איך משתמשים בשיטות של הנדסת אווירונאוטיקה לתקן מסתמים פגומים בלב?

עדי מוראני, דוקטורנט במעבדה לחומרים מרוכבים באוניברסיטת תל אביב משתמש בסימולציה כדי להתכונן לניתוחים ולחסוך פעולות הדורשות פתיחת גוף המטופל. מוראני הציג את הפיתוחים שלו בכנס משתמשי סימוליה בישראל – תוכנת הסימולציה מבית דאסו סיסטמס

האם יש איזשהו דמיון בין אווירונאוטיקה לבין החלפת מסתמים בלב?  עדי מוראני, דוקטורנט במעבדה לחומרים מרוכבים באוניברסיטת תל אביב משתמש בסימולציה כדי להתכונן לניתוחים ולחסוך פעולות הדורשות פתיחת גוף המטופל. מוראני הציג את הפיתוחים שלו בכנס משתמשי סימוליה בישראל – תוכנת הסימולציה מבית דאסו סיסטמס שהתקיימה לאחרונה בהרצליה.

מה אתם חוקרים?

מוראני: "אני דוקטורנט אצל פרופסור רמי חאג' עלי מהמעבדה לחומרים מרוכבים באוניברסיטת תל אביב. בקבוצה שלנו אנחנו חוקרים את הביומכניקה של המסתם האאורטלי . המסתם האאורטלי, הנמצא בין החדר השמאלי לאבי העורקים, מאפשר לדם לזרום קדימה ומונע את חזרת הדם אחורנית לתוך החדר השמאלי. 

"לעיתים המסתם האאורטלי נפגם כתוצאה ממחלות או התעייפות והפתרון המקובל הוא לבצע השתלה של מסתם ביולוגי במקום המסתם הפגום. מובילים את המסתם המושתל על גבי צנתר לעבר המסתם הפגום. המסתם החדש מושתל בתוך המסתם הישן, דוחק את עלי המסתם הישן ומתחיל לפעול מייד עם השתלתו. טיפול בהיצרות המסתם אאורטלי באמצעות צנתר, ללא פתיחת בית החזה, הוא טכניקה חדשנית שעשויה – אצל החולים המתאימים – להפחית את הסיבוכים הצפויים מהניתוח, לקצר את משך ההחלמה ולהאריך את חיי המושתל."

"אנחנו במעבדה מפתחים יכולת לבצע סימולציה נומרית שמדגימה את הכנסת המסתם החדש בגוף החולה הספציפי  למשל אם נוצרים גושים במסתמים וכתוצאה מכך התפקוד שלהם הופך לקוי והם לא מצליחים לספק לגוף את כל כמות הדם הדרושה לגוף."

"הסימולציה הזו חוסכת כניסה מיותרת עם מצלמה כדי לאתר תחילה היכן צריך לחתוך ואחר כך לשחרר את הסתימה באמצעות צנתר. התכנון המוקדם והסימולציה חוסכים את ההליך המסוכן, ומגבירים את סיכויי הצלחת הניתוח."

מה בין מטוסים ללב האדם?

"אנחנו מבצעים סימולציות של זרימת הדם בשיטות של פיזיקה קלאסית ותוך שימוש במודלים מתמטיים שכבר מוכרים מתחום האווירונאוטיקה – אני עצמי בוגר תואר ראשון ושני באווירונאוטיקה מהטכניון. אנחנו מחילים למעשה את הפיזיקה של המטוסים גם בלב. זו אותה פיזיקה. השילוב הזה של השיטות בין שני תחומי ההנדסה הללו מאפשר לנו לספק תובנות נוספות, ולתת לרופאים עוד רובד חשוב של תופעות לפני הניתוח, וגם אחרי הניתוח – לבדוק אם הוא עבר בהצלחה."

מה בכל זאת דומה בין הנדסת אווירונאוטיקה להתקנים רפואיים בלב?

"עד כמה שזה נשמע מוזר, יש דמיון. לדוגמה למשל שיטת הזרימה בתוך גוף האדם ומשוואות הזרימה די דומות. אותן משוואות שמתארות את הזרימה סביב המטוס מאפשרות גם להמחיש את זרימת הדם דרך הלב שמותקן בו מסתם מלאכותי. לאחרונה פיתחנו שיטה המבוססת על התאוריה הקינטית של הגזים מתחום האווירונאוטיקה ויישמנו אותה בתכנון המסתמים. בכל מה שקשור בפעולות מכאניות ובזרימה יכול להיות מקביל בין מטוסים גדולים לבין גוף האדם. יש לנו זרימה – אוויר במקרה של המטוס ודם במקרה של הגוף."

"אנחנו גם נכנסים לתחום המכאני של המסתם מבחינת המאמצים הפועלים עליו בזמן הפעולה. וגם כאן יש דמיון, כמו מטוס, אם המסתם לא תקין הוא מפתח יתר מאמץ שגורם לעייפות שלו ואחר כך לתפקוד לקוי. "

פרויקט "הלב החי"

באילו תוכנות סימולציה משתמשים במעבדה שלכם?

"אני ספציפית עובד רק עם המוצרים של סימוליה (מבית דאסו סיסטמס) ובפרט עם אבקוס  – התוכנה לתכנון האלמנט הסופי שעושה סימולציה לגופים לרבות המסתם האאורטלי ולאחרונה אני עובד מול צוות הפיתןוח של Xflow התוכנה שאחראית על  סימולציה בזמן אמת של זרימה שמרכזו בספרד. אנחנו מקיימים ישיבות דו שבועיות ומפתחים ביחד תוכנה נומרית שבה אני הולך להראות כיצד מתבצעת זרימת הדם באבי העורקים. "

"שיתוף הפעולה הזה הוא במסגרת מאגד Living Heart Proect שבו כ-150 חברות מהתעשיה, מהקליניקה ומהאקדמיה  מפתחות סימולטור המכיל את כל המרכיבים של הלב – ביולוגיים, פיזיקליים וכימיים תוך שיתוף פעולה עם ה-FDA כדי להתאים את הרגולציה תוך כדי בניית מודל של לב אמיתי. השאיפה היא שהפלטפורמה הזו של הלב תאפשר ביצוע ניסויים באמצעות סימולציה כדי לנסות מיכשור הרפואי ותרופות לפני הניסויי הקליניים."

"הסימולציה היא כלי חשוב מאוד לרופאים שעליו הם יכולים להסתמך בקבלת ההחלטות הקליניות. עם זאת רופאים הם שמרנים  מטבעם, אבל ברגע שהם רואים את הסימולציות מראות דברים שהם לא ראו מעולם, ואחרי שעושים להם תיקוף (ולידציה) קליני נפתח בפניהם עולם חדש. ברור שהם לא מסתמכים אך ורק על הסימולציות אבל לפעמים הם יכולים לבדוק את הפעולות שלהם לפני חדירה לגוף. לפיתוח זה יש השפעה על המציאות."

אלי בויקיס, מנהל פעילות דאסו סיסטמס ישראל שנכח בראיון הזכיר כי לחברה פעילויות ישירות בתחום הרפואי – חטיבת מדידטה המספקת כלים לניהול ניסויים קליניים גם עם אלפי משתתפים ויותר. עשרות חברות סטארט-אפ שנפתחות היום משתמשות בנתונים הללו, ובין היתר גם בתכנון סטנטים ומכשירים רפואיים אחרים לתחום הלב.