A mathematical model for cerebrovascular dynamics

Abstract

İnsan beyni, günlük hayat içinde çevresel uyaranlar karşısında birçok fizyolojik değişime uğramaktadır. İnsan beyni, günlük hayat içinde çevresel uyaranlar karşısında birçok fizyolojik değişime uğramaktadır. Özellikle beyin damarlarındaki bu değişimler, yakın kızıl altı ışık aralığında ışıma yapan optik görüntüleme metoduyla incelenebilir. Bu çalışmanın amacı, spesifik bir deney protokolü ile işlevsel yakın kızılaltı spektroskopisi (fNIRS) ile, oksijenlenme ve kan hacmini gözlemleyerek, oluşturulan üç elemanlı Windkessel modeline göre beynin venöz komplians ve direnç değerlerini tahmin etmektir. 10 sağlıklı deneğin prefrontal korteksinden ölçümler alınmıştır. Deneklerden, oturur pozisyondayken, kafalarını diz hizasına kadar eğdikten sonra 30 saniye boyunca aynı pozisyonda kalmaları istenmiştir. Bu hareketin sonlanmasıyla birlikte, oksijenlenme ve kan hacmi miktarlarındaki değişim izlenmiştir. fNIRS sinyalleri, beynin sol ve sağ yarımküresini temsil etmek üzere 6'şarlı gruplar halinde analiz edilmiş ve her iki yarımkürede, kan hacminin erkek ve kadınlar açısından maksimum ve minimum noktaları arasında anlamlı bir fark bulunamamıştır (sol yarımküre: Vmin p=0.12, Vmax p=0.22; sağ yarımküre: Vmin p=0.073, Vmax p=0.074). Kadın-erkek farkı gözetmeden sağ ve sol yarımküreler karşılaştırıldığında da Vmin ve Vmax değerli arasında anlamlı bir fark yoktur (sırasıyla p=0.22, p=0.069). Kompliyans değerleri için sağ ve sol yarımkürelerde anlamlı bir fark bulunanamıştır (p=0.38). Direnç değerleri için ise, sol ve sağ yarımkürede anlamlı bir fark gözlemlenmiştir.(p=0.04). Bu anlamlılık değerlerine göre, genç deneklerden oluşan yaş grubunda direnç değerleri dışında beyin hemodinamikleri ve parametreleri göz önüne alındığı zaman, büyük değişimler beklenmemektedir. Bu modelin aynı zamanda yaşlı ve hasta bir grup üzerinde beyin hemodinamiklerini gözlemlemek üzere de kullanılabileceği düşünülmüştür.

Human brain goes through a number of physiological changes in daily life. Some of these changes can be observed with optical imaging methods at near infrared light range. The aim of this study is, by using functional near infrared spectroscopy (fNIRS), with a specific experimental protocol, estimating the venous compliance and resistance values of the brain by constructing a three-element Windkessel model and observing oxygenation and blood volume with respect to time. For this purpose, 10 healthy volunteers participated and measurements were taken from their prefrontal cortex during the experiment. When the subjects are in supine position, they were asked to move their heads down to their knees and they stayed in this position for 30 seconds. fNIRS signals were analysed to represent right and left hemisphere. Therefore, in each hemisphere, maximum and minimum points of blood volume showed no significant difference for men and women. (left hemisphere: for Vmin; p=0.12, for Vmax; p=0.22; right hemisphere: for Vmin; p=0.073, for Vmax; p=0.074). Without taking sex difference into account, Vmin and Vmax values of right and left hemisphere are not significantly different (respectively p=0.22, p=0.069). For compliance values, there is not a meaningful difference between left and right hemisphere. (p= 0.38). For resistance values between right and left hemisphere, we found a significant difference (p=0.04).Therefore, this study implies that there is not a meaningful difference in a young subject group with respect to brain hemodynamics and parameters but only the resistance values. This model may be also used in an elderly or diseased group to observe brain hemodynamics.