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May 27, 2023

전산유체역학을 기반으로 한 기계 학습을 통해 NeoVAD 블레이드의 기하학적 설계 최적화가 가능합니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7183(2023) 이 기사 인용 2709 2 Altmetric Metrics 세부 정보 액세스 NeoVAD는 제안된 소아 축류 좌심실 보조 장치입니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7183(2023) 이 기사 인용

2709 액세스

2 알트메트릭

측정항목 세부정보

NeoVAD는 제안된 소아용 축류 좌심실 보조 장치(LVAD)로, 유아에게 이식할 수 있을 만큼 작습니다. 임펠러와 디퓨저 블레이드의 설계는 펌프의 유체역학적 성능과 혈액 적합성에 중요합니다. 이 연구의 목표는 전산유체역학(CFD), 기계 학습 및 전역 최적화를 사용하여 펌프 효율성을 위해 블레이드를 최적화하는 것이었습니다. 각 설계의 메싱에는 일반적으로 600만 개의 육면체 요소가 포함되었으며 전단 응력 전달 난류 모델은 Reynolds 평균 Navier-Stokes 방정식을 마무리하는 데 사용되었습니다. 0.5~4L/min 사이의 8가지 유속으로 작동하는 32개 기본 형상의 CFD 모델이 실험 연구와 일치하도록 생성되었습니다. 이는 압력-유량 및 효율-유량 곡선을 모든 기본 프로토타입 펌프에 대해 실험적으로 측정된 곡선과 비교하여 검증되었습니다. 최적화 루틴이 효율적인 검색을 수행하려면 대리 모델이 필요했습니다. 다중 선형 회귀, 가우스 프로세스 회귀 및 베이지안 정규화된 인공 신경망은 명시적으로 시뮬레이션되지 않은 설계 지점에서 최적화 목표를 예측했습니다. 최적의 디자인을 찾기 위해 유전자 알고리즘을 사용했습니다. 최적화된 설계는 32개 기본 설계의 최고 성능 펌프와 비교하여 설계 지점에서 효율성이 5.51% 증가했습니다(20.9% 성능 증가). LVAD의 블레이드 설계를 위한 최적화 방법은 단일 목적 함수에 대해 작동하는 것으로 나타났으며 향후 작업에서는 다중 목적 최적화를 고려할 것입니다.

선천성 심장 질환(CHD)으로 인한 소아 심부전의 사례는 출생 1000명당 1~2건입니다. 이 환자들은 심장 이식이 필요하지만, 이용 가능한 기증자 심장의 수가 이러한 필요를 충족시키기에 부족합니다1,2,3. 좌심실 보조 장치(LVAD)는 소위 브리지-이식 치료라고 불리는 새로운 심장을 기다리는 동안 환자의 생명을 유지할 수 있습니다.

소아 환자를 위한 현재의 LVAD 옵션에는 모두 큰 제한이 있습니다. Berlin Heart EXCOR는 체외형, 공압 구동식 맥동 흐름 VAD입니다. 소아 환자를 위해 특별히 설계되었지만 주로 판막의 혈전 형성으로 인해 신경학적 합병증이 발생할 위험이 여전히 20~30%입니다4,5,6. PediMag는 체외 자기 부상 원심 VAD로, 최대 6시간까지만 사용하도록 승인되었으며 감염 및 신경학적 사건과 관련이 있습니다7,8,9. 대안적인 현재 솔루션은 성인용으로 설계된 기존 LVAD의 용도를 변경하는 것입니다. HeartMate II와 HVAD는 모두 이러한 방식으로 사용되었으며 2020년에 HeartMate 3는 소아 환자용으로 승인되어 현재 가장 자주 사용됩니다6,10,11. 이 펌프는 심박출량이 더 큰 성인을 위해 설계되었으므로 소아 환자에게 필요한 더 낮은 유속 및 압력 수두에서의 작동에는 장치가 설계에서 벗어나 작동하도록 작동 속도를 줄이는 것이 포함되어 혈액 체류 시간이 증가합니다. 혈액 정체 및 혈전증1,3,12. 장치의 크기로 인해 HeartMate 3는 신체 표면적이 0.78m\(^2\)(19.1kg) 이상인 어린이에게만 이식되었으며, 이에 비해 최소 BSA는 약 0.6m\(^2\)( HVAD11,13의 경우 13.1kg). 크기 제한은 이보다 작은 환자의 경우 항상 감염 위험이 있는 체외 배치 장치가 필요하다는 것을 의미합니다.

NeoVAD는 제안된 소아용 좌심실 보조 장치로, 5~20kg 사이의 유아에게 이식할 수 있을 만큼 작습니다. 5kg 미만의 환자는 일반적으로 LVAD 지원에 더 큰 어려움을 겪으며 이러한 환자에 대한 연속 흐름 장치의 사용은 잘 연구되지 않았습니다3. 완전히 이식하기가 어렵다는 점 때문에 NeoVAD는 이 한도보다 작은 환자를 위해 특별히 설계되지 않았습니다. 소아 환자를 위해 특별히 설계된 완전히 이식 가능한 LVAD에 대한 필요성이 시급하며 NeoVAD의 목표는 이러한 특정 요구를 충족하는 안전하고 장기적인 가교-이식 치료법을 제공하는 것입니다.