Rupture status investigation of patient specific cerebral aneurysms by analysing hemodynamic factors using computational fluid dynamics

Abstract

Beyin anevrizmaları, dünya çapındaki populasyon düşünüldüğünde çok sık görülen bir durum olmakla beraber, ciddi anlamda yüksek hastalık ve ölüm oranlarıyla ilişkilidir. Temelde, anevrizmalar kan damarı duvarlarındaki patolojik ve anormal yapılardır. Anevrizma çeşitleri, iğsi ve sakküler olmak üzere şekil bakımından ikiye ayrılır. İğsi anevrizmalar, daha çok vücudun karın aortu bölgesinde lokalize olurken, sakküler anevrizmalar çoğunlukla beyin bölgesindeki Willis çemberi etrafında lokalize olurlar. Sakküler anevrizmalar, Willis çemberi etrafındaki lokalize olduğu damarın adını alarak, isimlendirilmesi yapılır. Örneğin, internal karotid arterde bulunan bir anevrizma ICA anevrizması (internal carotid artery aneurysm) olarak adlandırılır. Bunun yanı sıra, sakküler anevrizmalar lokalize oldukları damarlardaki konumuna göre de sınıflandırılır ve ikiye ayrılır. Anevrizma oluşumunun gerçekleştiği bölgede aferent kan akışının çatallanan kan damarlarıyla en az iki eferent akış yoluna ayrılmasıyla çatallanan bölgenin ortasında oluşan anevrizmaya bifürkasyon veya terminal anevrizma adı verilir. Bu tip anevrizmalara Willis çemberindeki baziler arteranevrizmasıörnekverilebilir. Bir diğer çeşidinde de anevrizma oluşumunun gerçekleştiği bölgede aferent ve eferent akış aynı kan damarı üzerinde bulunursa, anevrizma kan damarının yanal duvarında meydana gelir ve bu anevrizma çeşidine yan çeper anevrizması veya lateral anevrizma adı verilir. Bu çeşit anevrizmalara internal karotid arter anevrizması örnek olarak verilebilir. Bu çalışmada biri rüptür olan ve biri rüptür olmayan toplam iki adet sakküler, lateral anevrizma çeşidine sahip internal karotid arter anevrizmalarında, Newton uyumlu olmayan, düzensiz zamana bağlı pulsatil kan akışı modellemesi gerçekleştirilmiştir. Bunun yanı sıra, bu özelliklere bir de türbülans akış altında bakılıp inceleme gerçekleştirilmiştir.İntrakraniyal anevrizmalar, bir diğer deyişle, beyin anevrizmaları, beyin arterinin zayıflamasıyla meydana gelir ve önceden de belirtildiği üzere, genellikle Willis çemberinde lokalize olan arteryel duvarın anormal genleşmeleridir. Intrakranial anevrizmalar üç adet evreden meydana gelir. Bu evreler, sırasıyla, anevrizma oluşumu, anevrizma büyümesi ve son olarak da anevrizma yırtılmasıdır. Anevrizma yırtılması tıp dünyasında anevrizma rüptürü olarak adlandırılır. Beyin anevrizmasının rüptür olması halinde, hasta çok ciddi sağlık problemleriyle karşılaşabilir, hatta en kötü senaryoyu düşünecek olursak, bu yırtılma durumu, hastanın ölümüyle sonuçlanabilir. Beyin anevrizmalarının rüptür olması, beyinde bulunan subaraknoid boşluğa doğru olan kanamaya sebep olabilir. Bu durum, subaraknoid kanama veya tıp dünyasındaki ismiyle subaraknoid hemoraji olarak adlandırılır. Subaraknoid kanama beyin anevrizmalarının en ciddi problemlerinden biridir ve yüksek oranda hastalık ve ölüme sebebiyet verir. Bilim dünyasındaki istatistiklerden yola çıkarak, subaraknoid kanamaya %85 gibi büyük bir oranla beyin anevrizmalarının sebep olduğunun altı dikkatle çizilmiştir. Anevrizma rüptürü geçiren hastalar, ne yazık ki, ya bir ay içerisinde ölür ya da yaşam kalitelerini ciddi anlamda düşürecek yetersizliklere sahip olurlar. Tüm bu nedenlerden dolayı, beyin anevrizmalarının yırtılma durumunun incelenmesi, rüptür riskinin önceden bilinip doğru tedavi uygulanabilmesi için, önemli ölçüde elzemdir. Kan damarlarının akış koşullarıyla yeniden şekillenmesi ile ilgili ilk çalışmalar Virchow tarafından yapılmış olup asırlar öncesine, 1800'lü yıllara dayanmaktadır. O zamanlardan beri, bilim insanları kan dolaşım sistemini incelemek için yoğun bir şekilde kan damarları ve kan akışlarıyla ilgili çalışmalarını sürdürmektedirler. İntrakranial anevrizmalar ve arterlerde kan akışını incelemek açısından, bilgisayar ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği tabanlı çalışmaların olmadığı eski zamanlarda, kan dolaşım sistemindeki kan akışı karmaşıklığının gizemli dünyasını keşfetmek adına, bilim insanları hayvan deneylerini gerçekleştiriyorlardı. Teknolojinin hızla yükselmesiyle birlikte, hem görüntü tekniklerinin kalitelileşmesi hem de bilgisayar yazılımlarının gelişmesi, hastaya özgü beyin anevrizmalarının hesaplı akışkanlar dinamiği kullanılarak araştırılması ortaya umut vaadedici sonuçlar çıkardı. Bilgisayar sistemlerinin hızla güçlenmesi, in-vivo ortamlarda, diğer bir deyişle, yaşayan organizmalarda yapılması imkansız sayılabilecek araştırmaları, bilgisayar tabanlı kan akışı çalışmalarında mümkün kıldı.Önceki yıllarda, bu kan akış modellemeleri, basit bir yapay boru geometrisi içerisinde gerçekleştiriliyordu. Bu tip çalışmaların, gerçeklikten uzak bir modelleme ortamının yaratılmasının yanı sıra, güvenilir ve kaliteli sonuçlar vermemesi büyük ölçüde olasıdır. Özellikle, beyin anevrizmaları gibi karmaşık yapılar düşünüldüğünde, yapay düz bir boru geometrisinin, yine yapay küresel bir yapı ile birleştirilip simülasyon yapılması, ciddi anlamda yanıltıcı sonuçlara sebebiyet verir. Son yıllardaki görüntüleme tekniklerinin ve teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte, hastaya özgü beyin damarları ve beyin anevrizmalarının geometrileri elde edilebilmekte, ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği tabanlı üç boyutlu kan akışı simülasyonları hastaya özgü beyin anevrizmaları içerisinde gerçekleştirilebilmektedir.Kan akışının beyin anevrizmalarında gerçekçi modellenebilmesi için, hastaya özgü geometrilerin kullanılmasının yanı sıra, yapı bakımından çok karmaşık olan kanın da gerçeğe uygun modellenmesi gerekmektedir. Temelde, kan, hücrelere oksijen ve besin sağlayan, ve metabolik atıkların bu hücrelerden uzaklaştırılmasına yardım eden bir vücut sıvısı olmasının yanı sıra, aynı zamanda sıvı bağ dokusu olma özelliğini de taşır. Kan, bileşenlerinden dolayı karmaşık bir oluşumdur. Bu bileşenlerden ilki, içerisinde glukoz ve protein gibi çözünmüş maddeler barındıran ve Newton uyumlu özellik gösteren, homojen yapıda bir sıvı solüsyon olan plazmadır. İkinci bileşen ise, plazma içerisinde askıda duran, tam kan yapısına sadece bir süspansiyon özelliği değil, aynı zamanda Newton uyumlu olmayan bir özellik katan, başta kırmızı kan hücreleri olmak üzere, beyaz kan hücreleri ve trombositlerden oluşan hücresel elementlerden oluşmaktadır.Kırmızı kan hücreleri, diğer hücrelere oranla, kan içerisinde en çok bulunan hücre olma özelliğini taşır. Bu hücreler, yapılarında mitokondri ve nükleus, diğer bir adıyla hücre çekirdeği, bulundurmamalarıyla, diğer hücrelerden farklılık gösterip özelleşmiş yapıdadırlar. Bu özellikleri, kırmızı kan hücrelerinin, hemoglobin proteinine daha çok yer ayırmalarını sağlamaktadır. Kırmızı kan hücrelerinin temel görevi, bütün hücrelere oksijen taşımaktır. Bu hücrelerin kalınlıkları yaklaşık olarak 2μm olup, yaklaşık 8μm çapları vardır. Bu boyutsal yapıya rağmen, vücudumuzda bulunan en küçük kan damarları olan çapı 6μm 'den az olan kılcal damarlardan bile geçerek bütün hücrelere oksijen dağıtımını gerçekleştirir. Bu geçişi gerçekleştirmek için, sıkışma davranışı sergilenmektedir ve bu davranış kanın viskozite karakteristiğini etkiler. Viskozite, reoloji ile ilgili olduğu için, kanın kılcal damarlarda Newton uyumlu olmayan davranış gösterdiğini, 1931 yılında Fahræus and Lindqvist yaptıkları bir deneyle kanıtlamışlardır. 1966 yılında, Chien ve ekibi tam kanda kayma gerilmesi ve kayma hızı arasında doğrusal bir ilişki olmadığını gösterip, normal hematokrit düzeyine sahip tam kanda Newton uyumlu olmayan özellik gözlemlediler. 1972 yılında Thurston, kanın Newton uyumlu olmayan özelliğe sahip olmasının yanı sıra, aynı zamanda viskoelastik davranış gösterdiğini de kanıtladı.Kırmızı kan hücrelerinin kanın reolojik yapısına olan etkisiyle, tam kanın, Newton uyumlu olmayan kayma incelmesi özelliği ve bunun dışında sahip olduğu viskoelastik yapısı, kan akışını, özellikle hastaya özgü beyin anevrizmaları gibi kompleks geometrilerde, matematiksel olarak modelleyip çözülecek olan problemi karmaşık kılar. Kan akışının karmaşıklığı sadece kanın yapısal özellikleriyle sınırlı kalmaz, bunun dışında, kanın dalgasal hareketi de, hastaya özgü beyin anevrizmalarında kan akışının matematiksel modellenmesi ve simülasyonu için olan çalışmaları daha da karmaşık hale getirmektedir. Kan, pulsatil olarak adlandırdığımız, dalga hareketine benzer bir şekilde kalp tarafından periyodik olarak pompalanıp kan damarları yolu ile bütün vücuda dağılmaktadır. Kanın bu hareketi, bir hayvansal deney ile 1955 yılında McDonald tarafından çalışılmış olup, aynı yıllarda da bu hareketin matematiksel olarak ifadeleri Womersley tarafından çalışılmıştır. Kanın, periyodiksel olarak kalp tarafından pompalanıp ritmik olarak sistol ve diyastol zamanında değişiklik gösteren pulsatil hareketi matematiksel olarak Womersley profili ile ifade edilmektedir. Kanın hem yapısal hem de hareketsel davranışları, hastaya özgü geometrilerde, özellikle beyin anevrizmaları gibi anormal geometrilerde, matematiksel olarak modellenmesini ve simulasyonunu güçleştirmektedir. Kanın damardaki pulsatil hareketini göz ardı edip, bu yapıyı zamandan bağımsız olarak modellemek, yapılan çalışmayı gerçeklikten uzak kıldığı ve problemi basitleştirdiği gibi bir de elde edilen sonuçların yanıltıcı olmasına sebebiyet verebilir. Bu problemlerden kaçınmak ve kan akış hareketini gerçekçi modellemek amaçlı, bu çalışmada kan, Womersley profil kabulüyle, zamana bağlı düzensiz pulsatil akış olarak modellenmiştir. Aynı şekilde, kanın yapısal özelliğini ihmal ederek modelleme yapmak, bu karmaşık yapıyı basitleştirip, gerçeklikten uzaklaşmaya ve bunun sonucunda elde edilen bilgilerin araştırmacıları yanıltıcı yorumlara itebileceği gerçeği olasıdır. Yanıltıcı sonuçlardan kaçınabilmek adına, bu çalışmada kan, Newton uyumlu olmayan kayma incelmesi özelliği ile modellenip, bu viskozite modeli için de deneysel verilere oturtulan, gerçekçiliğe çok yakın olan Carreau-Yasuda viskozite modeli kullanılmıştır.Hastaya özgü beyin anevrizmalarının incelenmesi çalışmalarında, hesaplı akışkanlar dinamiği tabanlı araştırmaların ve hemodinamik faktörlerin, anevrizma fazları olan anevrizma oluşumu, anevrizma büyümesi ve anevrizma yırtılması üzerinde önemli ölçüde rol oynadığı gösterilmiştir. Akabinde, bir çok araştırmacı bu alandaki çalışmalar için hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile hemodinamik faktörleri analiz ederek yoğun olarak incelemeler yapmaktadırlar. Bununla birlikte, beyin anevrizmalarının rüptür riski bakımından olan çalışmalarda hemodinamik faktörler açısından karşıt görüşler hala varlığını sürdürmektedir. Bu sebepten dolayı, hala tam olarak anlaşılmayan hemodinamik faktörlerin beyin anevrizmaları üzerindeki etkilerini anlaşılır kılmak için, hesaplamalı akışkanlar dinamiği tabanlı çalışmaların sürdürülmesine büyük ölçüde ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, beyin anevrizmalarının rüptür durumları, hemodinamik faktörlere dayalı olarak incelenmiş, bu amacı gerçekleştirmek için, hastaya özgü beyin anevrizma geometrileri kullanılıp, hesaplamalı akışkanlar dinamiği çalışmalarını gerçekleştirmek için de C++ tabanlı açık kaynak bir yazılım olan OpenFOAM yazılımı kullanılmıştır.Hesaplamalı akışkanlar dinamiğinin popüleritesi teknolojinin gelişmesiyle birlikte yaygınlaşmış, ve bu teknoloji beyin anevrizmalarındaki kan akışı modellemeleri için umut kaynağı olmuştur. Bununla birlikte, eğer ağ ayırma duyarlılığı karmaşık anevrizma geometrisi ile örtüşmez ise simülasyon sonuçları yanıltıcı olabilir. Bunun üstesinden gelebilmek adına, hesaplamalı akışkanlar dinamiği çalışmalarında ayrıklaştırma hataları değerlendirilmesine güçlü bir ihtiyaç vardır. Hata analizleri çalışmaları Roache tarafından önerilip, daha sonra geniş ölçüde araştırmacılar tarafından hesaplamalı akışkanlar dinamiği çalışmalarında kullanımı yaygınlaşmıştır. Hata analizlerinin önemi dikkate alınıp, yanıltıcı sonuçlardan kaçınabilmek için bu çalışmada, genelleştirilmiş Richardson Ekstrapolasyonu tabanlı ağ yakınsama indeksi metodu ayrıklaştırma hatalarının değerlendirilmesi adına uygulanmıştır. Ağ yakınsama indeksi çalışması için, beş farklı ağ eleman sayısına sahip geometrilerde analiz yapılmış, bunlar arasından en hassas üç tanesinin arasında ağ yakınsama indeksi değerleri tablolar halinde verilmiştir. Elde edilen sonuçlar yakınsama aralığına uyum sağlamış olup, Richardson Ekstrapolasyonu sonucuyla da birebir örtüşmektedir.Kan damarları yaşayan canlı organlar olduğundan dolayı, hem vücut içindeki kimyasal ve fiziksel değişikliklere hem de dışarıdan gelen uyarıya kendi iç dengesini korumak için tepki gösterirler. Dolayısı ile, farklılık gösteren hemodinamik şartlar altında, uyum sağlama amaçlı olarak büzülme ve genişleme hareketleri yapmaktadırlar. Vücutta anormal hemodinamik etkiler olduğu zaman, bu etkilere tepki vermek için ya molekül sentezleme yoluna giderler ya da kan damarı duvarlarını yeniden şekillendirirler. Beyin anevrizmaları da, beyindeki Willis çemberinde lokalize olmuş kan damarlarının patolojik genişlemesi bir başka deyişle kan damarlarının yeniden şekillenmesinin bir ürünü olduğu için hemodinamik faktörlerin anevrizma oluşumuna, büyümesine ve yırtılmasına olan etkileri önemli ölçüde büyüktür. Bu çalışmada, anevrizma rüptürü durumu incelemesi, hesaplamalı akışkanlar dinamiği yardımıyla hemodinamik faktörler analiz edilerek yapılmıştır. Kullanılan hemodinamik faktörler, anevrizma çalışmalarında yoğunlukla kullanılan duvar kayma gerilmesi, damarın yeniden şekillenmesinde büyük rol alan salınımlı kayma indeksi, zamana göre ortalaması alınmış duvar kayma gerilmesi, iç zar gözesi tarafından gen ekspresyonu yaparak ve damar duvarı şekillendirmede rol alarak anevrizma oluşumuna sebep olunduğu bilinen, bunun yanı sıra iltihaba neden olan etkilerde de rol alan konumsal duvar kayma gerilmesi gradyanı, zamana göre ortalaması alınmış konumsal duvar kayma gerilmesi gradyanı, hız ve basınç olarak çalışmada yer almaktadır.Bu çalışmada, daha önce belirtildiği üzere, biri rüptür olup 26 yaşında kadın bir hasataya aittir ve diğeri rüptür olmayan 48 yaşında kadın bir hastaya ait olmak üzere toplam iki adet hastaya özgü beyin anevrizma modelleri kullanılmıştır. Orijinal geometriler, ilgi bölgesine göre kesilip, düzgün akışın giriş çıkışı için her ekstremite bölgesine uygun ölçüde uzantılar eklenmiştir. Geometrilerde hacim ağı üretmek için, sistem kapalı bir hale getirilip giriş çıkış bölgeleri kapatılmıştır. Hastaya özgü beyin anevrizma datalarına yapılan bu işlemler açık kaynaklı the Vascular Modeling Toolkit (VMTK) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Geometrilerde yüzeysel ve hacimsel ağ üretimi için ICEM CFD 19.2 (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA) ağ üreticisi yazılımı kullanılmış olunup, ağ çeşidi dörtyüzlü ağ olarak üretilmiştir. Bütün simülasyonlar, OpenFOAM yazılımına ait kapalı metod kullanan pisoFOAM çözücüsünde sonlu hacim yöntemi altında OpenFOAM yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kullanılan hemodinamik faktörlerin görselleştirmeleri, açık kaynaklı bir yazılım olan ParaView kullanılarak yapılmıştır. Bu tezin yazımında LATEX kullanılmıştır.Hastaya özgü beyin anevrizmalarındaki kan akışı modellemesi, Navier-Stokes denklemleri altında, düzensiz zamana bağlı pulsatil davranışı ile modellenip ayrıca kanın Newton uyumlu olmayan, kayma incelmesi özelliğini hesaba katarak bu özelliği vermek için Carreau-Yasuda viskozite modeli kullanılmış olunup sıkıştırılamaz akış olarak gerçekleştirilmiştir. Kan damarları, kaymaz sınır koşulları ile sabit olarak modellenmiştir. Simülasyonlar hem rüptür model hem de rüptür olmayan model için, geçişli ve türbülans akış modellemesi yapılarak ayrı ayrı hesaplanmıştır. Türbülans modeli yaratmak için, pisoFOAM çözücüsü kullanılarak, dinamik k-denklemi büyük girdap benzeşim yöntemi için OpenFOAM kullanılarak çözülmüştür.Bu çalışmada, simülasyon sonuçları ile elde edilen hemodinamik faktörler, literatürdeki data ile kıyaslanarak nümerik doğruluğu yapılmıştır. Simulasyon sonuçları, hastaya özgü beyin anevrizmalarında, özellikle anevrizma keseciği bölgesinde, bilhassa sistol zamanında artan Reynolds sayılarının da etkisiyle türbülans etkilerin yoğun olarak hissedildiğini göstermiştir. Türbülans etkileri, geçişli simulasyonlara nazaran, salınımlı kayma indeksini de dğer olarak arttırmıştır. Rüptür modelde rüptür olamayan modele göre duvar kayma gerilmesi değerleri daha düşük gözlemlenip, literatür ile desteklenmiştir. Rüptür olmayan geometride gözlemlenen, salınımlı kayma indeksinin yüksek değerleri, bu model için rüptür riskinin yüksek olabileceğine işaret etmektedir. Her iki geometride de akış çizgileri, giriş bölgesinde düzgün davranış sergilerken, kıvrımlara geçtikçe geçişli bir davranış sergileyip, anevrizma kesesi içinde de büyük ölçüde kaotik bir davranış sergilemiştir. Duvar kayma gerilmesi vektörleri türbülans etkiler altında farklı yön davranışları yaparak salınım kayma indeksinin değerini arttırıp, canlı organ olan damarı yeniden şekillendirmeye zorlamıştır. Ayrıca, rüptür geometrinin sahip olduğu düşük duvar kayma gerilmesi ve yüksek konumsal duvar kayma gerilmesi gradyanı, bu anevrizmada önemli ölçüde dengesiz akış bölgelerinin fazlalığına işaret etmektedir.

Cerebral aneurysms are rather common considering the worldwide scale of population and associated with high morbidity and mortality rate. In order to prevent disability problems and deaths caused by cerebral aneurysms, the researchers from both medical side and engineering side have been performing intensive studies. Although the intensive researches, cerebral aneurysms, particularly hemodynamic effects on cerebral aneurysms are not quite well understood. Hence, as long as the researches proceed, the studies in terms of aneurysm status might enlighten the mystery of hemodynamic effects on the cerebral aneurysms.Essentially, the aneurysms are pathologic and abnormal structures of the blood vessel walls. Cerebral aneurysms arise from the weakness of the cerebral artery caused by various factors such as genetics and hypertension. These structures are abnormal dilations of the arterial wall that mostly localized in the Circle of Willis (CoW). There are three phases for the cerebral aneurysms: formation, growth and eventually rupture. The rupture of the cerebral aneurysm might lead to serious disability problems for the patient or even worse, might be end up with the death of the patient. When the rupture is occured within the cerebral aneurysm, it might lead to the bleeding into the subarachnoid space in the brain. This phenomenon is called subarachnoid hemorrhage (SAH) and SAH is occured by cerebral aneurysms with a remarkably rate of 85%. As a consequence, it is significantly crucial to investigate rupture status of the cerebral aneurysms in order to predict the rupture risk.For a long time, over the centuries, circulatory system had been examined in behalf of discovering the organisms. Blood vessel remodeling with the flow conditions had been studied a long time ago in 1800s by Virchow. Thenceforward, the blood vessels and blood flow studies have been extensively performed in order to examine circulatory system. Before the computational-based investigations in the sense of the cerebral aneurysms and blood flow in arteries, animal-based experiments had been performed considerably to explore this secret world of the blood flow complexity in circulatory and cardiovascular system. The development of technology gives computer-based studies an opportunity in order to examine blood flow simulations that is unfeasible to perform by means of in-vivo methods. Particularly, with the increasing techniques and technologies with regard to imaging, it has become possible to perform computational fluid dynamics (CFD) within patient-specific cerebral aneurysms instead of performing simulations within the artificial straight pipe geometries that are not realistic and reliable.It has been demonstrated that the examination based on CFD and hemodynamic factors play a significant role in order to investigate cerebral aneurysm steps which are initiation, growth and rupture, respectively. However, there are still contradictory studies with regards to the rupture risk examinations of the cerebral aneurysms under hemodynamic factors and these factors are not completely understood. For this purpose, within this study, the rupture status of the patient-specific cerebral aneurysms have been examined with regards to hemodynamic factors by means of CFD. The CFD simulations have been performed by means of an open source CFD software based on C++ which is OpenFOAM (Open-source Field Operation And Manipulation).CFD techniques have been used extensively by researchers and become inspiring methods in terms of analyzing the effects of the hemodynamic factors on the image-based patient-specific cerebral aneurysms. However, the simulation results might be misleading if the grid resolution is not properly fit in with the abnormal and complex aneurysm geometry. In order to overcome this issue, there is a need for estimating the discretization errors in CFD studies. The error analysis studies have been performed extensively in CFD researches for decades, therefore, also within this thesis, grid convergence index (GCI) method based on generalized Richardson Extrapolation has been performed in order to estimate the discretization errors.Due to its non-Newtonian shear-thinning viscoelastic nature and wave-like Womersley velocity profile, mathematical modeling of blood flow is a challenging phenomenon, more particularly in complex and abnormal patient-specific vessels such as cerebral aneurysms. Moreover, the aneurysm sac region is an abnormal area and within this area blood flow tends to exhibit from transient to turbulence nature with the increasing numbers of Reynolds. Therefore, within this study, under the Navier-Stokes equations, the blood has been modeled as unsteady, incompressible, pulsatile flow with its non-Newtonian shear-thinning characteristic by taking the advantage of Carreau-Yasuda viscosity model. Regarding to the turbulence nature within the aneurysm sac, it has been examined turbulence effects by means of dynamic k-equation for large eddy simulations (LES). Regarding to the patient-specific cerebral aneurysm geometries, due to the lack of the vascular wall information in the sense of thickness and elasticity in the Aneurisk dataset repository, the vascular walls have been modeled as rigid with no-slip boundary conditions. All the simulations have been performed with the pisoFoam solver based on PISO (Pressure-Implicit with Splitting of Operators) algorithm under finite volume method (FVM) by using OpenFOAM.The original patient-specific cerebral aneurysm data have been clipped in order to examine the region of interests, added flow extensions in order to have proper inflow and outflow boundaries by using the Vascular Modeling Toolkit (VMTK), an open source software. In order to perform CFD simulations, triangular surface meshes and tetrahedral volume meshes have been generated by using ICEM CFD 19.2 (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA). The simulation results obtained have been visualized in terms of hemodynamic factors such as WSS, oscillatory shear index (OSI), time-averaged WSS (TAWSS), spatial WSS gradient (SWSSG) and time-averaged SWSSG (TASWSSG) by using ParaView, an open source visualization software. This thesis has been written by using LATEX.Within this study, the rupture status of one ruptured which belongs to a female patient aged 26 and one unruptured which belongs to a female patient aged 48, patient-specific cerebral aneurysm data from the Aneurisk dataset repository have been investigated in terms of hemodynamic factors by using CFD in order to observe the similarities and differences of rupture status with non-Newtonian shear-thinning characteristic of blood flow by implementing Carreau-Yasuda viscosity model with the pulsatile nature of blood flow. Moreover, it has been investigated turbulent flow nature of blood with dynamic k-equation for LES turbulence model in order to observe the non-Newtonian characteristic with turbulence effects, particularly in the aneurysm sac region.Within both ruptured and unruptured cerebral aneurysm data, the streamlines exhibit smoothly in the inlet area and tend to exhibit transient behavior within the curvature regions. The streamlines behave chaotic and exhibit turbulent nature when the flow arrives in the aneurysm sac area.The simulation results demonstrated that within the patient specific cerebral aneurysm data, particularly in the aneurysm sac, with the increasing Reynolds numbers especially at the peak systole, the mild turbulence effects have been observed. The WSS vectors exhibit different directions under the turbulence effects with the turbulence blood flow model, and as a consequence, OSI values increase.From the simulations results, considering the WSS values for both non-Newtonian Carreau-Yasuda (CY) and non-Newtonian CY with LES turbulence models, lower WSS has been observed for aneurysm sac region than parent vessel within ruptured cerebral aneurysm R − ICA while higher WSS has been observed for aneurysm sac region than parent vessel within unruptured cerebral aneurysm U − ICA. These results have similarities with other studies in the literature (e.g. Shojima et al.).In opposition to the literature, within this study, OSI values have been observed higher for the unruptured cerebral aneurysm U − ICA than the ruptured cerebral aneurysm R − ICA. In a major of the studies, high OSI values are associated with the ruptured cerebral aneurysms. Moreover, high OSI values are associated with endothelial cell dysfunctions and vascular remodeling of the cerebral arteries. As a consequence, since unruptured cerebral aneurysm U − ICA has high OSI values, it could be interpreted that there might be a high rupture risk within U − ICA geometry. However, in order to examine rupture status within cerebral aneurysms, there is a strong need for further series of analysis by researchers around the world.Moreover, since low WSS and high SWSSG are associated with disturbed flow, it might be interpreted that, ruptured cerebral aneurysm R − ICA has more disturbed flow regions than unruptured cerebral aneurysm U − ICA.