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Jun 30, 2023

L'apprendimento automatico basato sulla fluidodinamica computazionale consente l'ottimizzazione del design geometrico delle pale NeoVAD

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 7183 (2023) Cita questo articolo 2807 Accessi 2 dettagli sulle metriche alternative Il NeoVAD è un dispositivo pediatrico di assistenza ventricolare sinistro a flusso assiale proposto

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7183 (2023) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Il NeoVAD è un dispositivo pediatrico di assistenza ventricolare sinistra (LVAD) a flusso assiale, sufficientemente piccolo da poter essere impiantato nei neonati. Il design della girante e delle pale del diffusore è importante per le prestazioni idrodinamiche e l'emocompatibilità della pompa. Questo studio mirava a ottimizzare le pale per l'efficienza della pompa utilizzando la fluidodinamica computazionale (CFD), l'apprendimento automatico e l'ottimizzazione globale. La mesh di ciascun progetto includeva tipicamente 6 milioni di elementi esaedrici e un modello di turbolenza di trasporto dello sforzo di taglio è stato utilizzato per chiudere le equazioni di Navier-Stokes medie di Reynolds. Sono stati creati modelli CFD di 32 geometrie di base, funzionanti a 8 portate comprese tra 0,5 e 4 L/min, per corrispondere agli studi sperimentali. Questi sono stati convalidati confrontando le curve pressione-flusso ed efficienza-flusso con quelle misurate sperimentalmente per tutte le pompe prototipo di base. Era necessario un modello surrogato per consentire alla routine di ottimizzazione di condurre una ricerca efficiente; una regressione multilineare, una regressione del processo gaussiano e una rete neurale artificiale regolarizzata bayesiana hanno previsto l'obiettivo di ottimizzazione in punti di progettazione non esplicitamente simulati. Per cercare una progettazione ottimale è stato utilizzato un algoritmo genetico. Il design ottimizzato ha offerto un aumento dell'efficienza del 5,51% al momento della progettazione (un aumento delle prestazioni del 20,9%) rispetto alla pompa con le migliori prestazioni dei 32 modelli di base. È stato dimostrato che un metodo di ottimizzazione per la progettazione delle pale dei LVAD funziona per una funzione a obiettivo singolo e il lavoro futuro prenderà in considerazione l'ottimizzazione multi-obiettivo.

I casi di insufficienza cardiaca pediatrica dovuta a cardiopatia congenita (CHD) sono compresi tra 1 e 2 casi ogni 1000 nascite. Questi pazienti necessitano di trapianti di cuore, tuttavia il numero di cuori donatori disponibili non è sufficiente a soddisfare questa esigenza1,2,3. I dispositivi di assistenza ventricolare sinistra (LVAD) possono mantenere in vita i pazienti in attesa di un nuovo cuore, una cosiddetta terapia bridge-to-transplant.

Le attuali opzioni LVAD per i pazienti pediatrici presentano tutte importanti limitazioni. Il Berlin Heart EXCOR è un VAD extracorporeo, a flusso pulsatile, azionato pneumaticamente; sebbene progettato specificamente per i pazienti pediatrici, presenta comunque un rischio del 20–30% di complicanze neurologiche dovute principalmente alla formazione di trombi sulle valvole4,5,6. PediMag è un VAD centrifugo extracorporeo, a levitazione magnetica, approvato solo per l'uso fino a 6 ore ed è associato sia a infezioni che a eventi neurologici7,8,9. Una soluzione attuale alternativa è quella di riutilizzare un LVAD esistente progettato per gli adulti: HeartMate II e HVAD sono stati entrambi utilizzati in questo modo e nel 2020 HeartMate 3 è stato approvato per i pazienti pediatrici ed è ora quello utilizzato più frequentemente6,10,11. Poiché queste pompe sono state progettate per adulti con gittata cardiaca maggiore, qualsiasi operazione con portata e prevalenza inferiori richieste dai pazienti pediatrici comporta la riduzione della velocità operativa in modo tale che il dispositivo funzioni fuori progettazione, con conseguente aumento del tempo di permanenza del sangue, stasi del sangue e trombosi1,3,12. A causa delle dimensioni del dispositivo, HeartMate 3 è stato impiantato solo in bambini con una superficie corporea superiore a 0,78 m\(^2\) (19,1 kg), rispetto a una BSA minima di circa 0,6 m\(^2\) ( 13,1 kg) per l'HVAD11,13. Le limitazioni dimensionali implicano che i pazienti più piccoli devono avere un dispositivo posizionato extracorporea che rappresenta sempre un rischio di infezione.

Il NeoVAD è un dispositivo di assistenza ventricolare sinistro pediatrico, sufficientemente piccolo da poter essere impiantato in neonati di peso compreso tra 5 e 20 kg. I pazienti di peso inferiore a 5 kg rappresentano una sfida maggiore per il supporto LVAD in generale e l'uso di dispositivi a flusso continuo per questi pazienti non è stato ben studiato3. Con l’ulteriore difficoltà di essere completamente impiantabile, il NeoVAD non è stato progettato specificamente per pazienti di statura inferiore a questo limite. La necessità di un LVAD completamente impiantabile, progettato specificamente per i pazienti pediatrici, è urgente e lo scopo del NeoVAD è fornire una terapia ponte-trapianto sicura, a lungo termine, che soddisfi questa specifica esigenza.