Computational blood clotting modelling with coupled lattice boltzmann and discrete element methods

Abstract

Önemli ve karmaşık olan fizyolojik sistemlerden biride pıhtılaşma mekanizmasıdır. Hayatımızı sürdürebilmemiz için kan damarlarımızda serbestçe akmalıdır. Peki ya damarımızdan biri zedelenirse, kanın damarlarımız dışına akmasının engellenmesi için bir mekanizma tarafından kontrol altına alınması gerekmektedir. Kanın akışını durdurmak için kan ani ve yerel olarak oluşan bir sistem meydana getirmelidir. Bu sisteme pıhtılaşma mekanizması denilmektedir.Pıhtılaşma mekanizması trombosit birikmesi ve koagülasyon olarak bilinen iki etkileşimli sürece ihtiyaç duymaktadır. Zarar görmüş bir damar içerisindeki kanın zedelenen endotelyumdaki kimyasallarla temas etmesiyle trombositlerin birikmesi süreci tetiklenmektedir. Kanama meydana geldiğinde, bazı kimyasal tepkimeler trombositlerin yüzeylerinin yapışkan özelliği kazanmasına sebep olmaktadırlar. Yapışkan olan trombositlere aktive olmuşta denilebilir. Aktive olmuş trombositler kanamanın meydana geldiği alanın çevresinde birikmeye başlarlar ve kısa bir süre içerisinde beyaz pıhtı denilen yapıyı oluştururlar. Ayrıca koagülasyon sürecinin başlaması için zarar gören damar bir takım enzimatik tepkimeleri tetikler. Aktive olan koagülasyon proteinleri fibrin denilen son ürünü elde edebilmek amacıyla kademeli bir kimyasal tepkimeler zincirine girerler. Fibrinler uzun yapışkan şeritler olarak düşünülebilirler. Fibrin şeritleri zarar gören endotel dokuya yapışırlar ve ağ şeklinde karmaşık bir yapı oluştururlar. Alyuvarlar bu karmaşık ağ yapısına takılırlar ve böylece kırmızı pıhtı oluşur. Fibrin şeritleri kan hücrelerinin birbirlerine sıkıca bağlanmasını sağlarlar ve daha stabil bir pıhtı için onları iyice sıkıştırırlar. Olgunlaşan bir pıhtı, içerisinde trombosit, alyuvar ve fibrin şeritlerini barındırır.Bu çalışmada, kanın pıhtılaşmasının sayısal olarak modellenmesi için birleştirilmiş Lattice Boltzmann (LBM) ve Discrete Element (DEM) yöntemlerinin kullanılması düşünülmüştür. Kan plazmasının akışı için LBM ve hücrelerin birikimiyle trombüs oluşumu için DEM yöntemleri uygun görülmüştür.

One of the most important and complex physiologic system is the clotting mechanism. Blood must flow freely through the blood vessels so as to sustain life. But if a blood vessel is traumatized, the blood flow must be controlled by a mechanism to prevent flow outside from the blood vessels. Thus, to stop the flow of blood, the blood must provide a system that can be activated instantaneously and contained locally. This system is called the clotting mechanism.The clotting mechanism requires two interacting processes known as blood platelet aggregation and coagulation. The aggregation of blood platelets is normally induced by the connection of chemicals with the blood plasma from the damaged endothelium in a traumatized blood vessel. When bleeding occurs, some of the chemical reactions change the surface of the platelets to make them sticky. Sticky platelets are said to have become activated. These activated platelets begin to aggregate at the wall of the blood vessel around the site of bleeding, and in a shorter time they form a white clot around there. The traumatized blood vessel also triggers a series of enzymatic reactions, leading to the process of blood coagulation. The activated coagulation proteins engage in a cascade of chemical reactions that finally produce a substance called fibrin. Fibrin can be thinkable as a long, sticky string. Fibrin strands stick to the exposed endothelium, clumping together and forming a web like complex of strands. Red blood cells become caught up in the web, and a red clot forms. The strands of fibrin bind the blood cells together, and tightened the clot to make it stable. A mature blood clot consists of platelets, red blood cells and fibrin strands.At the present study, we considered a coupled Lattice Boltzmann Method (LBM) and Discrete Element Method (DEM) for the numerical modelling of the blood clot formation. We considered LBM for blood plasma flow simulation and DEM for thrombi formation due to cell aggregation/coagulation modelling.