خرید و دانلود نسخه کامل مقاله کامل مدل جریان خون در سیستم شریانی mesenteric ( پروژه درس مدلسازی )

مقاله کامل مدل جریان خون در سیستم شریانی mesenteric ( پروژه درس مدلسازی )

1-چکیده:
به طور کلی شبیه‌سازی هر پدیده‌ی واقعی در صورتی‌که به نحو مطلوبی انجام گیرد می‌تواند در شناخت، بررسی و تحلیل رفتار آن پدیده موثر باشد. امروزه علم شبیه‌سازی را در شاخه‌های مختلفی از جمله علم مهندسی پزشکی می‌توان دید.
هدف از این تحقیق توسعه‌ی یک مدل محاسباتی بیوفیزیکالی و آناتومیکالی سیستم شریانی mesenteric است. سیستم مذکور، عمده‌ی خونرسانی روده‌ها را بر عهده دارد. این مدل برای آزمایش دقیق جریان خون روده‌ای به‌کار می‌رود. همچنین کاربردهای کلینیکی ویژه‌ای، مخصوصا در رابطه با ایسکمی mesenteric دارد. ایسکمی mesenteric مشکل عروقی پیچیده‌ای است که در نتیجه‌ی باریک‌شدگی و تصلب رگ‌های خونی که روده‌ی بزرگ و کوچک را اکسیژن‌رسانی می‌کند، به وجود می‌آید. به عنوان مثال چندین نشانه برای ایسکمی قلبی وجود دارد که مهم‌ترین آن‌ها تغییر در الکتروکاردیوگرام فرد است. ولی تشخیص ایسکمی خطرناک mesenteric بدون استفاده از آنژیوگرافی و روش‌های تصویربرداری به دلیل طبیعت ناشناخته‌ی بیماری ممکن نیست. فهم چگونگی انتشار خون هنگام شرایط ایسکمی، می‌تواند ابزار کلینیکی مفیدی جهت کمک به تشخیص زودهنگام پزشکان باشد. اولین قدم برای نایل‌شدن به این هدف، توسعه‌ی یک مدل محاسباتی از سیستم شکمی و استفاده از آن برای شبیه‌سازی جریان خون واقعی در شرایط نرمال می‌باشد. در این تحقیق جریان خون در سیستم mesenteric یک‌بعدی در نظر گرفته می‌شود و مدل با استفاده از روش‌های عددی حل می‌شود. این امر طرح عددی مطلوبی را برای مدل‌کردن جریان خون سه‌بعدی ضربان‌دار با استفاده از یک بعد فراهم می‌کند و تغییرات قطر رگ، توزیع فشار و سرعت خون را در طول رگ شبیه‌سازی می‌کند.
2-مروری بر تحقیقات انجام شده :
از زمانی‌که مدل یک بعدی سیستم شریانی انسان به وسیله EULER در سال 1775 معرفی شد تا به امروز، مدلی که تمام جنبه‌های همودینامیکی سیستم شریانی انسان را در بربگیرد، توسعه داده نشده است. این امر ناشی از طبیعت غیر‌خطی جریان خون در شبکه‌ی پیچیده و ویسکوالاستیک عروقی و وجود انشعابات فراوان می‌باشد. دلیل دیگر این است که خون ماده‌ی پیچیده‌ای است و سیستم گردش خون توانایی تطبیق و تنظیم خود را با شرایط محیط دارد. این عوامل رویهمرفته مدلسازی جریان خون واقعی را دشوار می‌سازد.
در طی سه دهه‌ی گذشته مطالعات متعددی برای آنالیز جریان خون در شریان‌های تکی و انشعابی صورت گرفته است.womersly در سال 1955، Atabek و Lew در1966، Cox در 1968، Rubinow و Keller در 1976، Bauer و Buses در 1975، Schwerdt و Constantinescu در 1976Baue , در 1985، Holestein در سال 1984-1980، Gidden در سال 1983 و Sekhonدر 1985 در این زمینه به تحقیق پرداخته‌اند.
این چنین مطالعاتی از نظر کاربردهای عملی به دلیل این‌که سیستم شریانی واقعی انسان از تعداد زیادی اتصالات رگ‌ها با طول‌ها و مقاطع مختلف تشکیل شده، محدود شده است. بنابراین نمی توان با سیستم گردش خون به عنوان یک رگ تنها برخورد کرد.
مک دونالد در سال 1974 از مدل ویندکسل برای تعیین برون‌ده قلبی با فرض سرعت نامحدود موج پالسی استفاده کرده است. در سال (1965 و 1966) فیلر یک مدل برای رگ‌های سیستمیک سگ که شامل 41 بلوک 4 مسیره از جنس تیوب‌های الاستیکی می‌باشد، پیشنهاد داده است. مدلی که
تیلور در سال 1966 پیشنهاد داد، شامل یک درخت شریانیست که شاخه‌هایش دارای طولی با توزیع رندوم می‌باشد.
نوردرگراف (در سال 1956 تا 1963) یک مدل شبه الکتریکی از درخت شریانی سیستمیک که شامل 113 RLC می باشد پیشنهاد داده است. وسترهوف و نوردرگراف در سال 1968 مدل الکتریکی مذکور را بهینه‌سازی نمودند.
(1980) Avolio مدل پیچیده‌ای را که شامل 128 شاخه بود فرموله کرد. او از مقایسه‌ی الکتریکی برای آنالیز تاثیرات امواج منتشر شده تحت شرایط جریان ضربان‌دار استفاده کرد که البته در این مدل انعکاس موج‌ها در نظر گرفته نشده بود.
استفاده از روش‌های تصویربرداری (MRI و CT-SCAN) برای بازسازی مدل سه‌بعدی رگ در نوشتجات بسیاری مورد بحث قرار گرفته است. بیشتر تحقیقات درمورد همودینامیک جریان‌خون محدود به شبکه‌های ساده یا هندسه‌ی ایده‌آل آن است و در بیشتر مطالعات الگوهای جریان خون با استفاده از هندسه‌ی آناتومیکی حقیقی تفسیر می‌شود. تصویربرداری چندبعدی شامل MRI و CT scan و آنژیوگرافی MR (MRA) برای شبیه‌سازی هندسه‌ی بخش‌های مختلف سیستم شریانی انسان مورد استفاده قرار می‌گیرد. تاکنون هیچ‌گونه تلاشی برای شبیه‌سازی سیستم شریانی mesenteric صورت نگرفته است.
در سال‌های اخیر مدل‌های سه‌بعدی برای مطالعه‌ی اثرات نیروهای برشی دیواره‌ی رگ روی گسترش زخم‌ها و تصلب شرائین در شبکه‌های شریانی ساده توسعه داده شده است. در حال‌حاضر حل یک الگوریتم محاسباتی جریان سه بعدی روی یک شبکه‌ی پیچیده، امکان‌پذیر نیست. دلیل این امر فقدان مجموعه‌ی بزرگی از داده‌های مورفولوژیکی و فرضیات محدودکننده است.
در این پروژه با جریان خون سیستم mesenteric به‌صورت یک‌بعدی رفتار شده و این مدل را با استفاده از تکنیک‌های
عددی شرح داده شده توسط smith حل می‌کنیم. این امر یک طرح عددی را برای مدل جریان خون سه‌بعدی با استفاده از یک بعد و شبیه‌سازی تغییرات قطر عروق و توزیع فشار فراهم می‌کند.
3-مقدمه:
سیستم قلب و عروق یکی از سیستم‌های پیچیده‌ای است که از دیرباز توجه بسیاری از محققین به بررسی و شناخت رفتار آن معطوف بوده است. از آن‌جا که این سیستم با اعضای تشکیل دهنده‌اش در تعامل می‌باشد، بررسی آن به صورت سیستمی از بررسی تک‌تک اعضایش کارآمدتر می‌باشد. از این روست که در تاریخچه‌ی تحقیقات انجام‌شده در رابطه با این موضوع ردپای “دیدگاه سیستمی” مشاهده می‌شود. ولی پیچیدگی مکانیکی رفتار آن مانعی در بررسی آن به صورت سیستمی بوده است و جهت غلبه بر این مانع دیدگاه‌هایی که آن را به صورت مدارهای الکتریکی یا اجزای لامپ شده در نظر گرفته‌اند، وارد عمل شده‌اند. ظهور روشهای عددی در علم مکانیک ابزار دیگری را در این باب در اختیار محققان قرار داد. با داشتن ابزاری که بتواند رفتار سیستم گردش خون را مدل کند، می‌توان تاثیر بیماریها از جمله ایسکمی که در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته است را بر رفتار آن را مدل کرد و از این راه دید روشنی از تاثیرات آن‌ها بر روی سیستم داشته و راهکار مناسبی در جهت درمان و مقابله با آن در پیش گرفت. چنین ابزاری می تواند برای پیش‌بینی اتفاقاتی که هنگام برخی اعمال
جراحی مانند عمل بای‌پس در جراحی قلب و یا در عمل جراحی رگ‌های مغز، در تغییر فشار و جریان خون، رخ می‌دهد، مورد استفاده قرار گیرد.
در این تحقیق یک مدل بیوفیزیکالی و آناتومیکالی از شریان‌هایmesenteric توسعه داده شده تا برای شبیه‌سازی جریان‌ نرمال خون استفاده شود. مش محاسباتی مورد استفاده به منظور شبیه‌سازی‌ها با استفاده از داده‌های VH تولید می‌شود. معادلات Navier-Stokes 3D که جریان را در این مش کنترل می‌کند،به یک طرح 1 بعدی موثر ساده می‌شود. این طرح به همراه یک رابطه‌ی فشار- شعاع به طور عددی برای فشار،شعاع رگ و سرعت برای کل شبکه شریانی mesenteric محاسبه می‌شود. مدل محاسباتی توسعه‌یافته نتایج بسیار نزدیکی را با داده‌های فیزیولوژیکی مححقان دیگر که به‌صورت in vivo ثبت شده‌اند،نشان داد.
با استفاده از این مدل به عنوان framework، نتایج برای 4 سیکل مجزای قلبی شامل دیاستول، انقباض هم‌حجم، ejection و استراحت هم‌حجم آنالیز می‌شود.
/
شکل1-نمایی از شریان mesenteric
شیوع ایسکمی mesenteric در جهان، مخصوصا در افراد مسن در حال افزایش است و یکی از علت‌های عمده‌ی مرگ و میر در افراد با ناراحتی‌های روده‌ای است. در اغلب موارد تشخیص
این ایسکمی با تاخیر صورت می‌گیرد. این امر نرخ مرگ‌و میر را تا حدود 80-60 % افزایش می‌‌دهد و معمولا به طبیعت ناشناخته abdominal “درد احشا” نسبت داده می‌شود. حتی برای پزشکان باتجربه نیز، تمییز بین این ایسکمی از انواع دیگر دردهای احشایی، که بسیار رایج‌تر و با شدت کمتر هستند، دشوار است. به علت فقدان هر گونه نشانگر کلینیکی غیر تهاجمی ، اطلاعات ما از توسعه و پیشرفت این ایسکمی بسیار ناچیز است. با استفاده از مدل محاسباتی که در این تحقیق شرح داده می‌شود، می‌توان تاثیر عوامل مختلف بر روی شریان را مورد بررسی قرار داد- امری که در رابطه با بیمار میسر نیست-. همچنین این مدل database از رنج معمولی گردش خون mesenteric می‌دهد که می‌تواند برای بررسی انحراف از حالت معمولی به کار برده شود.
تشخیص به ‌موقع ایسکمی mesenteric کمک به پیشگیری از بیماری‌های دومی نظیر ایسکمی colitis ، قانقاریا، سوراخ‌شدگی شکم می‌‌نماید. این چنین database اجازه‌ی مقایسه بین یک فرد سالم و یک فرد آسیب‌دیده را می‌دهد و به این ترتیب پارامترهای مختلف مدل مانند خاصیت ارتجاعی عروق و یا سختی آن که در تشخیص شرایط pathologic کمک نماید، می‌تواند محاسبه شود.
شکل‌ها تغییرات موقت فشار و سرعت را برای یک ورودی پریودیک که بین kpa 10.2 (mmHg 77) و kpa 14.6(mmHg 110) است، در 55 میلی‌متر از شریان abdominal در ظرف 2 ثانیه نشان می‌دهد. یک روش تحلیلی برای مدل‌کردن جریان خون در رگ‌های باریک به کار برده می‌شود و وقتی با روش عددی مقایسه می‌شود، نتایج مشابهی به‌دست می‌آید.
تشخیص زودهنگام ایسکمی mesenteric یک امر حیاتی است و این تحقیق می‌تواند برای نائل‌شدن به این امر مورد استفاده قرار گیرد. باریک‌شدگی عروق در سیستم شریانی فوق در اثر
عوامل مختلفی به‌وجود می‌آید و رگ‌های باریک‌شده لزوما نشان‌دهنده‌ی ایسکمی نیستند، لذا تنها با استفاده از روش‌های تصویربرداری نمی‌توان این بیماری را تشخیص داد. بنابراین بایستی شکل‌های انتشار برای به‌دست‌آوردن نشانه روی حرکات روده مورد بررسی قرار گیرد. با استفاده از سرعت و شعاع‌ متغیر با زمان در سسیتم شریانی، شکل‌های انتشار توسعه می‌یابد که متخصصان و پزشکان می‌توانند از آن‌ها برای اهداف تشخیصی استفاده نمایند.
در این پروژه، جریان خون شریانی در ابتدا با شروع از یک بخش رگ شبیه‌سازی شد و سپس به انشعاب با استفاده از قانون بقای جرم و رابطه‌ی فشار-شعاع توسعه داده شد. در این کار ناحیه‌ی آئورت abdominal یک توزیع فشار و سرعت واقعی را زمانی‌که با داده‌های اندازه‌گیری شده in vivo مقایسه می‌شود، نشان می‌دهد. البته مدل حاضر دارای محدودیت‌ها و نواقصی می‌باشد. یکی از مهمترین نواقص مدل ذکر شده این است که داده‌های آن بر پایه‌ی داده‌های حاصل از تصاویر VH یک انسان مرده است. بنابراین برخی از رگ‌ها دچار کولاپس شده و یا به سختی قابل تشخیص است. همچنین این مدل بر پایه‌ی برخی از پارامترهای مهم است که در محیط کلینیکی اندازه‌گیری می‌شود. این پارامترها در نقاط مختلف درخت شریانی متغیر است ولی در این کار به دلیل عدم نداشتن اطلاعات کافی این پارامترها برای سرتاسر شبکه ثابت در نظر گرفته شد. البته اشکال عمده‌ی مدل در نظرنگرفتن مویرگ‌ها و شبکه‌ی سیاهرگی می‌باشد. با فرض هندسه‌ی یکسان برای شبکه‌ی سرخرگی و سیاهرگی و شبیه‌سازی‌های مشابه با استفاده از مدل پارامتر فشرده برای گردش خون کوچک در شبکه‌ی مویرگی می‌توان این اشکال را برطرف نمود.
اما این فرض وقتی شبکه‌های سرخرگی و سیاهرگی دارای هندسه‌ی مشابه نباشند، معتبر نیست. مدل پارامتر فشرده
به‌همراه پیشرفت‌های سریع در روش‌‌های تصویربرداری، پیچیدگی‌ها و محدودیت‌های در ارتباط با حل مسائل گردش خون کوچک را رفع می‌کند.
4-اهداف:
داشتن این چنین database مقایسه‌ی بین یک شخص سالم و بیمار و بهبود پارامترهای مختلف مدل را که می‌تواند برای تشخیص شرایط pathologic به‌کار رود را اجازه می‌دهد(مانند سختی یا compliant شریان‌ها). علاوه‌برآن شبیه‌سازی‌های عددی می‌تواند به عنوان ابزاری در توسعه‌ی اندام مصنوعی یا پیوندهای عروقی، طراحی نمونه‌های جدید، درک بهتر روش‌های متنوع جراحی و توسعه‌ی بسترهای آموزش برای جراحان عروق تازه‌کار مورد استفاده قرار گیرد.
5- تعریف ایسکمیmesenteric ،دلایل، نحوه‌ی‌تشخیص و راه‌های مقابله با آن:
5-1- ایسکمی mesenteric:
5-1-1-شریان‌های mesenteric: شریان‌های mesenteric سه شریان عمده هستند، که خونرسانی معده، روده‌ی کوچک و روده‌ی بزرگ را بر عهده دارند.
Artery abdominal ،(SMA)superior Mesenteric Artery وinferior Mesenteric Artery (IMA) این سه شریان می‌باشد که در شکل 2 دیده می‌شود.
/
شکل 2- آناتومی mesenteric
ایسکمی به معنای کاهش در اکسیژن‌رسانی است. ایسکمی mesenteric حالتی است که در آن شریان‌های mesenteric خون و اکسیژن کافی به روده‌ی کوچک و بزرگ نمی‌رسانند و این امر هضم غذا برای روده را دشوار می‌سازد و باعث می‌شود بخش‌هایی از روده دچار مرگ شود.
افرادی که دچار ناراحتی‌های عروقی هستند،همچنین اشخاص سیگاری و بیمارانی که کلسترول بالای خون دارند احتمال وقوع ایسکمی mesenteric در آن‌ها بیشتر است.
5-1-2-دلایل:
ایسکمی mesenteric به دلیل باریک شدن یا گرفتگی( تصلب شرائین) یک یا تعداد بیشتری از سه شریان mesenteric به وجود می‌آید. همچنین لخته‌ی خون موجود در گردش‌خون باعث می‌شود یکی از شریان‌های mesenteric دچار گرفتگی شود. لخته‌ی خونی که جدا شده و وارد جریان گردش خون می‌شود، آمبول نامیده می‌شود. این نوع از ایسکمی بسیار خطرناک است،
زیرا در صورت وقوع، خونرسانی به روده صورت نمی‌گیرد و اگر به موقع و فوری تحت عمل قرار نگیرد باعث مرگ روده می‌شود.
5-1-3- نشانه‌ها:
ایسکمی mesenteric مزمن به تدریج اتفاق می‌افتد. و این نوع از ایسکمی اغلب نشانه‌ای ندارد تا زمانی‌که 2 تا از شریان‌ها، باریک و یا دچار گرفتگی شوند. معمولا بیمار درد شدیدی را در ناحیه ورید شکمی 30 تا 60 دقیقه بعد از صرف غذا احساس می‌کند. به دلیل این درد بیمار از خوردن غذا اجتناب می‌نماید و به همین خاطر دچار فقر تغذیه و کاهش وزن می‌شود. نشانه‌های دیگر ایسکمی، اسهال، حالت تهوع، استفراغ و یبوست است.
5-1-4- تشخیص:
نشانه‌های این نوع ایسکمی مشترک با بسیاری بیماری‌های دیگر است وبنابراین تشخیص آن بسیار دشوار می باشد و نیاز به تست‌های آزمایشگاهی برای تشخیص دارد. یکی از راه‌های تشخیصی تست خون می‌باشد که در این حالت ممکن است تعداد گلبول‌های سفید و اسیدوزیز خون زیاد شده باشد.(اسیدوزیز شرایطی است که در آن خون اسید بالایی را دارد) .
پزشک همچنین ممکن است یک arteriogram را سفارش کند که در آن یک ماده‌ی رنگی مخصوص به داخل شریان‌ها تزریق می‌شود. ماده‌ی رنگی ناحیه‌ی گرفتگی و باریک‌شدگی را در x-ray نشان می‌دهد.
CT اسکن نیز شرایط غیر معمول را در این ناحیه نشان می‌دهد. ایسکمی mesenteric مزمن معمولا با جراحی برطرف می‌شود. در طی جراحی گرفتگی و باریک‌شدگی‌ها‌ی بخشی از

فایل : 47 صفحه

فرمت : Word