Geri Dön

Application of computational fluid dynamics to investigate hemodynamics of two types of cardiovascular diseases: Cerebral aneurysm and failure of fontan circulation

Hesaplamalı akışkanlar dinamiğinin kardiyovasküler hastalıkların hemodinamik incelemesinde uygulanması: Serebral anevrizma ve fontan dolaşımında bozukluk

PDF İndir

  1. Tez No: 434275
  2. Yazar: GÖKÇE NUR OĞUZ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. KEREM PEKKAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Göğüs Kalp ve Damar Cerrahisi, Makine Mühendisliği, Bioengineering, Thoracic and Cardiovascular Surgery, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 60

Özet

Kalp veya kan damarları ile ilgili hastalıkların tümüne kardiyovasküler kalp hastalıkları denmektedir ve tüm dünyada bir numaralı ölüm sebebidir. Beyin damar hastalıkları ve doğuştan kalp hasarları kardiyovasküler hastalığın türlerindendir. Diğer birçok fizyolojik sistem arasında özellikle kardiyovasküler sistem araştırmacılar tarafından yoğun ilgi görmektedir ve bu sistemin sayısal modellemesi popüler araştırma alanlarından biridir. Hastalığın oluşumunda ve gelişiminde hemodinamik parametrelerin rolü büyüktür. Bu nedenle kan akışının arkasında yatan mekanizmayı anlamak büyük bir öneme sahiptir ve hastalığın tedavisi ve teşhisinde kullanılabilmektedir. Geçtiğimiz yıllarda kardiyovasküler sistem üzerine birçok hesaplamalı akışkanlar dinamiği çalışması yapılmıştır. Bu çalışmanın ana motivasyonu kardiyovasküler hastalıklarda karşılaşılan geometriler üzerinde hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanarak gerekli hemodinamik parametreleri elde etmek, damar içerişinde oluşan akışı incelemek ve bu sonuçları hastalıkların tedavisine katkıda bulunmak için kullanmaktır. Beyin damarı anevrizması ve Fontan dolaşımında bozukluk kardiovasküler rahatsızlığın türlerindendir. Bu çalışmada bu iki hastalıkta karşılaşılan gerçekçi geometriler üzerinde hesaplamalı akışkanlar dinamiği çalışması yapılarak bu geometriler içerisindeki akışlar incelenmiş, karşılaştırılmış ve önemli hemodinamik parametreler hesaplanmıştır. Son yapılan klinik çalışmaların gösterdiği üzere, tek odacıklı doğuştan kalp hastalığının tedavisinde uygulanan ameliyat sırasında kullanılan grefin içerisinde oluşan hemodinamik enerji kaybı, ameliyat sonrasındaki kalp debisini ve hastanın egzersiz kapasitesini belirleyen en önemli faktördür. Bu çalışmada, ameliyatta kullanılan gref üzerinde burulma ve anastomozda oluşan eksenel sapma kaynaklı şekil değiştirme sebebiyle oluşan enerji kayıpları incelenmiştir. Fizyolojik basınç değerleri (9, 12, 15 mmHg) altında şekil değiştirmiş alt ana toplardamar geometrilerini oluşturabilmek için yapay bir toplardamar – akciğer damar bağlantı devresi kurulmuş ve bu devre için ameliyatlar sırasında en çok kullanılan 3 malzeme çalışılmıştır: PTFE, Dacron ve domuz perikardı. Burulma kaynaklı şekil değiştirmenin kan akışı üzerindeki etkisini incelemek için 3 farklı burma açısı (0°, 30°, 60°) ve 3 farklı eksenek sapma değeri (0 Çap, 0.5Ç ve 1Ç ) uygulanmış ve ayrıca hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizeleri yapılarak grefin hemodinamik verimi incelenmiştir. 81 farklı şekil değiştirmiş geometri çalışılmış ve giriş çıkış arasında oluşan basınç farkı değerleri %80 ile %1070 arasında bulunmuştur. Bu yüzdeler ideal alt ana toplardamar visonuçlarına göre hesaplanmıştır. Farklı malzemeler akış ve enerji kaybı anlamında çok farklı sonuçlar doğurmuştur. Örneğin domuz pericardı dacron grefine göre 8 kat fazla basınç değişimi göstermiştir. Benzer şekilde PTFE grefi Dacron grefine göre 3 kat fazla basınç değişimine sebep olmuştur. Ameliyat sırasında anastomozda oluşan burkulma ve eksenel sapmanın kaçınılmaz olduğu durumlarda hemodinamiği daha az etkileyen ve daha sert olan bir gref malzemesinin kullanılması değerlendirilebilir. Beyin damarı anevrizmaları damar duvarında oluşan genişlemelerin etrafında oluşmaktadır ve yırtılmaları felç veya %60 oranla ölümle sonuçlanmaktadır. Günümüz görüntüleme teknikleriyle anevrizmalar tespit edilebilmektedir ve cerrahlar sonrasında anevrizmanın tedavi edilip edilmeyeceğine karar vermek durumundadır. Bazı durumlarda tedavinin doğurabileceği sonuçların tehlikesi yırtılma tehlikesinden daha yüksek olabilmektedir. Bu sebepten dolayı en çok yırtılma riskine sahip olan anevrizmayı belirleyebilmek çok önemlidir. Kan akışından kaynaklı kuvvetler gibi anevrizma içi hemodinamiklerin anevrizmanin gelişiminde ve oluşumunda morfolojisinden daha etkili olduğuna dair görüşler vardır. Tedavi kararı öncesi anevrizma içi akış özellikleri ile yırtılma riski arasındaki ilişkiyi tam anlamıyla anlamak büyük önem arz etmektedir. Bu çalışmada saküler anevrizmaya sahip 5 hastadan alınan geometriler çalışılmıştır. Bu 5 anevrizmadan birisi yırtılmıştır fakat hangisinin yırtık olduğu bilinmemektedir. Çalışmanın amacı bu 5 farklı anevrizma içerisindeki akışı çözerek hemodinamiği incelemek ve bulunan sonuçlar üzerinden hangi anevrizmanın yırtılmış olduğuna karar vermektir. Bu çalışmadaki en önemli nokta yırtılan anevrizmanın gizli oluşudur ve bütün analizler ve sonuçlar yırtılan anevrizma bilinmeden yazılmıştır. Yırtılan anevrizma ile ilgili bilgiler Uluslarası Anevrizma Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Çalışması 2015 makalesinde 2016 içerisinde yayınlanacaktır. Duvar kayma gerilimi konturları, akış çizgileri, anevrizma ortalama yüzey alanı, anevrizma ortalama hacmi, anevrizma üzerinde en uzun uzaklık ve ortalama duvar kayma gerilimi gibi parametreler ölçülmüş ve analiz edilmiştir. 5 durum için bulunan hemodinamik değerler birbirinden oldukça farklı çıkmıştır. Sonuç olarak düşük duvar kesme gerilimi, bozuk akış çizgileri ve yüzeyde küçük çıkıntıların yırtığa sebebiyet verdiği varsayımı üzerinden yırtık olan durum seçilmiştir.

Özet (Çeviri)

Cardiovascular disease is the combination of diseases that involve blood vessels or heart and it is the number one cause of death all over the world. Cerebrovascular disease and congenital heart defects are types of cardiovascular diseases. Among many other physiological systems cardiovascular system gets more attention from researchers and computational modeling of this system is one of the most popular research area. Hemodynamic parameters have a great role on disease formation and growth due to this fact understanding the underlying mechanisms behind flow characteristics is important and used in treatment and diagnostics of diseases. There are wide range of computational fluid dynamic (CFD) studies conducted on cardiovascular system over several decades. Quantifying the flow field and hemodynamic parameters in geometries related to cardiovascular diseases and using the results to improve the treatment procedures for the specific disease is the main motivation of this study. In this study CFD is used to evaluate important hemodynamic parameters and comparison of different flow fields for geometries related to two different cardiovascular diseases; cerebral aneurysm and failure of Fontan circulation. For the palliative repair of single-ventricle congenital heart defects, the hemodynamic energy loss of the surgical conduit determines the post-operative cardiac output and exercise capacity, as demonstrated by recent clinical studies. In this study, the hemodynamic energy loss of severely deformed surgical pathways due to torsional deformation and anastomosis offset are investigated. A mock-up total cavopulmonary connection circuit is designed to replicate the mechanically failed Inferior Vena Cava (IVC) anastomosis morphologies under physiological venous pressure (9, 12, 15 mmHg), in vitro, employing the commonly used conduit materials: PTFE, Dacron, and porcine pericardium. The sensitivity of hemodynamic performance to torsional deformation for 3 different twist angles (0°, 30°, 60°) and 3 different caval offsets (0Diameter, 0.5D and 1D) are digitized in three dimensions and employed in computational fluid dynamic simulations to determine the corresponding hydrodynamic efficiency levels. A total of 81 deformed conduit configurations are analyzed; the pressure drop values increased from 80 to 1070 % with respect to the ideal uniform diameter IVC conduit flow. The investigated surgical materials resulted in significant variations in terms of flow separation and energy loss. For example, the porcine pericardium resulted in a pressure drop that was 8 times greater than the Dacron conduit. Likewise, PTFE conduit resulted in a pressure drop that was 3 times greater than the Dacron conduit under ivthe same venous pressure loading. If anastomosis twist and/or caval offset cannot be avoided intraoperatively due to the anatomy of the patient, alternative conduit materials with high structural stiffness and less influence on hemodynamics can be considered. Cerebral or intracranial aneurysms are localized dilation of local vessel wall and their rupture can result in stroke and death with a 60% mortality rate. Aneurysms can be detected by using present imaging techniques and experts should decide whether to leave the aneurysm or apply a treatment, because the risks of the current treatment methods can exceed the risk of aneurysm rupture. It is very important to find the riskiest unruptured aneurysm before taking the procedural risks. It is speculated that intra-aneurysmal hemodynamics i.e. forces resulting of the blood flow itself is the more important factor rather than morphology in both pathogenesis and thrombosis of cerebral aneurysm. A fully understanding of relation between blood flow characteristics and rupture risk is very important before deciding on treatment due to its important role in the mechanism of initiation, growth, and rupture. In this study 5 patient specific geometries with saccular aneurysms which is the most common form of cerebral aneurysm, are gathered as Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM) data. Among them anonymously one of them was already rupture. The aim of the study is to investigate the flow hemodynamics inside 5 different patient specific aneurysms and determine the rupture by using flow characteristics data gathered from the CFD simulations. The important aspect of the study is the obscurity of the ruptured geometry, results and discussion are written while the ruptured case is still unknown. Ruptured case will be identified in International Aneurysm CFD Challenge 2015 manuscript which will be published in 2016. Parameters such as wall shear stress contours, velocity streamlines, average surface area of the aneurysm, average volume of the aneurysm, maximum length of the aneurysm and mean wall shear stress levels are evaluated and analyzed. Hemodynamic parameters for all five cases resulted distinctively. thus, rupture case is selected by hypothesizing that aneurysm rupture is associated with low wall shear stress with disturbed flow field and had small impingement region on the surface.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    909051

    Hemodynamic characterization of heart and venous valves based on multi-phase blood flow and FSI modelling

    Çok fazlı kan akışı ve FSI modellemesine dayalı kalp ve venöz kapakçıkların hemodinamik karakterizasyonu

    REZA DARYANI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ

  2. Tez No

    828264

    Modeling of two-phase blood flow and fluid-structure interactions in cerebral aneurysms

    Serebral anevrizmalarda iki-fazlı kan akışının ve bunun damar duvarları ile etkileşimlerinin modellenmesi

    HAMED PAHLAVANI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR

  3. Tez No

    305866

    Numerical investigation of hemodynamics in the artificial artery-aorta anastomosis and the inflow cannula in ventricular assist systems to prevent complications

    Ventrıküler destek sıstemlerınde komplıkasyonların azaltılması amacıyla yapay damar-aorta anastomozunun ve gırıs kanülünün hemodınamık acıdan sayısal ıncelenmesı

    GİZEM INCİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Makine MühendisliğiYeditepe Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. DR. ESRA SORGÜVEN ÖNER

  4. Tez No

    142900

    Yapay hava kavitesinin incelenmesi

    Investigation of artificial air cavity

    SERKAN GÖKÇAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA İNSEL

  5. Tez No

    604672

    Kamyon şoför kabini için konfor şartlarına uygun hava sirkülasyonunun incelenmesi

    The investigation of proper air circulation for truck cabin according to comfort conditions

    TUĞBA YURTSEVEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GALİP TEMİR

Geri Dön