Geri Dön

Patient-specific in-silico hemodynamic characterization of the AAOCA anomaly in left coronary artery network

Sol koroner arter ağındaki AAOCA anomalisinin hastaya özel ın-sılıco hemodinamik karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 849862
  2. Yazar: HACER DUZMAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Mühendislik Bilimleri, Bioengineering, Biotechnology, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Bilişim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 109

Özet

Kardiyovasküler hastalıklar dünya çapında yaklaşık 620 milyon insanı etkilemektedir. Aort, koroner damar, serebrovasküler hastalıklar ve derin ven trombozu en sık karşılaşılan türlerdir. Koroner damar hastalığı, her yıl yaklaşık 17,8 milyon ölüme sebep olan, dünya genelinde en yaygın üçüncü ölüm nedenidir. Koroner damarlar kalbin etrafını sarmalayan ve onun pompalanmasında görevli olan oksijen ve besin ihtiyacı olan kasları kanla besleyen damarlardır. Koroner arter, ostiyumları aort kapağının biraz üstünde ve sinotübüler bileşkenin hemen altında bulunan Valsalva sinüs bölgesinde yer alır. Sağ ve sol koroner damarlar olmak üzere ikiye ayrılır. Koroner kan akışı, kalbin toplam debisinin yaklaşık %4-5'ini oluşturur. Vücuttaki genel kan dolaşımının aksine, koronerlerde kan akışı, diyastol adı verilen kalbin gevşeme aşamasında gerçekleşir. Sağ marjinal arter ve arka inen arter, sağ koronerin iki dalıdır. Sol koroner arter ise sol sirkumfleks ve sol ön inen arterlere ayrılır. Sol ana koroner arterin farklı dallanma yapıları insanlar arasında değişlik gösterir. Bireylerin yaklaşık %0,23'ünün sol ön inen arter olarak devam eden tek bir dalı bulunurken, %74,1'i sol ön inen arter ve sol sirkumfleks olarak ikiye ayrılır. Trifürkasyon %24,18 oranında meydana gelir ve sol sirkumfleks, sol ön inen ve ramus intermedius arterlerine bölünür. Kolesterolün neden olduğu plak oluşumu, kan pıhtılaşması, tromboz ve doğuştan anatomik bozukluklar, kanın koroner damarlardan akışını engelleyen durumlar olup kalp kası hücrelerine yeterli oksijen ve besin sağlanamamasına yol açar. Bunun sonucunda zamanla kalp dokusu hasar görür ve miyokard enfarktüsü (kalp krizi) meydana gelir. Düzenli fiziksel egzersizin insan sağlığına olumlu etkileri genellikle kabul edilirken, bazen ciddi sağlık sorunları ve hatta ölümler görülebilir. Genç bireylerde ani ölümler genellikle kalp ve damar sistemindeki doğumsal anormalliklerle ilişkilendirilirken, yaşlılarda ise genellikle koroner arter hastalığının etkisi daha belirgindir. Bazı kişilerde Koroner Arterlerin Anormal Aortik Kökeni (AAOCA) olarak bilinen doğuştan bir anatomik anormallik vardır. Bu durum, çeşitli anatomik farklılıkları kapsayan, bir veya her iki koroner arterin aorttan anormal çıkışını temsil eder. Bu anormalliğin anlaşılmasında ilerleme kaydedilmiş olsa da, hangi patofizyolojik mekanizmaların ani ölüme sebep olduğu ve hangi tür AAOCA'nın en büyük riski oluşturduğu hala belirsizdir. AAOCA durumu dört ana biçimde ortaya çıkar: (i) yalnızca bir koroner artere sahip olmak; (ii) koroner arterin yanlış sinüsten anormal çıkışı; (iii) Valsalva sinüsünün dışında anormal bir koroner ostiyum; ve (iv) sol ana arterin yokluğu. Bu anormalliklere bağlı olarak koroner arterin ostiyuma bağlanma açısı da değişebilmektedir. Çok sayıda araştırma, akut kalkış açısının 45 dereceden küçük ve ostiyum şeklinin yarık benzeri eliptik formda olması durumunda, anormal koroner artere giden akışın azalmasına neden olabileceğini ileri sürmüştür. Tanımlanan üç farklı ostiyum formu vardır bunlar dairesel, yatay ve dikey olarak eliptiktir. Sol koronerde yatay olarak eliptik bir ostiyum, popülasyonda dairesel bir ostiyum kadar yaygındır. Anormal koronerlerde akut bağlanma açısının daralmasıyla daha geniş bir ostiyum şekli oluşur. Her ne kadar invazif koroner anjiyografi AAOCA'da hemodinamiyi değerlendirmek için bir yaklaşım olsa da Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simülasyonları, AAOCA'da hastaya özel hemodinamik analizlerin detaylı olarak gerçekleştirilmesi için invaziv olmayan gelişmiş bir yöntem sağlar. Çeşitli hasta gruplarının geometrileri kullanılarak AAOCA için HAD analizleri gerçekleştirilirken, sınırlı araştırma özellikle farklı bağlanma açıları ve ostiyum şekli değişiklikleri gibi sol koroner varyasyonlarına odaklanmıştır. Üç boyutlu sıkıştırılamaz Navier-Stokes ve süreklilik denklemleri, momentum ve kütle korunumunu ifade ederek kan akışını tanımlamak için kullanılır. Kısmi diferansiyel denklemler, özellikle karmaşık geometrilerde, doğrusal olmayan yapıları nedeniyle genellikle analitik çözümlerden yoksundur. Sonuç olarak, bu gibi durumlarda çözümlere yaklaşmak için sayısal yöntemler kullanılır. Bu, sayısal ayrıklaştırma olarak bilinen uzay ve zamandaki cebirsel formlarına dönüştürülmesini içerir. Sonlu hacimler yöntemi, akışkanlar dinamiğinde bu amaçla yaygın olarak kullanılan bir yaklaşımdır. Açık kaynaklı bir yazılım olan OpenFOAM® ESI, bu yöntemi kullanmaktadır. Bu çalışmada, hemodinamik analizler OpenFOAM® kullanılarak gerçekleştirilir. Tez çalışmasının amacı, AAOCA'nın akut bağlanma açısı ve ostiyum anormalliklerin, sol koroner damar ağı üzerindeki etkilerini araştırmaktır. Sol koroner damarın hastaya özel üç boyutlu yapılandırılmış geometrisi Slicer 3D® programı kullanılarak , 48 yaşında sağlıklı bir erkeğin bilgisayarlı tomografi koroner anjiyografi görüntülerinden üretilir. Ayrıca, bu sağlıklı geometriden yararlanılarak iki adet AAOCA modeli daha oluşturulur; her model, sırasıyla 38° ve 23° bağlanma açıları ve eliptik bir ostiyum ile karakterize edilir. GridPro® kullanılarak gerçekleştirilen ağ oluşturma işlemi, içinde O-Grid yapısını barındıran hexahedral ağlardan oluşturulur. Ardından, HAD simülasyonları OpenFOAM® ESI yazılımı kullanılarak gerçekleştirilir. Yüksek işlevselliği ve açık kaynak yapısıyla bilinen bu yazılım, sonlu hacim yöntemleri kullanır. Casson ve Bird-Carreau gibi Newton tipi olmayan ve Newton tipi reolojik modelleri kullanan HAD simülasyonları, tek girişli ve altı çıkışlı modelleri kapsayan, farklı bağlanma açıları ve ostiyum konfigürasyonları altında sol koroner damarın kan akışını simüle etmek için kullanılır. Sol koronerin gerçekçi pulsatil hız giriş profili, giriş sınır koşulları olarak uygulanır. Altı çıkışta sınır koşulu olarak basınç sıfıra ayarlanır. Koroner arterlerin duvarları sert ve kaymama sınır koşulu olarak kabul edilir. OpenFOAM® ESI PIMPLE çözücüsü, toplam 1,6 saniye süren sistol ve diyastol fazlarını içeren iki kalp döngüsü boyunca simüle ederek geçici, sıkıştırılamaz ve viskoz kan akışı olaylarını çözmek için kullanılır. Courant sayısının 0,15'in altında kalmasını sağlayacak bir zaman adımı seçilir. Hesaplamalı iş yükü 128 çekirdeğe bölünerek yüksek performanslı sistemlerde çalıştırılır. Mevcut çalışmalarda öncelikle hız, basınç, duvar kayma gerilimi ve zaman ortalamalı duvar kayma gerilimi parametreleri değerlendirilir. Çalışmamız, radyal yönde duvar kayma gerilimi ve fraksiyonel akış rezervi indekslerini de inceleyip bu araştırmaları genişleterek AAOCA'daki hemodinamik değişikliklerin daha kapsamlı bir değerlendirmesini sağlar. Radyal yönde duvar kayma gerilimi, akışın tek yönlü veya çok yönlü bileşenlere sahip olup olmadığını gösterir. Özellikle, akış yönü dışındaki yönlerde oluşan gerilimin gücünü ölçer. Fraksiyonel akış rezervi, koroner damardaki darlığı ölçmede kullanılan bir yöntemdir. Klinik ölçümü pahalıdır, hasta için farmakolojik ve cerrahi komplikasyonlar oluşturabilmektedir. Bilgisayarlı tomografi tabanlı anatomik modeller ve HAD kullanan non-invaziv hesaplama teknikleri, fraksiyonel akış rezervini değerlendirmek için bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Bu yaklaşım, invazif ölçümlerle ortaya çıkan masrafları ve potansiyel komplikasyonları azaltmaktadır. Hemodinamik indeksler, hastalıkların uzun ve kısa vadedeki öngörü potansiyellerini gösterir. Dolayısıyla, bu çalışma şunları göstermektedir: sol koroner damar içerisinde kan dağılımı en çok sol ön inen artere giderken, en az sol sirkumfleks arter dalını beslemektedir. Bağlanma açısı daraldıkça sol sirkumfleks dalına doğru kan akışında hafif bir azalma meydana gelmektedir. Akış düzeni ardışık çatallanmalar nedeniyle bozulur ve girdap oluşumlarına neden olmaktadır. Sol sirkumfleks ve ramus intermedius dallarının çıkışlarında erken sistolik faz sırasında geri akış gözlemlenir. Koroner arterlerde viskoz etkilerin momentum kuvvetlere baskın olması, daha doğru sonuçların elde edilmesinde Newton tipi olmayan reolojik modellerin kullanılmasının uygunluğunu göstermektedir. Radyal yönde duvar kayma gerilimi sonuçları, özellikle sol koroner trifürkasyonu ve sol ön inen dalının çatallanma bölgeleri olmak üzere bağlanma açısı daraldıkça radyal yönde aşırı gerilimlerin olduğunu göstermektedir. Newton tipi reoloji modeli, Newton tipi olmayan modellere kıyasla daha düşük radyal yönde duvar kayma gerilimi sergilemektedir, bu da onun koroner arterler için uygun bir model olmadığını göstermektedir. Bu sonuçlar, kardiyovasküler sağlık üzerinde önemli etkileri olan, değişen ostiyum şekli ve bağlanma açısının hemodinamik etkilerine ilişkin araştırmaların önemini vurgulamaktadır. Çalışmadan elde edilen sonuçların geliştirilmesi için modelin çıkış sınır koşulları daha gerçekçi verilmesi ve iki yönlü akışkan-yapı etkileşimi simülasyonlarının yapılması hedeflenmektedir. Ayrıca, kalbin kasılması ve gevşemesinin neden olduğu hareket nedeniyle, koroner arterler de hareket eder. Bu bağlamda, hareketli bir koordinat sistemi kullanarak momentumun akış üzerindeki etkisi de incelenecektir. Ek olarak, genellikle düzensiz ve hızlı kalp ritimleriyle karakterize edilen atriyal fibrilasyonun, koroner arter hastalığını tetiklemede önemli bir faktör olduğunu belirtmek önemlidir. Bu olguyu araştırmak amacıyla, atriyal fibrilasyon verilerini bir giriş sınır koşulu olarak kullanmak ve bu durumun koroner arter akışı üzerindeki etkisini analiz etmek planlanmaktadır. Bunlar, koroner içindeki kan akışı davranışının karmaşıklığı ve kardiyovasküler sistem üzerindeki potansiyel etkileri hakkında daha kapsamlı sonuçlar sağlar. Bu alanda yapılacak daha fazla araştırma, koroner arterle ilişkili durumlar için daha etkili teşhis ve tedavi stratejilerinin geliştirilmesine önemli bir katkı sağlayabilir. Bu sayede, koroner damar hastalığı risk faktörlerine sahip bireylerde uygulanacak hedefe yönelik önleyici tedbirler ve müdahaleler, potansiyel hastalıkların ve ölüm riskinin azaltılmasında kritik bir rol oynayabilir.

Özet (Çeviri)

The coronary arteries surround the heart and supply blood to the muscles that pump oxygen and nutrients to the heart. Coronary artery disease (CAD) is a significant health concern for people around the world. Cholesterol-induced plaque build-up, thrombosis, and congenital anatomical defects can obstruct the blood flow through the coronary arteries. Anomalous Aortic Origin of the Coronary Artery (AAOCA) is a congenital anomaly, the second leading cause of sudden death in young athletes. The hemodynamic analysis is necessary due to the inadequacy of clinical imaging techniques in determining the problems caused by anomalies in blood flow. This study reconstructs the left coronary artery geometry from computed tomography images of a healthy 48-year-old male by using Slicer 3D®. Additionally, two models of AAOCA are developed based on this typical structure. Each model features acute take-off angles measuring 38° and 23°, along with an elliptical ostium. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are employed, utilizing both Newtonian and non-Newtonian rheological models like Casson and Bird-Carreau, to study blood flow behavior and explore the impacts of anomalies. The OpenFOAM® ESI PIMPLE solver is used to simulate transient, incompressible, and viscous blood flow phenomena, including systole and diastole phases over two cardiac cycles. Hemodynamic indexes are utilized to investigate how the take-off angle and ostium shape of the left coronary artery affect blood flow in individuals with AAOCA. These indexes include velocity streamlines, wall shear stress, time-averaged wall shear stress, transverse wall shear stress, and fractional flow reserve. As a result, the study demonstrates that blood distribution within the left coronary artery is toward the left anterior descending artery, with the left circumflex artery branch receiving the least amount of blood. A slight reduction in blood flow towards the left circumflex branch occurs as the take-off angle narrows. Consecutive bifurcations disrupt the flow pattern, leading to the formation of vortices. Reverse flow is observed during the early systolic phase at the outlets of the left circumflex and ramus intermedius branches. There is a significant increase in transverse wall shear stress at the regions where the LCA trifurcates and LAD divides into two branches as the angle narrows. Furthermore, it is clear that at low Reynolds numbers in coronary arteries, viscous effects have a greater impact than momentum. This highlights the crucial need to use non-Newtonian rheological models to achieve more accurate simulations of blood flow. Hemodynamic analyses allow for the implementation of preventative treatments for individuals with coronary artery disease, reducing the risk of mortality.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    872505

    Design process, manufacturing and material characterization of a prosthetic polymer aortic heart valve

    Protez polimer aort kalp kapağının tasarım süreci, üretimi ve malzeme karakterizasyonu

    MÜGE YAREN YAŞARTÜRK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ

  2. Tez No

    648514

    Computational growth modeling and surgical planning of arterial patch reconstructions

    Bilişimsel büyüme modellemesi ve cerrahi arteriel rekonstruksiyon planlaması

    SEYEDEH SAMANEH LASHKARINIA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    BiyomühendislikKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEREM PEKKAN

  3. Tez No

    738149

    Primer immün yetersizlik hastalarında belirlenen yeni varyantların validasyonu

    Validation of new variants identified in primer immune deficiency patients

    MERVE SARITAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Genetikİstanbul Üniversitesi

    Genetik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MÜGE SAYİTOĞLU

  4. Tez No

    896761

    Investigation of the tumor suppressor role and molecular mechanism of miR-27a-5p in prostate cancer

    Prostat kanserinde miR-27a-5p'nin tümör baskılayıcı rolünün ve moleküler mekanizmasının araştırılması

    CEYDA NUR ZAİM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Biyolojiİstanbul Medeniyet Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NAGEHAN ERSOY TUNALI

  5. Tez No

    845278

    Generation of human induced motor neurons from patients with BVVL harboring novel neurodegeneration causing mutation

    Nörodejenerasyona yol açan yeni bir gen mutasyonu taşıyan BVVL hastalarına ait indüklenmiş motor nöronların oluşturulması

    DENİZ ATA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Moleküler TıpKoç Üniversitesi

    Hücresel ve Moleküler Tıp Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TEVFİK TAMER ÖNDER

    DOÇ. DR. ATAY VURAL

Geri Dön