Beyin damar akışında gaz halde emboli davranışının matematiksel modellemesi
Mathematical modeling of behaviour of gaseous emboli in cerebrovascular flow
Yazar: PINAR KIZILTAŞ
Danışman: DOÇ. DR. SELİS ÖNEL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Kan dolaşımına katılan gaz embolilerin orta serebral artere ulaşması, damar tıkanıklığı sonucu dokulara oksijen iletilmesine engel olarak felç veya ölüme sebep olabilmektedir. Orta serebral arter daha küçük çaplı damarlara ayrılarak beyin dokusunu beslemektedir. Bu damara ulaşabilen gaz embolilerin çapı 5 mikrondan damar çapına kadar değişebilmektedir. Embolilerin takibi ve davranışının incelenmesi hayati önem taşımaktadır; ancak emboli oluşumu ve vücutta izledikleri yollar konusunda uygulamalı araştırmalar devam ettiği halde kesin sonuçlar bulunmamaktadır. Embolinin cinsi ve orta serebral arterdeki hacmi ve hızının tespitinde tercih edilen en kullanışlı yöntem Transkraniyal Doppler Ultrason (TCDU) yöntemidir. TCDU cihazı ile tek bir noktada anlık sinyal ölçümleri ile emboli özellikleri tahmin edilebilmektedir; ancak damar içindeki davranışı bilinmemektedir. Bu çalışmada, beyin damarında gaz halde bulunan nitrojen ve oksijen embolilerin davranışının anlaşılabilmesi için üç farklı kan akış hızında (32, 50 ve 78 cm∙s-1) fazlar arası kütle aktarımı sonucu hacimsel değişiklikleri ve akış dinamiklerini içeren bir matematiksel model geliştirilmiştir. 25 mm uzunluğunda ve 2.5 mm çapında bir orta serebral arterde farklı boyutlarda (50, 250, 500 ve 1000 µm yarıçapında) küresel emboliler için COMSOL Multiphysics®  yazılımı kullanılarak yatışkın olmayan koşullarda iki boyutlu akış benzetimi yapılmıştır. Emboli, damar girişinden 5 mm ileride konumlandırılarak damarda ilerlediği 20 mm boyunca davranışı incelenmiştir. Kan akış hızındaki artışın kana geçen gaz miktarını artırarak embolinin daha hızlı küçülmesine neden olduğu görülmüştür. 32 cm∙s-1 ve daha düşük kan akış hızlarında orta serebral arterde bulunan 1000 µm ve daha büyük gaz embolilerin damar çıkışındaki daha küçük dalları ve 1.1 mm çapındaki en küçük temporopolar damarları tıkayabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
Gaseous emboli joined to the bloodstream can cause paralysis or death if they reach the middle cerebral artery by causing vascular occlusion impeding the transportation of oxygen to the tissues. Middle cerebral artery is divided into smaller diameter vessels to feed the brain tissue. The diameter of the gaseous emboli that reach this artery can vary from 5 microns to the diameter of the artery. Tracing and examination of the behavior of emboli are of vital importance; but there are no certain results about their formation and the paths they follow in the body despite ongoing applied research. Transcranial Doppler Ultrasound (TCDU) is the most useful preferred method in determining the type, volume and velocity of the embolus in the middle cerebral artery. With the TCDU device, properties of the embolus can be estimated with instantaneous signal measurements at a single point, but its behavior in the veins is unknown. In this study, a mathematical model including mass transport dependent volumetric changes between phases and flow dynamics at three different blood flow rates (32, 50, and 78 cm∙s-1) has been developed to understand the behavior of gaseous nitrogen and oxygen emboli in the middle cerebral artery. Two-dimensional flow simulations were performed for unsteady-state conditions using COMSOL Multiphysics® software for different sizes (50, 250, 500, and 1000 μm in radius) of spherical emboli in a middle cerebral artery of 25 mm length and 2.5 mm diameter. The embolus was positioned at a distance of 5 mm from the entrance of the vessel and its behavior along the 20 mm progression was investigated. It has been shown that the increase in blood flow rate causes the emboli to shrink more rapidly by increasing the amount of gas diffusing into blood. It has been determined that gaseous emboli of 1000 microns and larger in the middle cerebral artery with blood flow rates of 32 cm∙s-1 and lower can clog smaller arteries at the vein outlet and the smallest temporopolar vessels of 1.1 mm diameter.