Patient specific lumped parameter modeling of penile erection mechanism relying on reduced penile doppler ultrasound data

Abstract

Erektil disfonksiyon (ED), erkek nüfusunun %10-20'sini etkileyen bir hastalıktır. Kalbin sistol ve diyastol hareketi sırasında kanın kavernozal arterlerden ortalama geçiş hızını ölçen renkli penil Doppler ultrason (PDUS) testi, günmüzde erektil disfonksiyonun en objektif değerlendirilme metodudur. Fakat bu klinik uygulama bir miktar da olsa invazivdir ve ereksiyonun en kesin ve direkt ölçüm parametresi olan intrakavernöz basıncı ölçemediğinden bazı uygulamalarda teşhis açısından yetersiz kalmaktadır. Öte yandan, son derece girişimsel bir test olan kavernozometri, intrakavernöz basıncın (IKB) yegane ölçüm metodudur. Bu yüzden IKB ve penil hacim değerlerini girişimsel olmayan bir şekilde hesaplayan bir erektil fonksiyon oluşturmak adına, penil ereksiyon mekanizması toplu parametre yöntemi ile modellenerek bi-ventrikül dolaşım sistemine entegre edilmiştir. Oluşturulan model, papaverine (suni ereksiyon yaratılmasını sağlayan vazodilatör bir ilaç) enjeksiyonu öncesi ve sonrası evreleri için 4 farklı hastadan alınan Doppler ve IKB verileri ile doğrulanmıştır. Bu model kapsamında kullanılan değişkenlerin, modelin hem penil ereksiyon hem de bi-ventrikül dolaşım parametrelerine olan etkileri için bir hassasiyet analizi yapılmıştır. Test yapılan hastalarda IKB 3 mmHg hata değeri ile girişimsel olmayan bir şekilde model tarafından tahmin edilmiştir. Buna ek olarak, ereksiyon esnasındaki penil hacim değişimi de klinik ölçümlere göre yaklaşık olarak %15 hata ile simüle edilmiştir. Sonuç olarak, bu tez kapsamında önerilen matematiksel model ED değerlendirilmesinde kullanılan güncel klinik parametreleri önemli ölçüde genişletmesi açısından, gelecekte bu hastalığın daha kesin ve girişimsel olmayan yollarla değerlendirilmesinde kullanılacak potansiyel bir araçtır.

Erectile dysfunction (ED) is a common clinical condition that affects 10-20% of the male population. Penile color Doppler ultrasound (PDUS) is considered as the most objective erection evaluation method, which solely relies on the average blood flow passing through the cavernosal arteries during systole and diastole of the heart. However, this method is somewhat invasive and its diagnostic accuracy is inadequate due to the lack of intracavernosal pressure (ICP) measurement, which is the most precise and direct evaluation parameter of erectile function. On the other hand, highly invasive cavernosometry test is the only measurement method for the ICP. Therefore, a pulsatile lumped parameter model of penile circulation system is developed and coupled to the patient-specific bi-ventricular circulation system to predict the erectile function including the penile pressures and volumes of the system quantitatively and noninvasively. The proposed model is validated by the pre-and post-papaverine injection PDUS and ICP data of 4 ED complaint patients. The numerical model provides detailed hemodynamic information through the employed sensitivity study for both penile erection and bi-ventricular circulation parameters. Moreover, for the diseased patients studied the model predicts the ICP noninvasively with an average error value of 3 mmHg for both pre-and post-injection phases. In addition, penile size change during the phases of erection is simulated with approximately 15% error, according to the clinical penile size measurements. As a result, the developed mathematical model has a potential to be used as an effective non-invasive tool in patient-specific erectile function evaluation, expanding the existing clinical decision parameters significantly.