تحلیل عددی اثر گرانش بر جریان خون در عروق مغزی با بهره ‌گیری از تصاویر سی‌ تی آنژیوگرافی: مطالعه موردی یک مرد سالم

مقدمه: تحلیل جریان خون در شریان های مغزی از موضوعات دارای کاربردهای بالینی پر اهمیت است. بررسی سوابق تحقیقاتی نشان می ‌دهد که تاکنون در خصوص بررسی جریان خون در رگ ‌های حلقه ویلیس با بررسی تنش برشی روی دیواره و هم چنین با در نظر گرفتن اثرات هایپرالاستیک بودن دیواره رگ و برهم کنش سیال و سازه(fluidstructure interaction) در شرایط مختلف گرانش، ارائه نشده است. این مطالعه در حوزه طب هوافضا دارای کاربرد می باشد.مواد و روش‌ ها: برای بررسی جریان خون در شریان های مغزی و هم چنین تنش روی دیواره آن ها در شرایط مختلف گرانش از روش های دینامیک سیالات محاسباتی(computational fluid dynamics) استفاده‌ شده است. حلقه ویلیس به ‌عنوان مجاری انعطاف پذیر معرفی و رفتار دیواره رگ ‌هایپرالاستیک فرض ‌شد. حل جریان به روش برهم کنش سیال و سازه در دو شتاب گرانشی صفر و 9.8 متر بر مجذور ثانیه مورد بررسی قرار گرفت. برای طراحی هندسه، تعداد 248 تصویر سی تی آنژیوگرافی استفاده شده است. شرایط مرزی با احتساب چندشاخگی و خودتنظیمی، در ورودی و خروجی شریان ها اعمال شد. یافته ‌های پژوهش: در حالت گرانش 9.8 متر بر مجذور ثانیه، مقدار حداکثر تنش برشی روی دیواره برابر 3.9 پاسکال و در حالتی که از گرانش صرف ‌نظر شد، مقدار آن برابر با 6.5 پاسکال به دست آمد. با بررسی نتایج جریان خون در گرانش 9.8 متر بر مجذور ثانیه، فشارخون در رگ‌ های بالایی حلقه ویلیس نسبت به فشارخون خروجی از قلب، کاهش چشم ‌گیری داشته است. بحث و نتیجه‌ گیری: با توجه به این که نرخ تولید مواد بیوشیمیایی در پاسخ به محرک مکانیکی رابطه مستقیمی با تنش برشی دارد، پیش بینی می شود که در رگ های ارتباطی خلفی و قدامی(anterior and posterior communication arteries) آن نوع واکنش های بیوشیمیایی بیشتر از دیگر رگ های مورد بررسی رخ دهد. از نتایج به ‌دست ‌آمده از این پژوهش می توان در آزمایش ‌های فیزیولوژی فضانوردان و مطالعات مکانوبیولوژیکی عروق مغزی در شرایط پاتولوژیکی و نیز در مطالعات رشد و ترمیم در پزشکی بازساختی استفاده نمود.

Numerical Analysis of Gravitational Effects on the Blood Flow in Cerebral Arteries Using Computed Tomography Angiography Images: A Case Study of a Healthy Male

Introduction: Investigation of the blood flow in the cerebral arteries has important clinical applications. There is a dearth of research on fluid flow in the circle of Willis, analysis of shear stress on the arterial wall, and the effect of hyperelasticity of the arterial wall and fluidstructure interactions in different gravities. This study has practical implications in aerospace medicine. Materials Methods: In this study, computational fluid dynamics methods were used to study the blood flow in the cerebral arteries and the stresses on the arterial walls through alternations in gravity. The circle of Willis was introduced as a flexible tube with hyperelastic material properties. The solution of the flow was evaluated using the method of fluidstructure interactions in two gravitational accelerations of zero and 9.8 m/s2. A total number of 248 computed tomography angiography images were used to design the geometry. The boundary conditions considering the multibranching and autoregulation were assumed at the inlet and outlet of the arteries.Findings: Regarding the 9.8 m/s2 gravity, the maximum stress was equal to 3.9 Pascal. On the other hand, when gravity was neglected, the corresponding value was equal to 6.5 Pascal. Considering the results of blood flow in 9.8 m/s2 gravity, the blood pressure in the upper arteries and the circle of Willis was significantly reduced, compared to the blood pressure output from the heart. Discussion Conclusions: The rate of production of biochemical materials due to a mechanical stimulation had a direct relationship with shear stress. Therefore, it is anticipated that those chemical reactions occurred more in the anterior and posterior communicating arteries. The results of this study can be used in physiological experiments on the astronauts, mechanobiological studies of the cerebral arteries in pathological conditions, and investigations of tissue growth and repair in regenerative medicine.