เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิจัยได้สร้างแบบจำลองทางฟิสิกส์ของระบบไหลเวียนโลหิตของมนุษย์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา พวกเขาได้เปลี่ยนจากแบบจำลองแก้วและน้ำแบบดั้งเดิมไปสู่แบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่ใช้เครื่องมือซอฟต์แวร์ที่ตกทอดมาจากอุตสาหกรรมการบินและอวกาศเพื่อแก้สมการกลศาสตร์ของไหล แบบจำลองเหล่านี้ได้ให้หลักฐานที่น่าสนใจว่าแรงเชิงกลของของไหลอย่างง่าย เช่น ความดันโลหิตและความเครียดจากแรงเฉือน เป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดโรคหัวใจส่วนใหญ่ ตั้งแต่การสะสมของแผ่นไขมันในหลอดเลือดแดงไปจนถึงการอ่อนตัวของผนังหลอดเลือดที่เรียกว่าโป่งพอง
ในขณะที่แบบจำลองคอมพิวเตอร์ดังกล่าวได้รับการพิสูจน์
แล้วว่าส่องสว่าง แต่ยังคงเป็นคำอธิบายในอุดมคติของระบบไหลเวียนเลือดทั่วไป ระบบไหลเวียนโลหิตแต่ละระบบมีความแตกต่างกันอย่างมาก ไม่เพียงแต่ตำแหน่งของแผ่นโลหะและความกว้างของหลอดเลือดเท่านั้น แต่ยังรวมถึงวิธีที่หลอดเลือดต่างๆ เชื่อมต่อกัน
ในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในช่วงต้นทศวรรษ 1990 เทย์เลอร์ตระหนักดีว่าน่าจะเป็นไปได้ที่จะสร้างสรีรวิทยาของผู้ป่วยรายใดรายหนึ่งขึ้นใหม่จากภาพสามมิติของหลอดเลือดที่ MRI สร้างขึ้น ในตอนแรก Taylor วางแผนที่จะใช้แบบจำลองเฉพาะผู้ป่วยดังกล่าวเพื่อศึกษาความเชื่อมโยงระหว่างกลศาสตร์ของไหลกับสุขภาพของหลอดเลือดต่อไป
“แต่เมื่อถึงจุดหนึ่ง” เขากล่าว “ฉันตระหนักว่ามีแอปพลิเคชันที่สำคัญกว่ามาก: เพื่อช่วยทำนายผลลัพธ์ของการผ่าตัด”
เครื่องมือซอฟต์แวร์กลศาสตร์ของไหลที่มีอยู่ทั่วไปไม่ได้ออกแบบมาเพื่อศึกษาการไหลเวียนของเลือด ดังนั้น Taylor จึงรู้ว่าเครื่องมือเหล่านี้จะไม่เพียงพอต่อวัตถุประสงค์ของเขา ระบบไหลเวียนโลหิตของมนุษย์แตกต่างจากเครือข่ายของท่อ เขาอธิบาย ตัวอย่างเช่น ชีพจรของเลือดจะระเบิดแทนที่จะไหลอย่างราบรื่น และหลอดเลือดที่แตกต่างจากท่อคือท่อที่ยืดหยุ่นซึ่งขยายและหดตัวตามการเต้นของชีพจรแต่ละครั้ง
เพื่อทำให้เรื่องซับซ้อนมากขึ้น รูปภาพที่นำเสนอโดย MRI
ซึ่งแตกต่างจากพิมพ์เขียวสำหรับระบบประปานั้นยังห่างไกลจากความสมบูรณ์ ภาพ MRI สามารถแสดงหลอดเลือดทั้งหมดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 1 มิลลิเมตร แต่นั่นเท่ากับหลอดเลือดเพียงไม่กี่ร้อยล้านเส้นในร่างกายมนุษย์ เพื่อจัดการกับความซับซ้อนเหล่านี้ Taylor ตระหนักว่าเขาจะต้องสร้างแบบจำลองตั้งแต่เริ่มต้น
ซอฟต์แวร์ SimVascular เริ่มต้นด้วยภาพ MRI การใช้เทคนิคการจดจำภาพจะแยกรูปทรงเรขาคณิตของเส้นเลือดใหญ่ของผู้ป่วย ซึ่งทั้งหมดนั้นใหญ่พอที่ MRI จะตรวจจับได้ จากนั้น ซอฟต์แวร์จะแบ่งโมเดลเรขาคณิตออกเป็นชิ้นเล็กๆ หลายล้านชิ้น จากนั้นจะเลือกจุดตัวแทนในแต่ละอัน ในแต่ละจุดดังกล่าว สมการเชิงอนุพันธ์จะควบคุมความเร็วและความดันของเลือด ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของผนังหลอดเลือด
เพื่อทำให้สมการเหล่านี้แม่นยำเมื่อแบบจำลองสิ้นสุดลง และการไหลเวียนของเลือดไปยังหลอดเลือดเล็กเกินกว่าที่ MRI จะตรวจจับได้ ทีมของ Taylor ได้ใช้ความรู้ที่มีอยู่เกี่ยวกับเรขาคณิตเศษส่วนของระบบหลอดเลือดเพื่อประเมินความดันโลหิตและสภาวะอื่นๆ ที่ปลายเหล่านี้ Jay Humphrey วิศวกรด้านชีวการแพทย์ที่ Texas A&M University ใน College Station กล่าวว่า คุณลักษณะนี้พร้อมกับคำอธิบายของผนังหลอดเลือดที่ยืดหยุ่นได้ ทำให้ SimVascular แตกต่างจากความพยายามอื่นๆ ในการสร้างแบบจำลองระบบไหลเวียนโลหิต เทย์เลอร์และทีมของเขาใช้ระบบของพวกเขาเพื่อ “กำหนดสิ่งที่เกิดขึ้นในตอนท้ายได้อย่างดี และนั่นเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง” ฮัมฟรีย์กล่าว
SimVascular ใช้สมการเชิงอนุพันธ์เพื่อสร้างภาพยนตร์พลิกหนังสือของการไหลเวียนของเลือดผ่านระบบหลอดเลือด ซอฟต์แวร์แบ่งเวลาแต่ละวินาทีออกเป็นประมาณ 10,000 ก้าว และใช้สมการเชิงอนุพันธ์เพื่อคำนวณแรงที่จุดตัวแทนแต่ละจุดสำหรับแต่ละเสี้ยววินาที ศัลยแพทย์และนักวิจัยสามารถดูภาพยนตร์และดูข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับความดันโลหิต ความเครียดจากแรงเฉือน และสภาวะอื่นๆ ในแต่ละจุดในหลอดเลือด
การสร้างภาพยนตร์ดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการแก้สมการประมาณ 10 ล้านครั้งพร้อมกันในแต่ละช่วงเวลา ปัจจุบันซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของทีมสแตนฟอร์ดใช้เวลาหลายวันในการสร้างภาพยนตร์ความยาว 20 วินาที แต่เทย์เลอร์หวังว่าจะลดเวลาการทำงานลงเหลือเพียงวันเดียวหรือไม่กี่ชั่วโมง การเร่งความเร็วดังกล่าวจะทำให้กระบวนการสร้างแบบจำลองอยู่ในตารางเวลาปกติสำหรับการวางแผนการผ่าตัด
ศัลยแพทย์สามารถใช้แบบจำลองที่สมบูรณ์เพื่อทดสอบผลของการรักษาที่มีอยู่กับผู้ป่วยรายใดรายหนึ่ง ยิ่งไปกว่านั้น พวกเขาสามารถใช้แบบจำลองเพื่อทดสอบ “ขั้นตอนใดๆ ที่คุณจินตนาการได้” เทย์เลอร์กล่าว ปัจจุบัน ศัลยแพทย์ที่มีแนวคิดในการผ่าตัดรูปแบบใหม่อาจมีโอกาสทดลองกับสัตว์หรือซากศพเพียงไม่กี่ตัว ยิ่งไปกว่านั้น ศัลยแพทย์ยังมีทางเลือกไม่มากนักนอกจากการผ่าตัดผู้ป่วยที่ยังหายใจอยู่
“ฉันคิดว่าเราจะทำให้ศัลยแพทย์สามารถทดสอบแนวคิดที่อาจเป็นความคิดที่ดีได้ง่ายขึ้น” เทย์เลอร์กล่าว
แนะนำ : ข่าวดารา | กัญชา | เกมส์มือถือ | เกมส์ฟีฟาย | สัตว์เลี้ยง
