[논문 리뷰] Multi-Constituent Simulation of Thrombus Deposition

Wei‐Tao Wu, Megan A. Jamiolkowski외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 25.

Blood properties and coagulation참고 문헌 74인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 유체-고체 혼합물 내에서 10개의 생물학적 및 화학 종에 대한 대류-반응-확산 방정식을 결합하여 혈관 및 마이크로채널에서 혈전 형성의 다성분 계산 모델을 제시한다. 이 모델은 실내 및 실외 실험 조건에서 모두 혈전 성장 패턴을 정확하게 예측하며, 공간적 및 시간적 패턴에서 실험 데이터와 강한 일치를 보이며, 혈전성 장치 설계를 위한 예측 도구를 제공한다.

ABSTRACT

In this paper, we present a spatio-temporal mathematical model for simulating the formation and growth of a thrombus. Blood is treated as a multi-constituent mixture comprised of a linear fluid phase and a thrombus (solid) phase. The transport and reactions of 10 chemical and biological species are incorporated using a system of coupled convection-reaction-diffusion (CRD) equations to represent three processes in thrombus formation: initiation, propagation and stabilization. Computational fluid dynamic (CFD) simulations using the libraries of OpenFOAM were performed for two illustrative benchmark problems: in vivo thrombus growth in an injured blood vessel and in vitro thrombus deposition in micro-channels (1.5mm x 1.6mm x 0.1mm) with small crevices (125μm x 75μm and 125μm x 137μm). For both problems, the simulated thrombus deposition agreed very well with experimental observations, both spatially and temporally. Based on the success with these two benchmark problems, which have very different flow conditions and biological environments, we believe that the current model will provide useful insight into the genesis of thrombosis in blood-wetted devices, and provide a tool for the design of less thrombogenic devices.

연구 동기 및 목표

• 혈전 형성의 시작, 확장 및 안정화 과정을 포괄하는 시공간 수학적 모델을 개발하기 위해.
• 실제 생물학적 및 유체역학적 조건을 반영한 복잡한 혈류 환경에서 혈전 침착을 시뮬레이션하기 위해.
• 실내 손상된 혈관 및 실외 마이크로채널 구성에서의 실험 데이터와의 모델 유효성 검증을 위해.
• 혈액 접촉 의료 기기의 혈전성 평가를 위한 예측 프레임워크를 제공하기 위해.
• 단일 계산 프레임워크 내에서 다성분 유체역학과 생화학적 반응 네트워크를 통합하기 위해.

제안 방법

• 혈액을 선형 점성 유체 상과 고체 혈전 상으로 구성된 이상태 혼합물로 모델링한다.
• 주요 응고 인자 및 세포 성분에 대한 10개의 결합된 대류-반응-확산(CRD) 방정식 시스템을 수립한다.
• 복잡한 기하구조에서 제어 방정식을 해결하기 위해 OpenFOAM 유체역학 계산 라이브러리를 사용한다.
• 트롬빈 생성, 혈소판 활성화 및 피브린 형성을 위한 생화학 반응을 통합하여 혈전 형성의 시작, 확장 및 안정화를 표현한다.
• 두 가지 벤치마크 사례를 시뮬레이션한다: 손상된 혈관 내 혈전 성장과 작은 갈림길이 있는 마이크로채널 내 침착.
• 생리학적 관련성을 확보하기 위해 실험 데이터를 바탕으로 실제 경계 조건과 初기 농도를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 유량 환경에서 다성분 CFD 모델은 혈전 형성의 시공간적 변화를 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 10개의 생화학 종을 포함함으로써 혈전 성장 시뮬레이션의 예측 능력은 어느 정도 향상되는가?
• RQ3 모델은 실내 및 실외 환경에서 실험적으로 관찰된 혈전 형태 및 성장 동역학을 재현할 수 있는가?
• RQ4 다양한 혈류 조건과 기하학적 특성은 혈전 침착 패턴에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 모델은 혈액 접촉 의료 기기의 혈전성 잠재력 평가를 위한 신뢰할 수 있는 도구로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 손상된 혈관 내에서 모델은 실험 관찰과 공간 분포 및 시간적 진행 모두에서 일치하는 혈전 침착 패턴을 성공적으로 예측하였다.
• 125 µm × 75 µm 및 125 µm × 137 µm 크기의 갈림길이 있는 마이크로채널 시뮬레이션에서, 모델은 실험적으로 관찰된 혈전 성장과 형태를 높은 정밀도로 재현하였다.
• 모의된 혈전 성장 속도와 최종 크기는 다양한 유량 조건에서 실내 실험 데이터와 정량적으로 일치하였다.
• CRD 시스템 내에서 10개의 생화학 종 간의 동적 상호작용을 통해 혈전 형성의 시작 단계에서 안정화 단계로의 전환을 모델이 포착하였다.
• 모의와 실험 간의 일치는 두 가지 서로 다른 유량 및 생물학적 환경에서 뚜렷하게 유지되어 모델의 일반화 능력을 검증하였다.
• 결과적으로, 이 모델은 혈전성 위험을 사전에 예측할 수 있기 때문에 혈전성 감소 설계를 위한 지침 제공에 활용될 수 있다.