Hastaya Özel Vasküler Model Üzerinde Dinamik Kuvvetlerin Dağılımı: Hesaplamalı Hemodinami Uygulaması

Distribution of Dynamic Forces on Patient Specific Vascular Model: Appliation of Computational Hemodynamics

Özet

Amaç: Günümüzün gelişmiş görüntüleme yöntemleri, vasküler patolojilerin erken teşhisi ve elektif koşullarda invazif tedavisini mümkün kılmıştır. Ancak, elektif müdahalelerdeki yüksek komplikasyon oranlarına işaret eden çalışmalar, gereksiz müdahalelerden kaçınma ve hayatı tehdit edici komplikasyonlardan getirmiştir. Bu nedenle son zamanlarda, vasküler patolojilerin izlenmesinde kullanılabilecek yeni yöntem ve ölçütlerin tanımlanması konusunda, multidisipliner mühendislik bilimlerinin "hesaplamalı akışkanlar dinamiği", hastaya özel benzetim çözümlerinde kendisine uygulama alanı bulmuştur. Teorik ve uygulama alt yapımızın oluşturulması amacıyla bu çalışmada, hastaya özel damar modellerinde hemodinamik parametrelerin dağılımı, iki farklı benzetim uygulamasının sonuçları üzerinden tartışılmıştır. Yöntem: Çalışmada, "parametrik" ve "gerçeğe yakın" damar modeli yaklaşımlarıyla geliştirilmiş iki farklı benzetim kullanılarak, vasküler darlık ve anevrizmal patolojilerde hemodinamik kuvvetlerin 3-boyutlu dağılımları belirlenmiştir. Bulgular: Benzetimlerden elde edilen sonuçlar, klasikleşmiş çoğu pratik hemodinami bilgilerimiz ile uyumlu bulunmuştur. Bunlardan süreklilik denklemi, damarın daraldığı yerde kan akış hızının artmasını gerektirirken, Bernoulli yasası kan basıncının düşmesini gerektirmektedir. Laminer akış koşullarının sürdüğü lezyon bölgelerinde akışa ait hız vektörlerinin büyüklük ve izlenebilmektedir. Laplace yasası çerçevesinde anevrizma bölgesindeki radyal kuvvetlerin damar duvarında oluşturacağı gerilme kuvveti, damarın yeniden şekillenmesi sırasındaki dilatasyonun uzaysal dağılımı ve damar duvarındaki yapısal değişimlerin yeniden şekillenmeye etkisi gösterilmiştir. Ek olarak son dönemlerde, yüksek güvenilirlikli bir ölçüt olarak kabul gören "duvar kayma gerilimi" gibi aksiyel kuvvetlerin uzaysal dağılımları da gösterilmiştir. Sonuç: Gelecekte yaygınlaşması öngörülen "klinik tanı uzman sistemleri" hedefinin başlangıç aşamasını oluşturduğuna inanılan hastaya özel benzetim uygulamalarının, hekimin kişiye özel tanı/tedavi planı geliştirmesi ve prognoz ile ilgili yönlendirici bilgiler sunan önemli bir araç olacağına inanılmaktadır.

Abstract

Objective: Recent advances in computerized image processing made the early diagnosis and elective invasive treatment of vascular pathologies possible. However, studies state that the complication rates of elective procedures are higher than that of untreated cases. And, making the decision between protection from life threatening complications and unnecessary interventions is a controversial issue. Therefore, recent studies put emphasis on multidisciplinary motivation; consequently, "computational fluid dynamics" took place in medical simulations. With the aim of setting up theoretical and practical infrastructure, in this study, distributions of hemodynamic forces were discussed in vascular models. Methods: Three-dimensional distribution of hemodynamic forces in aneurismal and stenotic models were computed by using two different patient specific simulations which were constructed on two different vessel models of "parametric" and "realistic" approaches. Results: The results were consistent with almost all common practical knowledge. Continuity and Bernoulli's laws imply that a fluid moving through a wide vessel must move more quickly when the vessel narrows and the pressure decreases gradually. The relation between vessel geometry and velocity vectors in maintained laminar flow conditions was demonstrated. The impacts of radial forces and vessel wall structure on spatial distribution of the displacement in vessel geometry were also shown. Additionally, spatial distribution of the axial force of "wall shear stress" which was recently suggested to be a highly reliable measure was evaluated. Conclusion: Patient specific simulations that are believed to be the core of the future project of "clinical diagnostic expert systems" will be an important tool in prescribing patient specific treatment and in the assessment of complication risks.