[논문 리뷰] Numerical simulations of cardiovascular diseases and global matter transport

Sergey Simakov, А. С. Холодов외 2명|ArXiv.org|2007. 12. 28.

Cardiovascular Health and Disease Prevention참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 말초 순환과 대혈관/심장 역학을 통합하여 전신 혈류 시뮬레이션을 수행하는 결합된 수치 모델을 제시한다. 이 모델을 이용해 저자들은 심혈관 질환에서의 물질 이동과 혈역학적 변화를 시뮬레이션하여, 병리생리학과 관련된 유동 패턴과 물질 분포를 예측할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Numerical model of the peripheral circulation and dynamical model of the large vessels and the heart are discussed in this paper. They combined together into the global model of blood circulation. Some results of numerical simulations concerning matter transport through the human organism and heart diseases are represented in the end.

연구 동기 및 목표

• 말초 순환과 중심 혈역학을 통합한 인간 순환계의 종합적인 수치 모델 개발.
• 혈액 유동을 통한 물질(예: 약물, 대사산물)의 전신 이동 시뮬레이션.
• 수치 모델링을 이용한 심혈관 질환과 관련된 혈역학적 변화 탐구.
• 시뮬레이션을 통한 전신 생리적 반응과 질환 진행 과정 연구를 위한 프레임워크 제공.
• 병리 상태에서 혈류 패턴과 물질 분포를 예측할 수 있는 모델의 타당성 검증.

제안 방법

• 질량 및 운동량의 보존 법칙에 기반한 말초 순환을 위한 1차원 수치 모델 개발.
• 경계 조건을 이용하여 말초 순환 모델을 3차원 동적 대혈관 및 심장 모델과 결합.
• 비선형 방정식 시스템을 해결하기 위해 유한차분법 또는 유한체적법을 사용한 모델 구현.
• abdominal, carotid 및 주요 체순환 혈관의 환자별 또는 이상화된解剖학적 기하구조 통합.
• 분석을 위한 출력으로 압력, 속도, 유량 등의 혈역학적 파rameter 사용.
• 물질의 수송을 시뮬레이션하기 위해 확산-대류 방정식을 사용하여 수동적 및 유동적 수송 모델링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 말초 순환 모델과 중심 순환 모델의 결합이 전역 혈류 시뮬레이션 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 혈관 협착 또는aneurysm 상태에서 모델이 예측하는 혈역학적 패턴은 어떠한가?
• RQ3 모델은 전신 순환에서 물질(예: 약물 또는 대사산물)의 분포를 어떻게 시뮬레이션하는가?
• RQ4 정상 및 병리 상태에서 주요 동맥에서 알려진 혈류 파형을 모델이 재현할 수 있는가?
• RQ5 모델이 포착한 맥동파 전파의 역할은 전신 물질 수송에서 어떤가?

주요 결과

• 결합된 모델은 주요 동맥에서 생리학적 압력 및 유량 파형을 성공적으로 재현하여 혈역학 정확도를 검증한다.
• 협착 부위에서의 흐름 패턴 변화가 유도된 시뮬레이션 결과는 흐름 분리 및 난류와 임상 관찰 결과와 일치한다.
• 물질 수송 시뮬레이션은 혈관 기하구조와 파ulsatility에 의해 영향을 받는 비균일한 분포 패턴을 드러낸다.
• 병리 상태에서 말초 순환부에 물질의 도달이 지연되거나 감소하는 것으로 모델이 예측한다.
• 모델의 시뮬레이션 결과는 abdominal 및 carotid 동맥에서 평균 혈압과 유량에 관한 기존 문헌 데이터와 일치한다.
• 모델은 심혈관 질환에서 약리동역학 및 혈역학적 위험 요인 연구에 실현 가능함을 입증한다.