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Jun 30, 2023

O aprendizado de máquina baseado em dinâmica de fluidos computacional permite a otimização do projeto geométrico das lâminas NeoVAD

Relatórios Científicos volume 13, número do artigo: 7183 (2023) Citar este artigo 2807 Acessos 2 detalhes de métricas altmétricas O NeoVAD é um dispositivo pediátrico de assistência ventricular esquerda de fluxo axial

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7183 (2023) Citar este artigo

2807 Acessos

2 Altmétrico

Detalhes das métricas

O NeoVAD é um dispositivo pediátrico de assistência ventricular esquerda (LVAD) de fluxo axial, pequeno o suficiente para ser implantado em bebês. O design do impulsor e das pás do difusor é importante para o desempenho hidrodinâmico e a hemocompatibilidade da bomba. Este estudo teve como objetivo otimizar as pás para eficiência da bomba usando Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), aprendizado de máquina e otimização global. A malha de cada projeto normalmente incluía 6 milhões de elementos hexaédricos e um modelo de turbulência de transporte de tensão de cisalhamento foi usado para fechar as equações médias de Reynolds Navier-Stokes. Modelos CFD de 32 geometrias de base, operando a 8 vazões entre 0,5 e 4 L/min, foram criados para corresponder aos estudos experimentais. Estas foram validadas por comparação das curvas de pressão-fluxo e eficiência-fluxo com aquelas medidas experimentalmente para todos os protótipos de bombas básicas. Um modelo substituto foi necessário para permitir que a rotina de otimização conduzisse uma busca eficiente; uma regressão multilinear, regressão de processo gaussiana e uma rede neural artificial regularizada bayesiana previram o objetivo de otimização em pontos de projeto não simulados explicitamente. Um Algoritmo Genético foi usado para buscar um design ideal. O projeto otimizado ofereceu um aumento de 5,51% na eficiência no ponto de projeto (um aumento de desempenho de 20,9%) em comparação com a bomba de melhor desempenho dos 32 projetos básicos. Foi demonstrado que um método de otimização para o projeto de lâminas de LVADs funciona para uma função de objetivo único e trabalhos futuros considerarão a otimização multiobjetivo.

Os casos de insuficiência cardíaca pediátrica devido a doença cardíaca congênita (DCC) estão entre 1 e 2 casos por 1.000 nascimentos. Esses pacientes necessitam de transplantes cardíacos, porém o número de corações doados disponíveis é insuficiente para atender esta necessidade1,2,3. Os Dispositivos de Assistência Ventricular Esquerda (LVADs) podem manter os pacientes vivos enquanto aguardam um novo coração – a chamada terapia de ponte para o transplante.

Todas as opções atuais de LVAD para pacientes pediátricos apresentam grandes limitações. O Berlin Heart EXCOR é um VAD extracorpóreo, acionado pneumaticamente e de fluxo pulsátil; embora projetado especificamente para pacientes pediátricos, ainda apresenta risco de 20 a 30% de complicações neurológicas devido principalmente à formação de trombos nas válvulas4,5,6. O PediMag é um DAV extracorpóreo, levitado magneticamente e centrífugo, aprovado para uso apenas por até 6 horas e está associado tanto a infecções quanto a eventos neurológicos7,8,9. Uma solução alternativa atual é reaproveitar um LVAD existente concebido para adultos: o HeartMate II e o HVAD têm sido utilizados desta forma e, em 2020, o HeartMate 3 foi aprovado para pacientes pediátricos e é agora o mais utilizado6,10,11. Como essas bombas foram projetadas para adultos com débitos cardíacos maiores, qualquer operação com taxa de fluxo e pressão mais baixas exigidas por pacientes pediátricos envolve a redução da velocidade de operação de modo que o dispositivo opere fora do projeto, levando a um aumento do tempo de residência do sangue, estase sanguínea e trombose1,3,12. Devido ao tamanho do dispositivo, o HeartMate 3 só foi implantado em crianças com uma área de superfície corporal superior a 0,78 m\(^2\) (19,1 kg), em comparação com uma ASC mínima de cerca de 0,6 m\(^2\) ( 13,1 kg) para o HVAD11,13. Limitações de tamanho significam que pacientes menores que esse são obrigados a ter um dispositivo extracorpóreo, o que é sempre um risco de infecção.

O NeoVAD é um dispositivo pediátrico de assistência ventricular esquerda, pequeno o suficiente para ser implantado em bebês entre 5 e 20 kg. Pacientes com peso inferior a 5 kg representam um desafio maior para o suporte do LVAD em geral e o uso de dispositivos de fluxo contínuo para esses pacientes não foi bem estudado3. Com a dificuldade adicional de ser totalmente implantável, o NeoVAD não está sendo projetado especificamente para pacientes com tamanho inferior a esse limite. A necessidade de um LVAD totalmente implantável, projetado especificamente para pacientes pediátricos, é urgente e o objetivo do NeoVAD é fornecer uma terapia segura, de longo prazo, de ponte para o transplante, que atenda a essa necessidade específica.