Μέτρηση αιμοδυναμικών χαρακτηριστικών με απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού

Abstract

The purpose of the present PhD thesis is to present and underline to the reader the results generated from a series of measurements that were made regarding the study of the hemodynamic characteristics using magnetic resonance imaging.Due to the fact that in the international literature and bibliography-and within the everyday clinical practice- there seems to be appearing more and more newly presented factors that seem to be linked to the hemodynamic and rheological condition of the human body, it seems more evident than ever that there is an absolute need for the complete and scientific study and knowledge of these factors.A relatively newly introduced such factor is wall shear stress (WSS), which describes the force per unit are that is exerted on the arterial wall by the flowing blood. There seem to be an increasing interest in this factor as the international literature is beginning to accept the fact that this factor not only is it linked, but also it seems to be playing a vital role in the genesis, progression and even in the rapture of the atheromatic plaque which in turn is related directly to the overall hemodynamic homeostasis of the human body.Despite the fact that macroscopically this relationship between WSS and atheromatic plague seem to be valid, there seems to be a gap in the overall scientific understanding of the physical and mathematical formalism which lead to the final WSS equation(s).This is the reason why this thesis comes to provide –for the first time to the best of our knowledge- the complete link between the mathematical, the physical and the clinical overview of this hemodynamic factor.More in detail, WSS was measured in a cohort of patients that underwent magnetic resonance angiography (MRA), in our clinic at the second Department of Radiology of the Medical School of the National and Kapodestrian University of Athens at the General University hospital of Athens ‘ATTIKON’. The acquired data was used to test the validity and equality of the four mathematical equations derived from the Poiseuille’s theory of flow with the clinical practice.Furthermore in-vitro experimentation was carried out under completely modulated rheological conditions and geometries’ in order to study on first principles a number of fundamental hemodynamic factors from which the aforementioned equation(s) of flow are derived. Conclusively, it has been proven that the equations that describe the WSS factor based upon the Newtonian fluid theory, are both valid and equivalent and thus adequate for use in clinical situations. They can contribute significantly as prognostic factors to the study of atheromatic disease.

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να παρουσιάσει και να αναδείξει στον αναγνώστη τα αποτελέσματα από μια σειρά μετρήσεων, οι οποίες αφορούν στη μελέτη αιμοδυναμικών χαρακτηριστικών με τη χρήση μαγνητικής τομογραφίας.Καθώς στη διεθνή βιβλιογραφία- και κατ’ επέκταση στην κλινική πράξη- παρουσιάζονται ολοένα και περισσότεροι παράγοντες οι οποίοι φαίνονται να συνδέονται με την αιμοδυναμική κατάσταση του ανθρώπου, αποτελεί ανάγκη η επιστημονική διερεύνηση τους, η οποία πρέπει και μπορεί να οδηγήσει την επιστημονική κοινότητα στη βαθύτερη κατανόησή τους και σαν αποτέλεσμα στην πιο αποτελεσματική τους χρήση για την εξαγωγή ορθών κλινικών συμπερασμάτων.Ένα αιμοδυναμικό χαρακτηριστικό το οποίο τα τελευταία χρόνια ‘απολαμβάνει’ την ιδιαίτερη προσοχή της διεθνούς ιατρικής επιστημονικής κοινότητας είναι και η ‘τοιχωματική τάση διάτμησης’ –‘WALL SHEAR STRESS (WSS)’. Η τάση διάτμησης του αγγειακού τοιχώματος ορίζεται ως η δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας, την οποία ασκεί το αίμα (ρευστό) στο αγγειακό τοίχωμα κατά την ροή του εντός του αγγειακού αυλού.Υπάρχει ένα εκτενές σύνολο διεθνών δημοσιεύσεων, το οποίο αφορά στη σύνδεση του εν λόγο αιμοδυναμικού χαρακτηριστικού με ένα ευρύ φάσμα κλινικών περιπτώσεων και κυρίως με παθήσεις που αφορούν στο σχηματισμό, την πρόοδο και την κατακερμάτιση της αγγειακής αρωματικής πλάκας.Πάρα το γεγονός ότι μακροσκοπικά, η παραπάνω συσχέτιση φαίνεται να είναι σε ισχύ, παρατηρήθηκε ένα έλλειμμα ως προς την κατανόησή των φυσικομαθηματικών φορμαλισμών ο οποίοι οδηγούν στην τελική παραμετροποίηση (μαθηματική σχέση-εξίσωση) αυτό του μεγέθους.Για τον λόγο αυτόν η παρούσα εργασία αποτελεί έναν τρόπο –το μοναδικό έως τώρα σύμφωνα με τη διεθνή βιβλιογραφία- σύνδεσης της φυσικομαθηματικής υπόστασης του παράγοντα αυτού με την κλινική του υπόσταση.Πιο αναλυτικά, μελετήθηκε το WSS σε ένα σύνολο ασθενών, οι οποίοι υπεβλήθησαν σε μαγνητική αγγειογραφία στο Β’ εργαστήριο Ακτινολογίας της Ιατρικής Σχολής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστήμιου Αθηνών. Στη συνέχεια υπολογίστηκε με βάση το σύνολο των μαθηματικών σχέσεων οι οποίες το περιγράφουν ,ώστε να ελεγχθεί εάν ισχύει η θεωρητική (φυσικομαθηματική) ισοδυναμία τους στην κλινική πράξη.Επιπλέον, τα ίδια τα μεγέθη από τα οποία απορρέουν οι φορμαλισμοί της διατρητικής τάσης αγγειακού τοιχώματος, μελετήθηκαν σε πλήρως ελεγχόμενες συνθήκες εργαστηρίου (in vitro) με σκοπό την πλήρη κατανόησή και περιγραφή του εν λόγω αιμοδυναμικού χαρακτηριστικού. Συμπερασματικά αποδεικνύεται το γεγονός ότι οι μαθηματικοί φορμαλισμοί της περιγραφής της τοιχωματικής τάσης διάτμησης είναι ισοδύναμοι και σε πλήρη ισχύ στην κλινική πράξη, πάρα τις όποιες θεωρητικές αποδοχές. Επιπλέον, μπορούν να αποτελέσουν ισχυρό προγνωστικό παράγοντα στην (συν)εκτίμηση εξέλιξης της αθηρωματικής νόσου.