2013

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

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.

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

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.

PDF

___

Steinman DA. Image-Based Computational Fluid Dynamics Modeling in Realistic Arterial Geometries. Annals of Biomedical Engineering 2002; 30: 483-97.
Wentzel JJ, Chatzizisis YS, Gijsen FJH, Giannoglou GD, Feldman CL, Stone PH. Endothelial shear stress in the evolution of coronary atherosclerotic plaque and vascular remodelling: current understanding and remaining questions. Cardiovascular Research 2012; doi:10.1093/cvr/cvs217.
Filipovic N, Ivanovic M, Krstajic D, Kojic M. Hemodynamic Flow Modeling Through an Abdominal Aorta Aneurysm Using Data Mining Tools. IEEE Transactions on Information Thechnology in Biomedicine 2011; 15: 189- 94.
Numan F, Gülşen F, Arbatlı H, Cantaşdemir M, Solak S. Aort Anevrizmalarının Endovasküler Tedavisinde Yeni Ufuklar. Türk Göğüs Kalp Damar Cerrahisi Dergisi 2011; 19: 27-32.
Fedakar A, Mataracı İ, Şaşmazel A, Büyükbayrak F, Eren E, Toker M et al. Abdominal Aort Anevrizmasında Elektif ve Acil Cerrahi Onarım. Türk Göğüs Kalp Damar Cerrahisi Dergisi 2010; 18: 100-5.
Khader SMA, Zubair Md, Pai R, Rao BVRK, Kamath SG. A Comparative Study of Transient Flow through Cerebral Aneurysms using CFD. World Academy of Science, Engineering and Technology 2009; 36: 606-10.
Miljkovic O, Ivanovic M, Filipovic N, Kojic M. AI Models of the Hemodynamic Simulation. Journal of the Serbian Society for Computational Mechanics 2008; 2: 59-72.
Torii R, Oshima M, Kobayashi T, Takagi K, Tezduyar TE. Influence of wall elasticity in patient-specific hemodynamic simulations. Computers & Fluids 2007; 36: 160-8.
Ge L, Sotiropoulos F. A numerical method for solving the 3D unsteady incompressible Navier-Stokes equations in curvilinear domains with complex immersed boundaries. Journal of Computational Physics 2007; 225: 1782-809.
Steinman DA, Milner JS, Norley CJ, Lownie SP, Holdsworth DW. Image- Based Computational Simulation of Flow Dynamics in a Giant Intracranial Aneurysm. American Journal of Neuroradiology 2003; 24: 559-66.
Dobrin PB. Distribution of lamellar deformation implications for properties of the arterial media. Hypertension 1999; 33: 806-10.
Malek AM, Alper SL, Izumo S. Hemodynamic Share Stress and its Role in Atherosclerosis. Journal of the American Medical Association 1999; 282: 2035-42. of the Bloodstream Impacting Force and the Local Pressure Elevation in the Rupture of Cerebral Aneurysms. Stroke 2005; 36: 1933-38.
Jeong W, Rhee K. Hemodynamics of Cerebral Aneurysms: Computational Analyses of Aneurysm Progress and Treatment. Computational and Mathematical Methods in Medicine 2012; doi:10.1155/2012/782801.
Filipovic N, Nikolic D, Saveljic I, Milosevic Z, Exarchos T, Pelosi G et al. Computer simulation of three dimensional plaque formation and progression in the coronary artery. Computers and Fluids 2013; 88: 826- 33.
Filipovic N, Kojic M, Ivanovic M, Stojanovic B, Otasevic L, Rankovic V. MedCFD, specialized CFD Software for Simulation of Blood Flow Through Arteries, University of Kragujevac, Serbia, 2007. 17. CFDVasc. Available http://www.bioirc.ac.rs/index.php/software/57-cfdvasc. from: URL:
Ai L, Yu H, Takabe W, Paraboschi A, Yu F, Kim ES et al. Optimization of Intravascular Shear Stress Assessment in Vivo. Journal of Biomechanics 2009; 42: 1429-37.
Tezduyar TE. CFD methods for three-dimensional computation of complex flow problems. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 1999; 81: 97-116. Filipovic N, Milasinovic D, Zdravkovic N, Böckler D, Tengg-Kobligk H. Impact of Aortic Repair Based on Flow Field Computer Simulation within the Thoracic Aorta. Computer Methods and Programs in Biomedicine 2011; 10: 243-52.
Pehlivan F. Biyofizik. 8. Ed. Ankara Pelikan Yayıncılık; 2015.
Hazer D, Unterhinninghofen R, Kostrzewa M, Kauczor HU, Dillmann R, Richter GM. Wall Shear Stress simulations in a CT based human abdominal aortic model. German Medical Science CURAC 2007; 2: Doc01.
Heim L, Poole RJ, Warwick R, Poullis M. The concept of aortic replacement based on computational fluid dynamic analysis: patient- directed aortic replacement. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery 2013; 16: 583-8.