Υπολογιστικά πρότυπα ανάλυσης ροής στα νεφρικά αγγεία και στο νεφρικό παρέγχυμα
Authors: Λίζος Φλωρεντίνος 
Published: September 2021

Η υπολογιστική μηχανική των ρευστών είναι εδώ και πάρα πολλά χρόνια ένα πολύ βασικό εργαλείο για την παραγωγή μοντέλων εξομοίωσης σε τομείς όπως η σχεδίαση μοντέλων αεροσκαφών και έργων πολιτικών μηχανικών. Η βάση της υπολογιστικής εξομοίωσης είναι η μαθηματική προσομοίωση. Η φιλοσοφία της επιστήμης της υπολογιστικής εξομοίωσης βασίζεται στην επίλυση των εξισώσεων ροής, εξισώσεις Navier-Stokes.Εφαρμόζοντας τις αρχές της υπολογιστικής μηχανικής ρευστών, στην αιματική ροή στα αγγεία των νεφρών, επιλέγουμε το μοντέλο πρότυπο το οποίο θα μελετήσουμε. Αυτό είναι το αρτηριακό τόξο του νεφρού. Θα χρησιμοποιήσουμε το πρότυπο αυτό για να εξάγουμε συμπεράσματα όσον αφορά την φυσιολογική λειτουργία καθώς και την συμπεριφορά της αιματικής ροής στις περιπτώσεις στενώσεων.Η παρούσα μελέτη περιγράφει με απόλυτη ακρίβεια την συμπεριφορά του αίματος στα νεφρά αγγεία και στο νεφρικό παρέγχυμα. Για πρώτη φορά δίνεται η δυνατότητα να επιβεβαιωθούν οι νόμοι του Bernoulli, για την αιματική ροή στα νεφρά. Το εκάστοτε φυσικό μέγεθος, όπως για παράδειγμα η πίεση, η ταχύτητα και η διατμιτική τάση αναπαρίσταται με χρωματική διαβάθμιση. Κατά αυτόν τον τρόπο παρατηρείται η αλλαγή που υφίστανται τα φυσικά μεγέθη ανάλογα με την γεωμετρία της νεφρικής αγγείωσης.Τα φυσικά μεγέθη της τάσης διάτμησης, ταχύτητας και πίεσης περιγράφουν τους βασικούς λειτουργικούς μηχανισμούς των νεφρών. Η παρατήρηση του μεγέθους της αύξησης της ταχύτητας του αίματος στην νεφρική αγγείωση εξηγεί τον τρόπο με τον οποίο, από τα νεφρά, παρά το πολύ μικρό τους μέγεθος σε σχέση με την μάζα του σώματος, διέρχεται όλη η ποσότητα του αίματος. Η ταχύτητα αυξάνει μετά την είσοδο του αίματος στην νεφρική αγγείωση. Κατόπιν διαπιστώνεται μία μεγάλη μείωση της ταχύτητας λόγω της αύξησης της διαμέτρου και μετά τον τελικό διαχωρισμό από τους κλάδους της αγγείωσης. Η παρατήρηση στην συμπεριφορά της τάσης διατμήσεως και της μείωσης της πιέσεως παρουσιάζει ακριβείς ομοιότητες με παρόμοιες μεθόδους κατά τις οποίες, η μείωση της πιέσεως κατά μήκος της αορτής και των νεφρικών αρτηριών είναι το αποτέλεσμα στενώσεων και ανευρυσμάτων. Η χρωματική διαβάθμιση της τάσης διάτμησης μεταβάλλεται ανάλογα με την περιοχή ενδιαφέροντος, για να είναι δυνατή η επί μέρους παρατήρηση των τιμών στους κλάδους της αγγείωσης. Τα ροϊκά υπολογιστικά πρότυπα λοιπόν αναπαριστούν και εξομοιώνουν με απόλυτα ακριβή τρόπο την φυσιολογική και παθολογική συμπεριφορά της νεφρικής αγγείωσης. Επίσης η τρισδιάστατη απεικόνιση είναι σαφώς ανώτερη από τις τρέχουσα μέθοδο απεικόνισης υπερηχογραφήματος.Ως αποτέλεσμα η καλύτερη απεικόνιση σε συνδυασμό με αριθμητικές τιμές φυσικών ποσοτήτων δίνει στο εκάστοτε ιατρό το μέγιστο δυνατό εύρος πληροφοριών και μεγαλύτερη πιστότητα και αξιοπιστία στη διάγνωση.Για την λήψη όλων των πληροφοριών στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιήθηκε ένα νεκρικό μόσχευμα. Ήταν αδύνατον να χρησιμοποιηθούν περισσότερα από ένα για δύο αυστηρούς λόγους. Πρώτον γιατί δεν θα υπήρχε αισθητή διαφορά στην παρατήρηση των φυσικών ποσοτήτων πλείν της γεωμετρικής διαφοροποίησης στην εικόνα της αγγείωσης και δεύτερον για νομικούς λόγους. Για την παρούσα μελέτη συντάχθηκε ειδική εισαγγελική πράξη, η οποία επέτρεπε την χρήση μόνο ενός νεκρικού μοσχεύματος για επιστημονική έρευνα. Το μέλλον σε θέματα νεφροαγγειακής μηχανικής και γενικότερα σε θέματα βιοϊατρικής μηχανικής προμηνύεται άκρως αισιόδοξο. Αυτό αποδεικνύεται από το γεγονός ότι οι δημοσιεύσεις στο συγκεκριμένο αντικείμενο αυξάνονται με ραγδαίο ρυθμό, που σημαίνει ότι όλο και περισσότερες άγνωστες πτυχές των αιμοδυναμικών φαινομένων στο νεφροαγγειακό σύστημα θα παρουσιάζονται και επομένως όλο και περισσότερο θα βελτιώνονται οι λύσεις και οι θεραπείες. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα το ποσοστό επιτυχίας των χειρουργικών επεμβάσεων να βελτιώνεται χρόνο με το χρόνο, ενδεχομένως ο χρόνος εκτέλεσής τους να μειωθεί αισθητά και οι μετεγχειρητικές επιπλοκές στους ασθενείς να εκλείψουν. Ορισμένες επεμβάσεις περιλαμβάνουν τη μεταμόσχευση φλεβών και αρτηριών ή την εμφύτευση τεχνητών ιστών ή συσκευών. Διεξάγοντας ενδελεχή μελέτη των παραμορφώσεων και των τάσεων που ασκούνται από τα ξένα αυτά σώματα στις διεπιφάνειες επαφής με τους φυσιολογικούς ιστούς, είναι δυνατό να βελτιώνονται συνεχώς τα σώματα αυτά μεταβάλλοντας το υλικό τους, τις ιδιότητές τους, το γεωμετρικό τους σχήμα. Σίγουρα όμως απαιτείται εύλογο χρονικό διάστημα για το βέλτιστο σχεδιασμό τους, διότι ναι μεν μέσω των πειραματικών διατάξεων μπορούν να βελτιωθούν πολύ παρατηρώντας τις τάσεις και τις παραμορφώσεις που προκαλούν αλλά η πραγματική και ουσιαστική βελτίωση θα προέλθει από την εφαρμογή τους σε ανθρώπινους οργανισμούς. Έτσι, θα καταγραφούν οι βραχυπρόθεσμες αλλά και οι μακροπρόθεσμες επιπτώσεις.Επιπλέον, τα χειρουργικά εργαλεία με τα οποία πραγματοποιούνται εγχειρήσεις επιδέχονται βελτίωση. Προφανώς κατά τη διάρκεια της εγχείρησης τα διάφορα ιατρικά εργαλεία που εισέρχονται στα διάφορα αιμοφόρα αγγεία μπορούν να προκαλέσουν βλάβες στα αγγειακά τοιχώματα ή να μεταβάλλουν την τοπική ροή δημιουργώντας πιέσεις και παραμορφώσεις των αγγειακών τοιχωμάτων, μη επιθυμητές για την επιτυχή διεξαγωγή της εγχείρησης.Όσον αφορά στη διάγνωση των νεφρών, η βελτίωση στην ανάλυση της εικόνας μέσω της τεχνολογικής εξέλιξης των τομογραφικών απεικονίσεων (απεικονιστικά συστήματα) θα βοηθήσει στον ορθό και έγκαιρο εντοπισμό των προβληματικών περιοχών, γεγονός που θα οδηγήσει και στην έγκαιρη αποφυγή ιατρικών λαθών. Έτσι, θα μπορεί να εμφανίζεται με ευδιάκριτο τρόπο η ενδεχόμενη στένωση στον αυλό ή ακόμα σε περιοχές αρτηριακών τοιχωμάτων, σε ινώδες ιστό και λίπος. Επίσης, μέσω των εικόνων καλύτερης ανάλυσης, απόχρωσης του γκρι ή έγχρωμης απεικόνισης υψηλής ευκρίνειας, θα επιτευχθεί η ανακατασκευή της εξεταζόμενης γεωμετρίας σε τρισδιάστατη μορφή, αναπαριστώντας όσο το δυνατό καλύτερα την πραγματική κατάσταση. Αυτό θα δώσει την ευκαιρία να πραγματοποιηθεί καλύτερη μοντελοποίηση της γεωμετρίας, επομένως ακριβέστερα αποτελέσματα στον αυλό της αρτηρίας και στο αρτηριακό τοίχωμα που συνεπάγονται ορθότερα συμπεράσματα.Φυσικά για την επιτυχή έκβαση όλων των παραπάνω επιτευγμάτων, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η όλο και μεγαλύτερη τεχνολογική εξέλιξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών σε σχέση με σήμερα. Τα οφέλη σαφώς είναι αυτονόητα.Τέλος, κατανοώντας τις πολύπλοκες διεργασίες μέσα στον αυλό και το τοίχωμα της αρτηρίας, θα μπορούσε να βρεθεί η κατάλληλη φαρμακευτική αγωγή με στόχο την πρόληψη εμφάνισης νεφρικών νόσων. Αυτό είναι πολύ σημαντικό, διότι σήμερα τα περισσότερα φάρμακα χορηγούνται για σταθεροποίηση του προβλήματος, εφόσον δηλαδή έχει παρουσιαστεί κάποιο πρόβλημα.