|
Günümüzde araştırmalar, bu tıbbi verilerin yalnızca görsel ve dijital olarak anlaşılmasında değil, aynı zamanda akış modellerine ve simülasyonlara yönlendirilmesinde yeni bir ivme kazanmaktadır. Bu simülasyon bilgisini aktararak, insan arteri ve damarlarını gerektiğinde insanlar için sayısal ve uygun şekilde hızlı bir şekilde modellemek mümkündür.
Bu tezde, öncelikle MR ve CT makineleri aracılığıyla tıbbi veriler üretilmekte ve Hesaplamalı Akışkan Dinamik Ticari yazılım uyumlu ve okunabilir formata dönüştürülmektedir. Bunlar simülasyon ile modellenir ve 1D modelinin yapısal yetenekleri ile yazılımla birleştirilir. Bunlara arter modelleme ve yapısal özellikler ekleme, kan akış ağının çoğunu simüle etme olasılığını kullanarak simülasyonun ilk bölümünü başlatılması sağlanmıştır.
Çalışmanın ilk adımı olarak uygun ve sağlıklı verilerin temini işleminin gerekliliğiydi. Bu süreçte yirmi hastanın tıbbi verileri karşılaştırıldı. Hastalar fiziksel koşullarına göre filtrelenmiş ve prototip tıbbi modelin belirlenmesinde minimum dilim mesafesi de dikkate alınmıştır.
Açık kaynaklı ve ticari çeşitli programlar kullanılarak verilerden uygun geometrik model oluşturulması mümkün olmuştur. Modellemede kullanılan format STL (stereo-litografi) idi ve bu geometrinin dönüşümü, yüzey modelini yeniden yapılandırmak için dört yüzlü ızgaralara genişletildi. Bundan sonra, model tamamlandı ve hemodinamik özelliklerle simüle edilmeye hazır hale getirildi.
Kan akışı simülasyonu karotis, subklavyen, mezo-merkezli ve iliak arterler gibi büyük arterlerde modellenmiştir. Prototip modelde 3D kararlı çözümü vardı ancak daha sonra 3D zamana bağlı simülasyonlarla genişletildi. İlk olarak Sinüs dalga formu aort kesitinin başlangıcında hız profili olarak verildi. Daha sonra model, sistol diyastol kan akışını taklit eden deneysel verilere dayanan Womersley hız profili ile çalışacak şekilde geliştirilmiş ve sonuçlar hız, basınç dağılımı ve Duvar Kesme Gerilmesi (WSS) büyüklükleri bazında karşılaştırılmıştır.
3D arter çatallanma modelinin 1D modeli ile birleştirilmesi, ana 13 arterlerin daha ince çaplı mesafelere sahip daha küçük arterlere genişletilmesinde önemli bir adımdır.
3D-1D modeli, temel elektrik denklemlerine Navier-Stokes denklemlerinin uygulanmasıyla elde edilir. Elektriksel denklemler normal diferansiyel denklemler olmasına rağmen, yapısal özellikler ve sıvı özellikleri bu yöntem kullanılarak işleme alınır. Bu, 13 ana arterin tamamını kapalı kan dolaşımında modellemek için gerekli bir adımdır. Küçük ve orta boy arterler ve damarlar için güvenilir ve doğru bir Kırmızı Kan Hücresi (RBC) agregasyon modeli oluşturmak, hala gündemde olan, mezoskaler etkiler de dahil olmak üzere çok ölçekli yaklaşıma odaklanan aktif bir araştırma konusudur. RBC agregasyonunun daha iyi anlaşılması, Newton ve Newton olmayan parçalar ile kan simülasyonu için çok fazlı ve çok ölçekli bir yaklaşım gerektirir.
Bu tezde tıbbi çalışmalar ve görüntüleme teknikleri çokça değerlendirilmiştir. Bununla birlikte, işlemci gücünün sağlık merkezleri gibi belirli bölümlere ayrılması yaygın değildir ve belki de erken aşamadadır. Tıbbi sistemler üzerinde araştırma yapmaya kararlı bir mühendislik geçmişine sahip olan bu teknolojileri uygulamak ve koordine etmek çok nadir bir kombinasyondur.
Ek olarak, bu tip simülasyonların büyük ölçekli bilgi işlem kaynakları gerektirdiği iyi bilinmektedir. Bu simülasyonlar sırasında bilgi işlem kaynakları Enformatik Enstitüsü ve Ulusal Yüksek Performanslı Bilgi İşlem Merkezi (UYBHM) tarafından sağlanmaktadır.
Türkiye'de MR ve BT tarama görüntüleme çok yaygındır ve bazı Avrupa Ülkeleri ile karşılaştırıldığında hasta sayısı çok fazladır ve diğer araştırmacılar için bir sınır oluşturmaktadır.
Bu tez sadece matematiksel modellemede değil, aynı zamanda hesaplama karmaşıklığında da benzersizdir. Bu tezin en önemli bölümü, 1D arteriyel açık ve kapalı modelleme problemi ile büyük arterlerde, iki fazlı akış simülasyonu venözde, ince ayar için tükenme etkileşimi teorisini kullanarak ve hesaplama açısından karmaşık model ile muazzam bir artışa neden olan son sıcaklık modellemesini simüle etmek olmuştur.
Günümüzde biyomekanik, özellikle kan damarı bazlı enfeksiyonlarda, örneğin AAA, aterojenez, ateroskleroz, iç kanama ve daha fazlası gibi önemli bir iş üstlenmektedir. Trombositler ve damar duvarı arasındaki ilişkiye rağmen, kanın biyomekanik güçlerini ve gelişimini anlamak ilk ve başlangıç çabasıdır [2, 3]. [1, 7] 'ye göre, viskozite ve biyolojik akış davranışı, özellikle girdapların yaratılmasıyla değişir ve tıbbın akış davranışını etkileyebileceği biyolojik akış pertürbasyonu kullanılır. Varsayımsal ve klinik araştırma testleri, hemodinamiğin anevrizmaların ve varis oluşumunun anlaşılması üzerinde etkisi olabileceğini göstermiştir. Bilim adamları, biyo-akışkan mekanik faktörlerini anlamanın gerekli olduğuna ve akış hızı oranı, basınç ve hız gradyanları ve akış davranışı, hız dağılımı, kandaki ve kan hücreleri içindeki kayma gerilimi gibi kavramların daha fazla bilgiyi kavramamıza izin verdiğine inanıyor. Bilim adamları, kan hücreleri ve diğer hücre tabakası ile damar arasındaki etkileşim gibi olayların plak ve aglomerasyon oluşumuna neden olabileceği konusunda hemfikirdir [12].
İnsan arterleri ve damarlarındaki biyofiziksel faktörlerin fenomenlerini araştırmak için simülasyonların yapılması gerekiyor. Bununla birlikte, kan davranışını hemen anlamak için akışkanlar mekaniği yöntemlerini kullanmadan önce, diğer bazı önemli adımlar uygulanmalıdır. Her şeyden önce uygun verilerin toplanmasıdır.
MR ve CT tarama görüntüleme dünyamızda çok yaygınlaşıyor. Çok sayıda tıbbi görüntüleme merkezi sık sık açılıyor. Ancak sağlıklı bir denekten uygun veri bulmak kolay değildir. Hastalar üzerindeki radyasyon riskleri nedeniyle, tam bir arteriyel ağacın BT görüntüsünü bulmak kötü bir çekim olabilir. Bu nedenle, en uygun konuyu elde etmek için çok sayıda denek filtrelenmiş ve halen devam etmektedir [6].
Uygun veriler elde edildikten sonra, ticari bir program kullanılarak geometrik model gösterimi yeniden yapılandırılarak daha eksiksiz bir model (aorttan başlayarak 13 dallı model) ilk geometrik modele genişletilir.
Bu işlemden sonra, akışkan simülasyonları için oluşturulan bir ağ oluşturulur. Bunlar, Navier-Stokes denklemlerinin 3B sabit, 3B kararsız hallerde ve sinüs dalga formundaki giriş değerlerinin uygulanmasıyla başlatılır. Ayrıca, Womersley hız profili genellikle eklenir ve tüm yöntemler basınç, duvar basıncı ve hıza göre karşılaştırılır.
Bir sonraki adım olarak 1D modeli, 3D model ile birlikte yapılandırılır. 3B denklemlerin 1B modeline dönüştürülmesi, simülasyonun daha az hesaplamalı ve hantal bir modelde ilerlemesine yardımcı olmuştur. Daha sonra, 1D modellerin 20 dal geometrisinin bir uzantısı olarak kullanılmasının mümkün olduğunu göstermek için 3D ve 1D modeller uygulanmıştır.
Üçüncüsü, odaklanmış bir görünüm elde etmek için, kan sıvısı bir yerine iki aşamalı olarak uzatılabilir ve aranabilir. Newtonian olmayan faz (RBC) ile eklenen Newton fazı (plazma) olarak kanı almak daha kapsamlı bir çözüm sunar. Kolloidal süspansiyonların fiziksel özelliklerini tanımlama çabaları, koloidal parçacıklar arasında etkileşime giren kuvvetlerle başlayan 1910'ların başına kadar uzanıyor. 1950'lerden sonra bilim yetkilileri, çözelti içindeki soğurucu olmayan polimerlerin koloidal parçacıkların kararlılığını da etkilediğini gösterdiler. İlk olarak [37] atlanmış ve serbest cilt kavramları uygulanarak yorumlanmıştır.
Dördüncüsü, Sıcaklık CFD'de güç kaydıran bir unsurdur, bu nedenle NS denklemlerine ek olarak, enerji denklemlerinin de çözülmesi gerekir. Sıcaklık analizi sadece silindirik modele değil, aynı zamanda DVT modeline de genişletilmiştir. Analitik silindir modelinin analizi, nispeten küçük yarıçaplı arter çalışmasına odaklanmayı sağladı ve bu da mezo-ölçek yönteminin kullanımına ve çözümlerine yol açmıştır.
Şimdiye kadar, çalışmalarımız yalnızca büyük arterleri ve daha küçük bir arterin analitik modelini içeriyordu. Bununla birlikte, ek olarak, çalışmamız, periyodik kontrol sırasında gerçek bir insan hasta tarafından oluşturulan Derin Ven Trombozu (DVT) geometrisi gibi bir hastalık ve damar vaka analizi içermektedir. DVT, insan damarında kan pıhtılaşması oluştuğunda ortaya çıkan akut bir durumdur. Lifeblood yumru, basitçe, sertleşmiş bir katı hale dönüşen can damarı pıhtılaşmasının kütlesidir. Birkaç nedenden dolayı kan pıhtılaşması meydana gelebilir. DVT, kanın damarlarınızda düzenli olarak dolaşımını engelleyen kan pıhtılaşmasından kaynaklanır. Bunlar yaralanma, ameliyat, hareket kabiliyetinin azalması veya aktiviteyi içerebilmektedir.
Çalışmamızda, hemostaz durumunu ve bunun tromboz için belirli bir damar (derin damar) üzerindeki biyomekanik etkilerini simüle etmeye çalıştık ve bu tez için simülasyonları sonlandırdık.
|
|
Today, research gains new momentum in not only visual and digital understanding of these medical data but also redirecting these in to flow models and simulations. Transferring this knowledge of simulations, it is possible to model the human artery and veins numerically and suitably for humans rapidly when necessary.
In this dissertation, first, medical data through the MR and CT machines are generated and converted into Computational Fluid Dynamic Commercial software compatible and readable format. These are modeled through the simulation and are coupled with the structural abilities of the 1D model with software. Artery modeling and adding structural properties into these started the initial section of simulation, exploiting the possibility of simulating the majority of the blood flow network.
Procurement of suitable and healthy data was required as a first step in the study. Twenty patients' medical data were compared during this process. Patients were filtered according to their physical conditions and minimum slice distance was also considered in determining the prototype medical model.
The generation of suitable geometrical models from data was possible with using various programs that are open source and commercial. The format used in modeling was STL (stereo-lithography) and transformation of this geometry was extended to tetrahedral grids to reconstruct the surface model. After that, the model was then complete and ready to be simulated with hemodynamic properties.
The blood flow simulation was modeled on major arteries such as carotid, subclavian, mesenteric, and iliac arteries. The prototype model included 3D steady-state but then extended to 3D unsteady simulations. First, the sinus waveform is induced at the starting of the aorta section as a velocity profile. Second, the model is developed to run with the Womersley velocity profile which has been based on experimental data mimicking systole diastole blood flow, and the results are compared on the bases of magnitudes of velocity, pressure distribution and Wall Shear Stress (WSS).
Combining of 3D artery bifurcation model with the 1D model was a crucial step in extending the main 13 arteries to smaller arteries with thinner diameter distances.
3D-1D model is achieved by applying Navier-Stokes equations to basic electrical equations. Although electrical equations are ordinary differential equations, structural properties and fluid properties are stored using this method. This was the required step in order to model the entire 13 major arteries in closed blood circulation.
Creating a reliable and accurate Red Blood Cell (RBC) aggregation model for small and midsize arteries and veins is still an active research subject with more in focus with a multi-scale approach including mesoscale effects. Better understanding the RBC aggregation requires a multi-phase and multi-scale approach for simulating blood with Newtonian and non-Newtonian parts.
In this thesis, viscosity, shear rates, phase distributions, and volume fractions with a range of hematocrit levels of RBC are calculated using the depletion interaction theory for two-phase blood flow simulation and compared with the numerical and experimental data in the literature. In addition, thermal effects are modeled using energy equations and changes in RBC aggregation are studied with respect to thermal variations. Two-phase fluid-fluid model is used including inter-phase momentum exchange. A new shape factor is proposed for the coupling effects on drag and lift forces. Also, the total interaction energy of RBCs, hematocrit levels of blood at varying temperatures, and effects of temperature on viscosity and relative apparent viscosity are computed at varying shear rates and compared with the existing data in the literature.
Also, thermal effects are modeled using energy equations and changes in RBC aggregation are studied with respect to thermal variations at critical sections in DVT with brief span venous (parietal) valve openings. Finally, several Wall Shear Stress Indexes, including the Oscillating Shear Index and others are calculated. Therefore, hematocrit levels of blood at varying temperatures and effects of temperature on viscosity and relative apparent viscosity are computed at varying shear rates during hemostasis and compared with the existing data in the literature.
In this dissertation, Medical studies and visualization techniques are evaluated excessively. However, the dedication of processor power to specific sections such as health centers is not common and may be at an early stage. Implementing and coordinating these technologies, having with an engineering background stuff determined to research on medical systems, is a very rare combination.
In addition, it is well known that this type of simulation requires large scale computing resources. During these simulations, computing resources are provided by the Institute of Informatics and National Centeral for High-Performance Computing of Turkey (UYBHM).
MR and CT scan imaging in Turkey is very common and the patient number is enormous when compared to some European Countries setting a limit to other researchers.
This dissertation is unique not only in mathematical modeling but also in computational complexity. The most important section on this dissertation will be modeling the major arteries with a 1D arterial open and closed modeling problem, using a two-phase flow simulation, using depletion interaction theory for fine-tuning and last temperature modeling that causes an enormous increase in a computationally complex model. |
