrado en el corazón (bomba mecánica). El proceso de circulación sanguínea incluye el flujo sanguíneo, la deformación de las células sanguíneas y los vasos sanguíneos, la interacción entre la sangre y los vasos sanguíneos, etc., todo lo cual contiene ricas leyes mecánicas. Obviamente, los factores mecánicos tienen el efecto más directo y obvio sobre los procesos fisiológicos y patológicos del sistema cardiovascular humano. La investigación biológica sobre mecanobiología del sistema cardiovascular explora de manera integral la relación "estrés-crecimiento" de los vasos sanguíneos de diferentes niveles de genes-proteínas-células-órganos-todo. Tomando la reconstrucción vascular como punto de partida, se centra en el efecto del entorno mecánico. en el sistema cardiovascular, dilucidar cómo los factores mecánicos producen efectos biológicos (es decir, cambios en las sustancias vasoactivas) que conducen a la reconstrucción vascular, estudiar las vías de transducción de señales cardiovasculares y las vías de regulación mecánica, la función de los polipéptidos vasoactivos y sus mecanismos de regulación de la red molecular; factores Posibles dianas farmacológicas o biomarcadores de efectos cardiovasculares. Una comprensión profunda de la naturaleza de la actividad cardiovascular y la aparición de enfermedades desde el nivel celular y molecular sentará una base mecanobiológica para buscar nuevas formas de prevenir y tratar las enfermedades cardiovasculares. 1. La respuesta de las células del músculo liso y las células endoteliales al estrés mecánico. Las células del músculo liso vascular (VSMC) y las células endoteliales (CE) son los principales componentes celulares de la pared de los vasos sanguíneos y desempeñan un papel importante en la fisiología y patología de la sangre. Los buques juegan un papel muy importante en las actividades. La superficie luminal de las CE está en contacto directo con el flujo sanguíneo y se ve afectada por la tensión de corte del líquido. Su superficie basal está adyacente a las VSMC y las CE interactúan funcionalmente entre sí para mantener la estabilidad de la función de la pared de los vasos sanguíneos. El comportamiento biológico de las células de la pared de los vasos sanguíneos se ve afectado por una variedad de factores internos y externos, como la biología, la química y la física. Entre ellos, la influencia de los factores mecánicos y sus mecanismos mecanobiológicos son cuestiones científicas importantes que aún deben explorarse. profundidad. Los estudios clínicos han demostrado que la aterosclerosis en el cuerpo ocurre a menudo cuando los vasos sanguíneos se bifurcan y doblan. El flujo sanguíneo en estas partes es bajo o turbulento, es decir, flujo turbulento. El área de flujo perturbado en la bifurcación de los vasos sanguíneos tiene las características de un esfuerzo cortante de la pared más bajo, un gradiente de esfuerzo cortante de la pared más alto y una oscilación del esfuerzo cortante de la pared con el tiempo. Factores como la magnitud, la pulsatilidad, el tiempo y el gradiente de tensión de corte desempeñan un papel importante en la aparición y desarrollo de enfermedades cardiovasculares como la aterosclerosis. Se han realizado muchos estudios sobre los efectos del estrés cortante bajo y el estrés cortante oscilante en las CE, pero el efecto del gradiente de tensión cortante en las CE aún no se ha explorado. 2. Reconstrucción vascular bajo tensión de cizallamiento La función principal del sistema vascular es transportar sangre desde el corazón a diversas partes del cuerpo. Por lo general, la pared del vaso sanguíneo debe resistir la fuerza ejercida por la sangre que fluye sobre la pared del vaso sanguíneo y generar las respuestas adaptativas correspondientes a este entorno hemodinámico. Para ello, las arterias deben tener la capacidad de adaptarse a diversos entornos mecánicos y realizar cambios adaptativos cuando cambia el entorno mecánico. Langillet señaló una vez que debido a diferentes actividades fisiológicas y entornos ***. La presión y el flujo sanguíneo y su distribución cambian constantemente y, en general, se considera que la estructura del sistema vascular es bastante estable. Pero esta estabilidad sólo puede mantenerse durante un corto período de tiempo, después del cual el sistema circulatorio puede reconstruir su estructura. Por ejemplo, los aumentos de la presión arterial media y pulsátil en las arterias provocarán un engrosamiento adaptativo y cambios en la composición de la pared arterial. Otro ejemplo es cuando aumenta el flujo de sangre a través de las arterias en ciertas partes del cuerpo, las arterias allí se expandirán para reducir la resistencia que encuentra la sangre al pasar. Si esta reducción de la resistencia continúa durante un período de tiempo considerable, el diámetro interno de la arteria aumentará.

De los ejemplos anteriores se puede ver que para completar eficazmente la función de transportar sangre, la respuesta de las arterias a los cambios en el entorno mecánico es obvia. De hecho, el sistema cardiovascular como órgano completo puede responder no sólo a cambios repentinos a corto plazo, sino también a cambios crónicos en su función causados ​​por cambios estructurales a largo plazo. Esta respuesta adaptativa de las arterias a menudo se denomina remodelación vascular. Entre los factores que causan la reconstrucción vascular, juega un papel importante la tensión de cizallamiento ejercida por el flujo sanguíneo viscoso en la pared de los vasos sanguíneos. El modelado biomecánico está estrechamente integrado con la práctica clínica. El modelado biomecánico cardiovascular y la investigación de diseño quirúrgico personalizado basado en casos clínicos (imágenes) aplican la teoría de la mecánica de fluidos, la bioinformática de sistemas y la teoría de control, combinadas con pruebas de campo de flujo avanzadas y tecnología de imágenes médicas. Experimentos microscópicos con animales con modelos mecánicos y simulaciones numéricas, estudiando la relación entre la hemodinámica y los factores mecánicos de los principales vasos sanguíneos del cuerpo humano y los efectos biológicos del tejido vascular, y combinando el modelado del sistema cardiovascular con análisis cuantitativos, establecen nuevos experimentos no precisos y estandarizados. tecnología invasiva de detección y análisis de la función cardiovascular, así como un sistema de diseño biomecánico para planes de tratamiento individualizados, para proporcionar soluciones biomecánicas para el diagnóstico, tratamiento y alerta temprana de enfermedades cardiovasculares clínicas. 1. Propiedades mecánicas de los vasos sanguíneos Las principales sustancias que actualmente se sabe que afectan el comportamiento mecánico de los vasos sanguíneos son las fibras elásticas (proteicas), las fibras de colágeno (proteicas) y el músculo liso. El módulo de Young de la fibra elástica es pequeño, (3-6) × 10 dyn/cm, la resistencia a la tracción es baja, el área del bucle de histéresis de la curva tensión-deformación es pequeña y la relajación de la tensión no es obvia, lo cual es muy cerca de un elastómero completo. La elasticidad de los vasos sanguíneos la proporcionan principalmente fibras elásticas. El módulo elástico de las fibras de colágeno es muy alto, hasta 10 dinas/cm2, y la resistencia a la tracción es muy alta. Los fenómenos de bucle de histéresis y relajación de tensiones son más importantes que los de las fibras elásticas. Las fibras de colágeno son las principales portadoras de carga en los vasos sanguíneos. Sin él, los vasos sanguíneos no pueden soportar la intensa presión en las arterias. El área del bucle de histéresis del músculo liso es grande, la relajación del estrés del músculo liso es muy significativa y la relajación del estrés puede tender a cero. El músculo liso también tiene una característica importante. Cuando se estira hacia la vagina, se contraerá activamente y producirá mucha tensión, que puede alcanzar más de 10 dyn/cm (la contracción activa es la principal función fisiológica del músculo liso). Las propiedades mecánicas de los vasos sanguíneos no sólo dependen de sus componentes y del contenido de cada componente. Depende más de su estructura y estructura celular. Sin embargo, es difícil medir cuantitativamente el impacto de la estructura celular en sus propiedades mecánicas. Figura 1 Diagrama esquemático de la estructura en capas de los vasos sanguíneos arteriales. Los vasos sanguíneos son materiales compuestos vivos con estructuras complejas y viscoelásticos. Las propiedades reológicas son extremadamente complejas. Actualmente no existe una ecuación constitutiva precisa y completa que lo describa. Por lo tanto, al estudiar problemas específicos, debemos aclarar qué propiedades de los vasos sanguíneos están relacionadas con el problema en estudio, para lograr el propósito de simplificar el modelo. Dado que el flujo sanguíneo y el movimiento de la pared del vaso sanguíneo están acoplados, no basta con estudiar la geometría y la estructura del tejido del vaso sanguíneo; también es necesario comprender las características reológicas y las reglas de movimiento de la pared del vaso sanguíneo. Debido a que el acoplamiento entre el flujo sanguíneo y el movimiento de la pared de los vasos sanguíneos es muy complejo, la mayoría de los estudios hemodinámicos actuales suponen que los vasos sanguíneos son tubos rígidos. Esta suposición sólo es posible en ciertos problemas. Pero la mayoría de los problemas, especialmente los de los vasos sanguíneos grandes, provocarán grandes errores. 2. Investigación en hemodinámica En la década de 1950, Karreman, Morgan, Kiely, Ferranti y Womersley utilizaron métodos de mecánica de fluidos para realizar un análisis más detallado del flujo sanguíneo en los vasos arteriales. Desde entonces, la hemodinámica entró en una etapa de investigación más racional. Desde la década de 1960, un grupo de científicos destacados, como Feng Yuanzhen, Sobin, Qian Xu, Lightill, etc., han realizado contribuciones destacadas a la investigación hemodinámica. Hay tres temas principales de investigación en hemodinámica: 1) El estudio de las reglas del movimiento sanguíneo de los órganos (tejidos) con la microcirculación de los órganos (tejidos) como núcleo, como el estudio del flujo sanguíneo pulmonar 2) El mecanismo patológico de la aterosclerosis como; el núcleo: Investigación sobre la relación entre los factores hemodinámicos, los procesos de transferencia de masa y las funciones fisiológicas y patológicas de los vasos sanguíneos en el contexto de la ramificación, la flexión y la estenosis local; 3) La investigación sobre las reglas de propagación de las ondas del pulso en el sistema arterial. En esta dirección se encuentra la búsqueda del diagnóstico precoz no invasivo de las enfermedades cardiovasculares. Durante décadas se han realizado investigaciones básicas sobre las causas de la hemodinámica local en la remodelación vascular, pero aún quedan muchas cuestiones que aún no se han explorado claramente. Los estudios han encontrado que el flujo sanguíneo en el arco aorta-aórtico ascendente sigue un patrón de flujo arremolinado.

Este flujo arremolinado es un movimiento en espiral del flujo sanguíneo, que es completamente diferente del flujo de vórtice habitual que se produce cuando se altera el flujo sanguíneo. El fenómeno de remolino del flujo sanguíneo arterial no es en modo alguno accidental. Puede estabilizar el flujo sanguíneo, reducir la turbulencia, inhibir el transporte de sustancias nocivas (como lípidos, etc.) a la pared de los vasos sanguíneos, teniendo así una función protectora para los vasos sanguíneos. . El estudio del fenómeno de rotación del flujo sanguíneo arterial no sólo tiene una importancia científica importante para la comprensión de las causas de la hemodinámica local de las enfermedades cardiovasculares, sino que también proporcionará una base teórica sólida para el diseño optimizado por computadora del tratamiento intervencionista de las enfermedades cardiovasculares. cirugía individualizada. El artículo "Aplicación del principio de rotación del flujo sanguíneo arterial en el desarrollo de vasos sanguíneos artificiales y trasplantes vasculares" aplica el principio de rotación del flujo sanguíneo arterial al tratamiento intervencionista cardiovascular y aplica los principios y técnicas de la biomecánica para mejorar significativamente el campo del flujo sanguíneo. , aumenta la tensión de corte de la pared, inhibe la adhesión plaquetaria y la hiperplasia de la íntima vascular, lo cual es de gran importancia para resolver el problema de la trombosis aguda de los vasos sanguíneos artificiales de pequeño diámetro y la reestenosis vascular causada por la hiperplasia de la íntima vascular aguas abajo después del trasplante vascular (cirugía de derivación). 3. Modelado y simulación del sistema cardiovascular La investigación sobre modelado y simulación del sistema cardiovascular ha sido muy extensa este año. El sistema cardiovascular incluye el corazón y el sistema de vasos sanguíneos. El corazón es un sistema autoexcitante que proporciona energía a todo el sistema cardiovascular. Según las características fisiológicas del corazón, las simulaciones actuales del corazón incluyen principalmente simulación de características electrofisiológicas y características mecánicas. Simulación de características electrofisiológicas que incluyen: cambios en el potencial de membrana controlan los latidos del corazón, conducción de señales de ECG a través del corazón, etc. La simulación de las propiedades mecánicas cardíacas utiliza principalmente el corazón como fuente de energía de los cambios de volumen. El modelo del sistema vascular se desarrolla principalmente bajo las teorías de la teoría de la cavidad elástica, la propagación de la onda del pulso y la teoría del flujo pulsante arterial, y la teoría de la línea de transmisión de fluidos. Actualmente, incluye principalmente: modelo de parámetros agrupados y modelo de parámetros distribuidos unidimensionales utilizados para. describe el sistema vascular general, utilizado para describir el modelo de parámetros de distribución tridimensional de la información del campo de flujo local, y un modelo de múltiples escalas para describir la interacción entre el campo de flujo local y el sistema de circulación general. Además, el sistema cardiovascular está regulado por el sistema nervioso y los fluidos corporales. Algunos sistemas vasculares locales (como el sistema cerebrovascular y el sistema circulatorio coronario) tienen mecanismos de autorregulación y también se ven afectados por el sistema respiratorio. Un modelo de sistema multifisiológico que describe la interacción entre el sistema cardiovascular y los mecanismos reguladores externos. 4. Progreso de la investigación en biomecánica del sistema cardiovascular La investigación en biomecánica vascular debe combinar orgánicamente la fina cuantificación de la investigación biomédica básica con el modelado matemático de la mecánica, incorporar la intersección y síntesis de disciplinas y profundizar la connotación de la investigación de vanguardia en la disciplina de la biomecánica. . Al enfatizar que la investigación biomecánica debe resolver problemas científicos clave y aclarar el papel de los factores mecánicos en la aparición y desarrollo de enfermedades, también se compromete a desarrollar nuevas tecnologías y métodos relevantes, vinculándolos estrechamente con la prevención y el tratamiento clínicos y proponiendo nuevas ideas con características biomecánicas para lograr mejores resultados en la prevención y tratamiento de las enfermedades cardiovasculares. Hacer nuestra debida contribución a los grandes avances.