Υπολογιστικά πρότυπα ροής στα νεφρικά αγγεία και στο νεφρικό παρέγχυμα
Creators: name: Λίζος, Φλωρεντίνος Χ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Νεφροαγγειακή μηχανική
Αιματική ροή στα νεφρά
Στένωση νεφρικής αρτηρίας
Ροϊκά υπολογιστικά πρότυπα
Renal artery stenosis
Renal vasculature
Renal Blood Flow
Nephrology Engineering

description: 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 εκτός 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.
description: For many years, computational fluid engineering has been a very basic tool for producing simulation models in areas such as aircraft modeling and civil engineering. The basis of computational simulation is mathematical simulation. The philosophy of computational simulation science is based on the solution of flow equations, Navier-Stokes equations. Applying the principles of computational engineering fluid to the blood flow to the kidney vessels, we choose the model model that we will study. This is the arterial bow of the kidney. We will use this model to draw conclusions on the physiological function and the behaviour of the blood flow in the case of stenosis. This study describes with absolute accuracy the behaviour of blood in the kidney and renal parenchyma. For the first time it is possible to confirm Bernoulli's laws for blood flow to the kidneys. Physical size, such as pressure, velocity, and intersection, are represented by colour gradation. In this way the change in the physical sizes according to the geometry of the renal vasculature is observed. Physical sizes of shear, velocity and pressure tendency describe the key functional mechanisms of the kidneys. Observing the magnitude of the increase in blood velocity in renal vasculature explains how all the blood is passed through the kidneys despite their very small size in relation to body mass. The speed increases after the blood enters the renal vasculature. Then there is a large decrease in velocity due to the increase in diameter and after the final separation from the branches of the vasculature. Observation in the shear stress behavior and pressure reduction have similarities with similar methods in which the reduction of pressure along the aorta and the renal arteries is the result of stenosis and aneurysm. The shear stress chromaticity gradient varies depending on the area of interest, in order to allow for individual observation of the values in the vascular branches. Thus, the computer computational models represent and simulate in an absolutely accurate manner the physiological and pathological behavior of renal vasculature. Also, three-dimensional imaging is clearly superior to the current ultrasound imaging method. As a result, better imaging combined with numerical values of natural quantities gives the physician the maximum range of information and greater fidelity and reliability in diagnosis. In order to obtain all the information in this PhD dissertation, a funeral graft was used. It was impossible to use more than one for two strict reasons. Firstly, there would be no appreciable difference in the observation of the natural quantities of more geometric differentiation in the image of vascularization and secondly for legal reasons. For this study, a special prosecution was drafted, which allowed the use of only one burial graft for scientific research. The future of nephrology engineering and biomedical engineering in general is proving to be very optimistic. This is evidenced by the fact that publications in this subject are growing rapidly, which means that more and more unknown aspects of the hemodynamic phenomena in the nephrovascular system will be presented and hence the solutions and therapies will be improved. This will result in the success rate of surgical interventions being improved over time, possibly reducing their time to a significant extent, and post-operative complications in patients will disappear. Some operations may include venous and arterial transplantation or implantation of artificial tissues or devices. By conducting a thorough study of the deformations and stresses exerted by these foreign bodies on the interfaces with the normal tissues, it is possible to continuously improve these bodies by altering their material, their properties, and their geometric shape. But they certainly need a reasonable amount of time for their optimal design, because although through experimental devices they can be improved by observing the trends and distortions they cause, but real and meaningful improvement will come from their application to human organisms. Thus, both short-term and long-term impacts will be recorded. In addition, the surgical tools with which surgery is performed can be improved. Obviously during surgery the various medical instruments that enter the various blood vessels can cause damage to the vascular walls or alter local flow causing pressure and deformation of the vascular walls undesirable for the successful operation of the surgery. Regarding kidney diagnosis, improved image analysis through the technological development of tomographic imaging (imaging systems) will help to identify problem areas in a timely and timely manner, which will also lead to the timely avoidance of medical errors. Thus, a potential narrowing in the lumen or even in areas of arterial walls, fibrous tissue and fat can be clearly seen. Also, through the best resolution, gray, or high resolution color imaging, the 3D geometry will be reconstructed in three-dimensional form, representing as much as possible the real situation.