Akciğer obstrüksiyonlarının ekspirasyona olan etkisinin sayısal olarak incelenmesi ve SFT sonuçlarıyla ilişkilendirilmesi

Abstract

Bu tez çalışmasının ilk amacı bilgisayarlı tomografi görüntüleri kullanılarak elde edilen 138 adet distal hava yoluna sahip normal bir insan akciğer modeli (Model-I) ve bu model üzerinde farklı derecelerde yapay obstrüksiyonlar oluşturularak elde edilen obstrüksiyonlu modeller üzerinde, zorlu ekspiryum durumunda, küçük çaplı solunum yollarında oluşan obstrüksiyonların hava yolu direnci, hava akım hızları ve hacimler üzerindeki etkilerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Analizlerinin (HAD) yapılarak incelenmesi ve elde edilen sonuçların klinik ortamda yapılmış olan solunum fonksiyon testinde (SFT) elde edilen gerçek değerler ile karşılaştırılmasıdır. Çalışmanın ikinci amacı ise, segmentasyon yöntemi ile elde edilen 28 adet distal hava yoluna sahip normal bir insan akciğer modeli (Model-II) ve yine bu model kullanılarak elde edilen obstrüksiyonlu modeller üzerinde, zorlu ekspiryum ve normal solunum döngüsünde sağ/sol ana bronşlarında oluşan obstrüksiyonların hava yolu direnci, hava akım hızları ve hacimler üzerindeki etkilerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Analizlerinin (HAD) yapılarak incelenmesidir. Sayısal analizlerde kullanılmak üzere oluşturulan modeller, MIMICS yazılımı kullanılarak BT görüntülerinin segmente edilmesi sonucunda elde edilmiş, sayısal çalışmalarda ise Ansys-Fluent yazılımı kullanılmıştır. HAD çalışmaları sıkıştırılamaz, izotermal, hava akışkanı ile SST k-w türbülans modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Normal solunum periyodu için yapılan analizlerde kullanılmak üzere, ATS, ERS gibi uluslarası standartlar ve literatürde yer alan istatiksel çalışmalardan yararlanılarak toplamda 5 saniyelik (2 saniye nefes alma, 3 sn nefes verme) zamana bağlı değişen basınç profilleri sınır şartı olarak polinom fonksiyon şeklinde tanımlanmıştır. Zorlu ekspirasyon durumu için yapılan çalışmalarda kullanılmak üzere, BT görüntülerinin ait olduğu bireylere ait vücut-kütle indeksleri kullanılarak tepe akım debi değerleri belirlenmiş ve solunum yolu direnci formülü kullanılarak olabilecek maksimum alveoler basınç değerleri elde edilmiştir. Toplamda 6 saniyelik zorlu ekspirasyon periyodu için bu azami basınç değeri baz alınarak basınç profilleri tanımlanmıştır. Müteakiben sayısal çalışmaların çözüm ağı sayısından ve zaman adımından bağımsız hale getirilmesi kapsamında farklı çözüm ağları ve farklı zaman adım sayılarında analizler yapılarak çözüm ağı ve zaman adım sayısı için optimum değerler belirlenmiştir. Elde edilen modellerin doğrulanması maksadıyla literatürde yer alan ve diğer birçok çalışmada da kullanılmış olan deneysel bir çalışmanın sonuçlarından faydalanılmıştır. Doğrulama kapsamında deneysel çalışmalarda kullanılan akciğer modelinin sağ ana bronşundan alınan bir kesitte oluşan hız profilleri, çalışma kapsamında elde edilen modellerde aynı kesitte sayısal çalışmalar sonucunda oluşan hız profilleri ile karşılaştırılmıştır. Model I ve bu model kullanılarak elde edilen iki farklı obstrüksiyonlu model üzerinde yapılan çalışmalarda; Sınır şartı olarak kullanılan basınç değişim profili ile yapılan HAD çalışmaları sonucunda elde edilen PEF, FEV1, FVC ve Tiffenau oranlarının, klinik ortamda alınan solunum fonksiyon testindeki değerlere oldukça yakın olduğu, Poiseuille kanuna paralel olarak solunum yolu direncinin çap değerinin 4. kuvveti değeri ile orantılı olacak şekilde artması nedeniyle obstrüksiyonlu modellerde normal modele göre aynı süre zarfında daha az havanın ekspire edilebildiği ve tepe akım debi değerine daha düşük hacimlerde ulaşıldığı, Alt loblarda oluşturulan obstrüksiyonların SFT parametrelerinde yüzde 16 ile yüzde 21 arasında düşüşe neden olurken, tüm loblarda oluşturulan obstrüksiyonların yüzde 23/26 mertebelerinde düşüşe neden olduğu görülmüştür. Model II ve bu model kullanılarak elde edilen üç farklı obstrüksiyonlu model üzerinde yapılan çalışmalarda; Sağ ana bronş çapının sol ana bronşa göre daha büyük olması nedeniyle sağ ana bronş üzerindeki obstrüksiyonların sol ana bronşa göre tidal hacim üzerinde daha az etkili olduğu, Artan obstrüksiyon derecesi ile birlikte inhale edilen havanın sağ ve sol üst loblara dağılım yüzdesinin yüzde bir seviyelerine kadar düşerken, yüzde 75 obstrüksiyon oranında oluşan hava dağılımlarında sağ alt lobda yüzde elli değerlerine ulaşıldığı, Bununla birlikte aynı obstrüksiyon derecelerinde yüksek debi değerinde yapılan analizlerde alt loblara dağılan hava miktarında değişim görülmezken üst loblara dağılan havanın daha da azalırken sağ orta loba dağılan hava miktarında artış olduğu görülmüştür. Obstrüksiyonların akış karakteristiklerine olan etkilerinin incelenmesi maksadıyla karina ve trake orta noktalarından alınan kesitlerde oluşan hız profilleri incelenmiş; Zorlu ekspiryum durumunda normal model trake ve karina kesitinde akışın kanal içerisine yayıldığı, artan obstrüksiyon derecesi ile jet akışının karina bölgesinde havanın iki merkez halinde ilerlemesine, sağ ve sol ana loblardan gelen yüksek hızlı akışların birleşmesi sonucu trake orta bölümünde kuvvetli ikincil akışlar oluşmasına neden olduğu gözlenmiştir. Model-I ve Model-II üzerinde aynı sınır şartları ile yapılan analizlerde SFT parametrelerinin, sağ ve sol ana bronş üzerinde yüzde elli obstrüksiyon oranında yüzde 45-60 arasında düşerken distal solunum yollarında aynı obstrüksiyon derecesinde düşüşün yüzde 27-30 değerlerinde olduğu görülmüş, solunum yolu sayısı ve yüzey alanı olarak büyük solunum yollarına oranla çok daha fazla olan distal yolların, büyük solunum yollarına oranla solunum yolu direncinde daha az etkisi olduğu sayısal olarak doğrulanmıştır. Tez kapsamında yukarda yer alan çalışmalara ek olarak klinik ortamda helyum dilisyon yöntemi ile toplam akciğer kapasitesi tespit edilen 262 bireye ait BT görüntüleri segmente edilmiş ve toplam akciğer kapasiteleri hesaplanmıştır. Yapılan çalışma sonucunda segmentasyon yöntemi ile elde edilen toplam akciğer kapasitesi değerleri ile pletismografi yöntemi ile elde edilen değerler arasında orta düzeyde korelasyon bulunmuştur.