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

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.