Serebral kan akışını düzenleyen fizyolojik kontrol mekanizmalarının modellenmesi
Modelling of the physiological control mechanisms regulating cerebral blood flow rate
Yazar: SURHAN BOZKURT
Danışman: DOÇ. DR. UMUT ENGİN AYTEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kalp yetmezliği = Heart failure ; Kan akış hızı = Blood flow velocity ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling

Özet:
Beyin toplam vücut kütlesinin %2-3'lük bir bölümünü oluşturmasına rağmen, beyin fonksiyonlarının işlevini yerine getirebilmesi için kalp çıkışının ortalama %15'ine ihtiyaç duymaktadır. Willis Çevriminin ana görevi beyin fonksiyonlarının yerine getirilebilmesi için beyne yeterli kanın sağlanmasıdır. Bu çalışmada, serebral kan akışını düzenleyen fizyolojik kontrol mekanizmaları arasındaki etkileşimin hem sağlıklı kişilerde hem de kalp yetmezliği olan hastalarda serebral kan akışını düzenlemede oynadıkları rol çoklu parametre modellemesi kullanılarak gösterilmiştir. Bu çalışma kapsamında ilk olarak, dinlenme durumundaki fizyolojik koşullar göz önünde bulundurulmuştur. Bundan dolayı, büyük dolaşım sistemi arteriol damar direnç kontrol mekanizması, kalp ritmi kontrol mekanizması, serebral otoregülasyon mekanizması ve serebral CO2 reaktivitesi arasındaki etkileşim modellenmiştir. Bir sonraki aşamada ise, sağlıklı kişilerde ve kalp yetmezliği olan hastalarda egzersiz esnasında aktif olarak çalışan kontrol mekanizmaları arasındaki etkileşimin serebral kan akışı üzerindeki etkisi modellenmiştir. Bu bağlamda, büyük dolaşım sistemi arteriol damar direnç kontrol mekanizması, kalp ritim kontrol mekanizması, sol karıncık esneklik kontrol mekanizması, solunum kontrol mekanizması, büyük dolaşım sistemi toplardamar esneklik kontrol mekanizması, serebral otoregülasyon mekanizması ve serebral CO2 reaktivitesi arasındaki etkileşimin dinlenme ve 25W, 50W ve 75W'lık egzersizlerde hem sağlıklı kişilerde hem de kalp yetmezliği olan hastalarda serebral kan akışı üzerindeki etkisi gösterilmiştir. Ayrıca, çalışmanın son bölümünde faklı anatomik yapılardaki Willis Çevrimleri için doğru fizyolojik parametrelerin kestiriminde kullanılmak üzere bir parametre optimizasyonu algoritması önerilmiştir. Benzetim sonuçlarında, dinlenme durumunda belirtilen kontrol mekanizmalarının kullanılmasının klinik verilere daha yakın sonuçların elde edilmesini sağladığı görülmüştür. Ayrıca, kalp yetmezliği olan hastalarda egzersiz seviyesinin belli bir seviyeye çıkamadığı bilinse de, kalp yetmezliği olan hastalarda egzersiz esnasında belirtilen kontrol mekanizmaları arasındaki etkileşimin serebral kan akışı düzenlemede sağlıklı kişilere göre daha az etkili olduğu gösterilmiştir. Son olarak da, önerilen optimizasyon yönteminin farklı anatomik yapılara sahip Willis Çevrimlerinde klinik veriler dahilinde fizyolojik parametreleri tespit edebildiği gösterilmiştir. Benzetim sonuçları deneysel çalışmaların sonuçları ile karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Although the brain is 2-3% of the mass body, it requires 15% of the total cardiac output to maintain its function. The main role of the Circle of Willis is supplying sufficient blood to brain to fulfil its functions. In this study, the role of interaction among physiological control mechanisms regulating cerebral blood flow rate on cerebral blood flow rate was shown for healthy subjects and patients with heart failure by using lumped-parameter modelling. First of all, resting state was taken into account. Therefore, the interaction among systemic arteriolar resistance control mechanism, heart rate control mechanism, serebral autoregulation mechanism and serebral CO2 reactivity was modelled. In the next step, the interaction among autoregulatory mechanisms which are active during exercise was modelled to show its effects on cerebral blood flow rate. Therefore, the interaction among systemic arteriolar resistance control mechanism, heart rate control mechanism, ventricular elastance control mechanism, respiratory control mechanism, systemic venous compliance control mechanism, cerebral autoregulatiom mechanism and cerebral CO2 reactivity was modelled to show its effects on cerebral blood flow rate in the healthy subjects and patients with heart failure at rest and during 25W, 50W and 75W exercise. Additionally, a parameter optimization algorithm was proposed to estimate the proper parameters of the Circle of Willis which has different anatomical structure in the last part of the study. The simulation results showed that more accurate results can be obtained by using the interaction among mentioned regulatory mechanisms at rest. Although, it is known that the patients with heart failure can not attain high exercise levels compare to healthy subjects, it was shown that the interaction among control mechanisms mentioned is less effective in the regulation of cerebral blood flow rate in the patients with heart failure. Finally, it was shown that the optimization algorithm proposed can properly adjust the parameters of the Circle of Willis models simulating various anatomical structure. The simulation results were compared to the results of experimental studies.