بخشی از مقاله
چکیده
پارگی آنوریسم شریان مغزی زمانی رخ میدهد که نیروی وارده بر دیواره شریان از حد بحرانی مقاومت بافت دیواره تجاوز کند. در حال حاضر، ارزیابی خطر پارگی آنوریسم ممکن نیست و براساس آزمایشات، پیشنهاد شده است که شکل آنوریسم در پارگی موثر است. در این پژوهش مدل محاسباتی برای شبیه سازی برهمکنش سیال و ساختار در آنوریسم مغزی بر اساس هندسه محل آسیب بیمار خاص دارای آنوریسم حجیم کیسهای با تاکید برنیروهای همودینامیکی انجام شد. مطالعه بر روی سه فاز سرعت مختلف در سیکل جریان خون در شریان مغزی - ICA سیستول، دیاستول و سرعت میانگین سیکل جریان خون - انجام شد.
همینطور برای ناحیه سیال، مدل نیوتنی و غیرنیوتنی و برای ناحیه جامد از مدل هایپرالاستیک و الاستیک خطی استفاده شد. نتایج نشان داد که در سرعت جریان خون سیستول تاثیر خواص غیرنیوتنی سیال کاهش مییابد. اختلاف در بین مدل هایپرالاستیک و الاستیک خطی در مقادیر جابجایی دیواره با افزایش سرعت افزایش مییابد. با توجه به بررسی جدید انجام شده در این تحقیق که توجه هم به جنس سیال، جنس دیواره و تاثیر سرعت جریان ورودی که از نتایج بدست آمده، از این مطالعه و مطالعههای مشابه در پیدا کردن محلی که آنوریسم احتمال خطر پارگی بیشتر دارد، استفاده میشود تا در اقدامات پزشکی مورد نیاز برای بیمار خاص و همین طور در پیش بینی وضعیت بیمار پس از جراحی، کمک بسزایی کند.
کلمات کلیدی: آنوریسم مغزی، مطالعه مبتنی بر دادههای یک بیمار خاص، برهمکنش سیال با ساختار، همودینامیک
-1 مقدمه
یکی از دلایل سکته مغزی، قطع جریان خون به مغز به دلیل پارگی ناگهانی آنوریسم1 در شریان های درون جمجمهای است. منشاء آنوریسم های مغزی مرتبط با انبساطهای ناهنجار که در شریان های اصلی چرخه ویلیس رخ میدهد میباشد [1]در، حالی که تقریباً فقط 2 تا 5 درصد جمعیت کل جهان به آن دچار هستند .[2] آنوریسم های پاره شده در اکثر موارد موجب خون ریزی زیر عنکبوتیه2 با نرخ مرگ و میر بالای 40 تا 50 درصد میشوند .[3]در مطالعات پارگی آنوریسم، فرض شده است که برهمکنش بین سیال و ساختار3 در ارتباط با همودینامیک داخل شریان و بیومکانیک دیواره رگ، نقش اساسی در سازوکار پارگی آنوریسم دارد .[4] عامل اصلی در پارگی آنوریسم هنوز ناشناخته است.
در مطالعه ارائه شده و کارهای مشابه ایشیدا [5]، نشان داده شده است که شبیه سازی برهمکنش سیال ساختار این توانایی دارد که اطلاعاتی برای جابجایی دیواره آنوریسم و سایر پارامترهای بیومکانیکی بدست آورد. روشهای آزمایشگاهی کنونی توانایی بدست آوردن این اطلاعات را ندارند. با این وجود میتوان یک عمل مداخلهای مخصوص برای بیمار پیداکرد .[6] بنابراین، این مهم است که مدلسازی پیش جراحی بیمار خاص برای پیداکردن درمان بهتر بیمار استخرج بشود .[6]
آنوریسم پاره شده به طور کلی در گنبد آنوریسم بیشترین جابجایی، کمترین تنش برشی میانگین و تنش فون میزز را دارد .[4] تنش برشی دیواره باعث تحریک سلول اندوتلیال4 میشود و از طریق آرایش دوباره و ازدیاد طول تغییر شکل میدهد. در نتیجه، دینامیک سیال نقش مهمی را در رشد و پارگی آنوریسم ایفا میکند .[7] ناحیهای از آنوریسم که در شرایط جریان با رینولدز پایین به وجود میآید، معمولا در گنبد است .[8] تنش برشی بالای دیواره را بعنوان فاکتور اصلی در گسترش و رشد آنوریسم مغزی میشناسند .[9] طبق تحقیقات انجام شده بر روی سلول اندوتلیال، تنش برشی دیوارهی تقریبا 2 Pa برای ثبات ساختار دیواره آنوریسم مناسب است، درحالیکه تنش برشی دیواره کمتر، باعث نابودی سلولهای اندوتلیال میشوند. در این مورد، مرگ برنامهریزی شدهی سلول اندوتلیال تحت عنوان سیکل سلولی آپوپتیک5 رخ میدهد .[10]
گزارش شده است که ناحیه گنبدی رایجترین مکان پارگی آنوریسم است. ترکیب انبساط زیاد با تنش برشی دیواره کم باعث ایجاد ثبات کمتر برای گنبد آنوریسم میشود. شکل آنوریسمهای پاره شده معمولا بیضیتر از آنوریسم های پاره نشده است . رابطه بین مقدار زیاد نسبت بین ارتفاع گنبد آنوریسم با عرض گردن آنوریسم با پارگی در کار سپاهی [11] نیز گزارش شده است. در کار آقای لی [4] گزارش شده است که انبساط طولی و پیک در گنبد برای نسبت ابعاد بالا و همینطور انبساط جانبی و پیک در گردن برای نسبت ابعادهای پایین است. هرچند، مطالعات برهمکنش سیال با ساختار برای بانک اطلاعاتی بزرگتر از آنوریسم های پاره شده و پاره نشده نیاز است تا مدارک بیشتری برای این نتیجه گیری فراهم کند. از لحاظ پزشکی، سایز آنوریسم سریعترین و قابل اعتماد ترین روش برای پیش بینی آنوریسم است .[4]
هدف از این مطالعات، بررسی بیشتر شرایط دخیل در محاسبات، برای تعیین نیروهای همودینامیکی آنوریسمهای مغزی بیمار خاص است تا با کمک به جراحان با نشان دادن میزان خطر پارگی آنوریسم و محل محتمل برای پارگی آنوریسم - با استفاده از روشهای تصویربرداری غیرهجومی بیمار خاص - بهترین روش درمان را پیدا کنند. بدلیل پیچیدگی مدلسازی در آنوریسم مغزی، نیاز است که پژوهش بیشتری در زمینه خواص مکانیکی مورد استفاده در مدلسازی انجام شود. در این پژوهش با توجه به کارهای پیشین برای هندسه بیمار خاص مقایسه عددی بر روی جنس مواد سیال و جامد انجام شد و میزان تاثیر سادهسازی مسئله دیده شد.
-2 روش بررسی
در این مقاله، از بین 6 نمونه تصاویر بیماران دارای آنوریسم مغزی که از مرکز تصویر برداری پزشکی توسکا تهیه شد، هندسه بیمار خاص مونث، 56 ساله دارای آنوریسم حجیم کیسهای با ارتفاع آنوریسم 16/17 mm با قطر گردن 10/96 mm انتخاب شد که نسبت ابعاد آن - نسبت عمق آنوریسم به گردن آنوریسم - برابر با 1/47 است که در شکل 1 میبینیم. این تحقیق در بررسی خواص دیواره رگ در دو حالت الاستیک و هایپرالاستیک و همین طور خواص خون در دو حالت نیوتنی و غیرنیوتنی در سه سرعت سیستول، دیاستول و میانگین سرعت در یک ضربان جریان خون به صورت ثابت زمانی در شریان مغزی مورد بررسی قرار گرفت که در کل، 12 نتیجهی مختلف بدست آمد و مورد بررسی قرار گرفت.
-1-2 تولید هندسه
تصاویر سی تی آنژیوگرافی6 دو بعدی به تعداد 233 برش توسط نرم افزار میمیکس7 تبدیل به مدل سه بعدی شد. برای تحلیل برهمکنش سیال ساختار، دیواره شریان ضخامت 0/3 mm براساس مطالعه توری [12] در نظر گرفته شد.
-2-2 مدل محاسباتی سیال
سیال به صورت تراکم ناپذیر در دو حالت نیوتنی و غیرنیوتنی در نظر گرفته شد. همچنین، چگالی خون برابر با kg/m3 [13] 1050 است. برای جریان سیال از معادلات ناویر -استوکس حاکم برای جریان تراکم ناپذیر استفاده شد. این معادله بر اساس دو قانون بقا جرم و بقا مومنتوم در سیال استفاده شد که در معادله زیر میآید : 13
که P، ، u و بهترتیب فشار، چگالی ، سرعت و لزجت سیال است. خون در واقع سیالی غیرنیوتنی است ولی در رگ-های با قطر بزرگتر از 0/1 mm رفتار شبه نیوتنی دارد، و به این دلیل است که نرخ کرنش برشی کوچک است .[14
رفتار جریان خون به صورت وابسته به نرخ کرنش برشی و غیرنیوتنی است. مدل کاریو خون پیش بینی میکند که لزجت با افزایش نرخ برش کاهش مییابد. مدل کاریو که استفاده شده است، مطابق رابطه زیر است .[15]
که η0 و η∞ به صورت نرخ کرنش برشی پایین و بالا است، مقادیر آن بهترتیب 0/056 2 و 0/00345 است. و پارامترهای کنترل اندازه ناحیه گذر و بهترتیب 3/313 و 0/356 هستند .[16]برای مقایسه بین خواص سیال در هندسه بیمار خاص، از مدل نیوتنی نیز استفاده کردیم تا تفاوت مدلهای شبیه سازی سیال در حالت نیوتنی را با مدل کارویو مقایسه کنیم. لزجت نیوتنی در شریان برابر با [16] 0/00345 2 است.
