Nya verktyg för att undersöka blodflöden

Bilder av en individs aorta, åtta års forskning och kraften hos LiU:s superdator – den kombinationen ligger bakom nya och mer exakta verktyg för att visualisera blodflödet i abnormala blodkärl. På sikt kan det öka möjligheten att förutsäga hjärt- kärlsjukdomar och förbättra de flödesmätningar som görs i dag.

Magnus Andersson med en animerad bild av blodflödet iaortan. Se ytterligare en visualisering längre ned på sidan. Thor Balkhed

Månaders beräkningar

Magnus Andersson, forskare vid LiU.Magnus Andersson.

Hjärt- kärlsjukdomar som till exempel hjärtinfarkt, stroke och kärlkramp är en av Sveriges största folksjukdomar. Sjukdomarna orsakar stort lidande och är också den vanligaste dödsorsaken både i vårt land och resten av världen.

Även om dessa sjukdomar till stor del är livsstilsberoende – rökning, fet kost och inaktivitet – är de underliggande orsakerna fortfarande till stor del okända. Dock anses störningar i blodflödet spela en viktig roll, inte minst oregelbundna krafter på insidan av kärlväggarna som till exempel kan ge upphov till åderförkalkning. Sådana anatomiska hinder kan också orsaka skador på blodkropparna och på sikt allvarliga sjuka förändringar.

I doktorsavhandlingen Turbulence Descriptors in Arterial Flows: Patient-Specific Computational Hemodynamics undersöker Magnus Andersson nya sätt att beräkna och visualisera turbulenta blodflöden i förträngda blodkärl. Dessa modelleringar bygger på data från en enskild patient som genomgått en så kallad ballongvidgning och har beräknats med datorerna på Nationellt superdatorcentrum, NSC, på LiU.

- Kraften i superdatorn gör det möjligt att skapa mycket noggranna och detaljerade simuleringar. Den kostsammaste beräkningen tog två månader att genomföra, säger Magnus Andersson som arbetat med sin doktorsavhandling sedan 2012.

Utvecklar tekniken

De vanligaste sätten att undersöka blodflöde är med ultraljud eller magnetkamera, så kallad magnetisk resonanstomografi (MRI). Det är teknik som fungerar bra för att fånga större flödesdynamik, medan den har svårt att upptäcka mindre variationer. Det är ett argument för att använda simuleringar av den typ som Magnus Andersson arbetat med.

Som jämförelse har MRI-bilderna som använts i avhandlingen en rumsupplösning som är tio gånger mindre än visualiseringarna. Tidsupplösningen är 1000 gånger lägre än det simulerade flödesfältet. Detta medför att man kan analysera så kallade flödesdeskriptorer som har mycket högre detaljnivå och noggrannhet.

En annan fördel är att simuleringarna kan användas för att förutsäga framtida förändringar i blodkärlen. Exempel: Hur kommer plackbildningen i ett blodkärl att utvecklas över tid? Hur kommer olika ingrepp i en virtuell operation att påverka blodkärlet?

- Magnetkameran ger en bild av läget där och då, men berättar inte något om framtiden, säger Magnus Andersson och tillägger att teknikerna kompletterar varandra.

- Ja, i bästa fall kan de lyfta varandra. Än så länge krävs det enorm datakraft för att göra de här beräkningarna, men i framtiden kan man tänka sig att det byggs in en simulerings-knapp direkt i magnetkamerorna. Och redan nu kan de hjälpa till att öka upplösningen på den mätdata som finns.

Ungefär som vädret

Blodflödesberäkningar kallas på engelska ofta för ”computational fluid dynamics”, CFD, och har utvecklats till en egen forskningsdisciplin. Det grundläggande problemet är detsamma som vid väderprognoser – hur ska olika flöden uppskattas och beräknas. Principiellt är det ingen skillnad om dessa flöden består av blod i kroppen eller stora luftströmmar.

Matematiskt löses problemet genom så kallade numeriska approximationer av differentialekvationer, där beräkningsdomänet delas upp i mindre element och beräknas.

- Sen är förstås elementen väldigt olika stora. Delar av millimetrar i aortan och i storleksordningen kilometer vid väderprognoser, tillägger Magnus Andersson.

Att avhandlingen läggs fram just vid Linköpings universitet är inte en slump. Arbetet har genomförts med hjälp av Centrum för medicinsk bildvetenskap och visualisering, CMIV, och på LiU finns bred kompetens och samarbete inom strömningslära, bildbehandling och medicin. Och superdatorkraft.

- Nu hoppas jag att analysmetoderna också kan prövas under mer kliniska förhållanden. I framtiden kan det förhoppningsvis leda till praktisk nytta, säger Magnus Andersson.

 

Se en av visualiseringarnaVisa/dölj innehåll

Animeringen visar det turbulenta blodflödet genom en missbildad aorta. Resultatet är patientspecifikt och har simulerats fram genom beräkningsströmningsdynamik (CFD-simuleringar) och superdatorkraft, med modeller rekonstruerade från data från magnetisk resonanstomografi (MRI).

KontaktVisa/dölj innehåll

Läs merVisa/dölj innehåll

Relaterat innehållVisa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiUVisa/dölj innehåll