המהנדס שקורא בלב

מחלות לב וכלי דם הן גורם המוות המוביל בעולם המפותח המהוות כמעט 30% מכלל מקרי המוות מדי שנה. בלב קיימים ארבעה מסתמים האחראים לזרימה חד-כיוונית של הדם בתוך חללי הלב ומהם לכל איברי הגוף. כל אחד מהמסתמים אחראי על הכוונת הדם בין מדורי הלב השונים בכיוון אחד, בעת כיווץ העליות והחדרים, כדי שיגיע אל העורקים הגדולים ומשם לריאות ולשאר הגוף. לעיתים המחלות במסתמים נגרמות בשל שינויים במבנה הרקמות שלהם ובמרכיביהם, שמובילים להפרעה במעבר הדם ללב ולשאר איברי הגוף. ד"ר גיל מרום, מבית הספר להנדסה מכנית של הפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב עושה שימוש במודלים חישוביים שפיתח כדי לחזות את הפיזיקה של מערכת הלב וכלי הדם (המערכת הקרדיווסקולרית) וכך לשפר את הטיפול בחולה לב.

יתרונות המודלים החישוביים במתן הטיפול הנכון לחולה

מורכבות מערכת הלב, המשלבת סיבוכיות פיזיקלית בסדרי גודל שונים, היא סיבה מרכזית לצורך בשימוש במודלים חישוביים הנקראים גם סימולציות. פעולת שאיבת הדם בלב נגרמת על ידי התכווצות שריר הלב, כיוון זרימת הדם נקבע על ידי מסתמי הלב, בעוד התכווצות השריר נשלטת על ידי מערכת ההולכה החשמלית של הלב. מורכבות זו יחד עם המגבלות של ניסויים קליניים וניסויי מעבדה מסבירות בבירור את יתרונות המודלים החישוביים. סימולציות ממוחשבות מאפשרות לערוך ניסויים וירטואליים ולבחון אפשרויות שונות לטיפול באותו חולה. היכולת להשוות מקרים זהים, בניגוד להשוואת מקרים ממספר חולים שונים, מאפשרת ללמוד את ההשפעה של פרמטר מסוים על התפקוד, תוך בידוד השפעה זו מגורמים אחרים, וכך למצוא מגמות המאפיינות את התופעה. נוסף להשלכות הרפואיות החשובות של מחקר זה, המחקר מרתק גם מבחינה הנדסית. בניגוד למקרים הנדסיים "רגילים" בהם מאפייני הבעיה ידועים, כמו גאומטרית הגוף ותכונות החומר ממנו הוא מורכב, במקרים הביולוגים יש שונות גדולה במחלות ובאוכלוסייה ולמעשה המודלים מתבססים פעמים רבות על תהליך הנדסה הפוכה והנחות הנדסיות שונות.

המכניקה של מחלות מסתמי לב והטיפול בהן

מסתמי הלב הם שסתומים הבנויים מעלים גמישים. כאשר פעילותם תקינה הם מאפשרים זרימה חד כיוונית ומונעים זרימה חוזרת. בניגוד לשסתומים מכניים בשימושים הנדסיים, העלים הגמישים צריכים לעבור עיוותים גדולים בכל מחזור לב, לעמוד בלחצים גבוהים ביחס לחוזקם המכני, ולעבוד במשך הרבה מאוד מחזורי לב (כמחזור לשנייה במשך כל שנות החיים). מחלות מסתמי הלב הנפוצות ביותר הן היצרות של המסתם האאורטלי (אבי העורקים) ודליפה של המסתם המיטרלי. טיפולים אפשריים הם תיקונים או החלפת המסתם בניתוחי לב פתוח ובשנים האחרונות נוספה גם אפשרות זעיר פולשנית של השתלת מסתם בצנתור. אך לכל סוגי הטיפולים הללו ישנם סיבוכים אפשריים שכמובן עדיף להימנע מהם.

המודלים החישוביים שאנחנו מפתחים מאפשרים להבין טוב יותר את הביומכניקה של הטיפול ולהעריך את הסיכויים לסיבוכים שונים. לדוגמה, תוצאות המודלים הקודמים שלנו עוזרות למנתחים לבחור את הקוטר הרצוי שאליו יש להקטין את קוטר המסתם החולה על מנת להביא אותו לתפקוד תקין. גם במסתמים המושתלים בצנתור לטיפול בהיצרות המסתם אבי העורקים אנחנו יכולים, על פי תוצאות הסימולציות, להמליץ על גודל המסתם המתאים, מיקום ההשתלה האופטימלי, ודרכי ההשתלה כדי להפחית את הסיכוי לדליפות, תזוזה של המסתם המושתל בגלל התכווצות הלב, ופגיעה בהולכת החשמל בלב בגלל לחצי מגע שהשתל מפעיל על הלב. אותן מסקנות יכולות לעזור גם בתכנון מסתמים תותבים חדשים עם תפקוד טוב יותר וסיכוי מופחת להתפתחות הסיבוכים לאחר ההשתלה.

במחקרים שנערכים עכשיו בקבוצה של ד"ר מרום, מנסים להבין את מנגנוני קרישת הדם על עלי המסתמים המושתלים. המודלים בהם אנו נעזרים בנושא זה, מבוססים על הידע שקרישת הדם נגרמת בגלל מאפיינים מכניים של זרימת הדם, כגון חשיפת טסיות הדם למאמצי גזירה, משך זמן החשיפה, או משך הזמן שהטסית נעצרת במקום בגלל מערבולות. כמו כן, מאפייני הזרימה קובעים גם את סוג קרישי הדם שעלולים להיווצר, תסחיפים או דווקא קרישה על עלי המסתם אשר גורמים להם להתעבות ולהפסיק לתפקד. שיטות דומות עוזרות לנו להבין טוב יותר את אי-ספיקת, או דליפת, המסתם המיטרלי עם מטרה שידע זה יעזור לתת מענה למרבית החולים שכיום אינם מקבלים טיפול בגלל סיכון ניתוחי גבוה. "אחת הסיבות העיקריות שעדיין לא הצליחו לפתח פתרון התערבותי לחולים אלו היא שלמסתם זה יש אנטומיה ופעולה מכנית מסובכים הרבה יותר מאשר במסתם אבי העורקים. הבנה טובה יותר של תפקודו תעזור לשפר טיפולים קיימים ולפתח שתלים חדשים שיצליחו לעמוד בעומסים המכניים הפועלים במסתם זה ולשפר את איכות חיי החולים" מסביר ד"ר מרום.

דוגמא למודלים של פעילות הלב במצב מכווץ ורפוי (צד ימין) ושל זרימת הדם דרך מסתם תותב (צד שמאל)

לאתר קבוצת המחקר

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון