Computational growth modeling and surgical planning of arterial patch reconstructions

Yaklaşık 100 çocuktan 1'i klinik olarak önemli konjenital kalp hastalıkları ile doğar. Konjenital kalp hastalığının (CHD) cerrahi tedavisi, yapay ve doğal cerrahi materyalleri kullanan karmaşık vasküler rekonstrüksiyonları içerir. Bu tezin amacı, pediatrik ve yenidoğan hastalar için kardiyovasküler yama tamirlerini takiben damar dokusunun volümetrik büyümesi için öngörücü bir hesaplama modeli oluşturmaktır. Yapay vasküler yamalarla temas halinde büyüyen arteriyel doku alanının büyüme mekaniği ve performansı, literatürde ilk kez bu tezde yer almıştır. İlk bölümde, yama rekonstrüksiyonu için hastaya özgü yeni bir ameliyat öncesi planlama protokolü önerilmiş ve hesaplamalı analize uygunluğu araştırılmıştır. Sunulan protokol, Fallot tanılı olgularda ana pulmoner damar (MPA) darlığının yama onarımında uygulanmıştır. Farklı yama şekillerinin implantasyonu yarı statik sonlu elemanlar vasküler modeli ile simüle edilmiş ve stenoz derecesinin etkileri, cerrahi insizyonun üç boyutlu şekli ve yapay yamanın malzeme özellikleri araştırılmıştır. Tamirlerde en çok tercih edilen yama materyalleri olan Dacron, Politetrafloroetilen (PTFE), insan perikard ve domuz ksenoperikardiyumunun mekanik özelliklerini elde etmek için çift eksenli çekme testleri yapılmış gerilme-şekil değiştirme verileri elde edilmiştir. Sonlu elemanlar analizi sonuçları, üç boyutlu prototipleme ile oluşturulan anatomik stenoz modellerinde gerçekleştirilen gerçek yama cerrahisi rekonstrüksiyonları ile deneysel olarak doğrulanmıştır. Bulgularımıza göre, darlıkta yapılan daha kısa insizyonlar, diğer yama tasarımı alternatiflerine kıyasla nispeten düşük lokal tepe gerilim değerlerine neden olmaktadır. Uzun kesiler ve çift yama vakaları ilk stenozu onarmada en etkilidir. Erişkin damarlar için mikroyapı; konjenital kalp defektlerinin prognozundaki önemine rağmen, embriyonik aşamalar hakkındaki sınırlı bilgi olmamakla birlikte literatürde ayrıntılı olarak incelenmiştir. Embriyonik damarlanma, mekanik yük altında, çok hücreli vasküler yapıya doğru hızla dönüşen düzensiz fakat dinamik yumuşak bir dokuyu temsil ettiği varsayılmaktadır. Bu nedenle tezin ikinci bölümünde; embriyonik faringeal aortik arkın mikroyapısal evrim süreci, valide edilmiş bir açık kaynak eklenti olan FEBio ile uzun dönem bir büyüme ve yeniden şekillenme hesaplama modeli oluşturularak simüle edilmiştir. Optik koherens tomografi eşliğinde basınç ölçümleri, kritik embriyonik aşamalara göre atanmıştır. Anahtar mikroyapısal bileşenlerin akülümasyonu, altı embriyonik ark için zoom konfokal mikroskopi ile kaydedildi. Kollajenin farklı arklarda, farklı boyutlarda ve farklı embriyonik zamanlar boyunca kemer duvarı kalınlığı boyunca toplam miktarı ve radyal varyasyon eğimi normalleştirilmiş ve istatistiksel olarak karşılaştırıldı. Ark büyüme modeli, lümen sınırındaki gerili seviyelerinin, matris içeriği üretim oranlarına bağlı olarak 270 Pa'dan (embriyonik Aşama 18) 600 Pa'dan (embriyonik Aşama 24) daha yüksek bir seviyeye yükseldiğini gösterirken, homeostatik gerinim seviyesi sabit tutuldu. İstatistiksel testler; toplam kollajen seviyesi embriyonik zamana bağlı olarak değişse de, sayısal model sonuçlarına göre lümen etrafında radyal lokalizasyon olduğunu kanıtlamıştır. Üçüncü bölümde; birinci ve ikinci bölümde geliştirilen metodoloji birleştirilerek, ideal bir MPA anatomisi için cerrahi yama rekonstrüksiyon sürecini ilk önce bir kıyaslama modeli olarak incelemek üzere açık kaynak FEBio yazılım paketinde elastik büyüyen bir malzeme modeli geliştirilmiştir. Daha sonra da model, yenidoğanın hastaya özgü pulmoner damar üzerinde uygulanmıştır. Yama rekonstrüksiyonunu takiben, arteriyel dokudaki büyüme ile yüksek düzeyde gerilim ve gerinim dengelenmektedir ve büyüme ilerledikçe, arteriyel dokunun elastik deformasyonları sınırlamak için sertleşmesi beklenir. Bu çalışmada; arteriyel büyüme somatik büyüme platolarının olduğu 18 yaşına kadar simüle edildi. Araştırmanın bulguları, büyümeyen yama malzemesinin simülasyon zaman çizelgesi boyunca düşük gerilme durumunda kalırken yüksek gerilimli önemli noktaların bulunduğunu göstermektedir. Bu yeni hesaplama yaklaşımı, postoperatif sonuçların iyileştirilmesi için optimal yama biyomekaniği geliştirmek üzere doğal arterlerin ve yapay ve büyümeyen malzemelerin dengesiz büyümesini ölçmek için kompleks pediyatrik yama ameliyatlarının ameliyat öncesi planlamasında etkilidir.