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May 27, 2023

L'apprentissage automatique basé sur la dynamique des fluides computationnelle permet d'optimiser la conception géométrique des pales NeoVAD

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 7183 (2023) Citer cet article 2709 Accès à 2 détails de Altmetric Metrics Le NeoVAD est un dispositif d'assistance ventriculaire gauche pédiatrique à flux axial proposé.

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7183 (2023) Citer cet article

2709 Accès

2 Altmétrique

Détails des métriques

Le NeoVAD est un dispositif d'assistance ventriculaire gauche (LVAD) pédiatrique à flux axial proposé, suffisamment petit pour être implanté chez les nourrissons. La conception de la turbine et des aubes du diffuseur est importante pour les performances hydrodynamiques et l’hémocompatibilité de la pompe. Cette étude visait à optimiser les aubes pour l'efficacité de la pompe à l'aide de la dynamique des fluides computationnelle (CFD), de l'apprentissage automatique et de l'optimisation globale. Le maillage de chaque conception comprenait généralement 6 millions d'éléments hexaédriques et un modèle de turbulence de transport de contraintes de cisaillement a été utilisé pour clôturer les équations de Navier – Stokes moyennes de Reynolds. Des modèles CFD de 32 géométries de base, fonctionnant à 8 débits compris entre 0,5 et 4 L/min, ont été créés pour correspondre aux études expérimentales. Celles-ci ont été validées par comparaison des courbes pression-débit et efficacité-débit avec celles mesurées expérimentalement pour tous les prototypes de pompes de base. Un modèle de substitution était nécessaire pour permettre à la routine d'optimisation d'effectuer une recherche efficace ; une régression multilinéaire, une régression de processus gaussienne et un réseau neuronal artificiel régularisé bayésien ont prédit l'objectif d'optimisation à des points de conception non explicitement simulés. Un algorithme génétique a été utilisé pour rechercher une conception optimale. La conception optimisée offrait une augmentation de 5,51 % de l'efficacité au point de conception (une augmentation des performances de 20,9 %) par rapport à la pompe la plus performante des 32 conceptions de base. Il a été démontré qu'une méthode d'optimisation pour la conception des pales des LVAD fonctionne pour une fonction à objectif unique et les travaux futurs envisageront une optimisation multi-objectifs.

Les cas d'insuffisance cardiaque pédiatrique dus à une cardiopathie congénitale (CHD) se situent entre 1 et 2 cas pour 1 000 naissances. Ces patients ont besoin d'une transplantation cardiaque, mais le nombre de cœurs de donneurs disponibles est insuffisant pour répondre à ce besoin1,2,3. Les dispositifs d'assistance ventriculaire gauche (LVAD) peuvent maintenir les patients en vie en attendant un nouveau cœur – une thérapie dite de transition vers la transplantation.

Les options LVAD actuelles pour les patients pédiatriques présentent toutes des limites majeures. Le Berlin Heart EXCOR est un VAD à flux pulsatile extracorporel, à entraînement pneumatique ; bien que conçu spécifiquement pour les patients pédiatriques, il présente néanmoins un risque de 20 à 30 % de complications neurologiques dues principalement à la formation de thrombus sur les valvules4,5,6. Le PediMag est un VAD centrifuge extracorporel, à lévitation magnétique, dont l'utilisation n'est autorisée que pendant 6 heures maximum et qui est associé à la fois aux infections et aux événements neurologiques7,8,9. Une solution alternative actuelle consiste à réutiliser un LVAD existant conçu pour les adultes : le HeartMate II et le HVAD ont tous deux été utilisés de cette façon, et en 2020, le HeartMate 3 a été approuvé pour les patients pédiatriques et est désormais le plus fréquemment utilisé6,10,11. Comme ces pompes ont été conçues pour les adultes ayant un débit cardiaque plus élevé, toute opération à un débit et à une pression plus faibles requis par les patients pédiatriques implique de réduire la vitesse de fonctionnement de telle sorte que l'appareil fonctionne de manière non conçue, entraînant ainsi une augmentation du temps de séjour du sang. stase sanguine et thrombose1,3,12. En raison de la taille de l'appareil, le HeartMate 3 n'a été implanté que chez des enfants ayant une surface corporelle supérieure à 0,78 m\(^2\) (19,1 kg), par rapport à une surface corporelle minimale d'environ 0,6 m\(^2\) ( 13,1 kg) pour le HVAD11,13. Les limitations de taille signifient que les patients plus petits doivent disposer d'un dispositif situé de manière extracorporelle, ce qui présente toujours un risque d'infection.

Le NeoVAD est un dispositif pédiatrique d'assistance ventriculaire gauche proposé, suffisamment petit pour être implanté chez des nourrissons pesant entre 5 et 20 kg. Les patients de moins de 5 kg posent généralement un plus grand défi au soutien LVAD et l'utilisation de dispositifs à débit continu pour ces patients n'a pas été bien étudiée3. Avec la difficulté supplémentaire d'être entièrement implantable, le NeoVAD n'est pas conçu spécifiquement pour les patients dont la taille dépasse cette limite. Le besoin d'un LVAD entièrement implantable, conçu spécifiquement pour les patients pédiatriques, est urgent et l'objectif du NeoVAD est de fournir une thérapie de transition sûre et à long terme vers la transplantation qui répond à ce besoin spécifique.