مدل‌سازي محاسباتي جريان سيال و فشار درون چشمي بعد از عمل آب‌سياه

Computational Modeling of Fluid Flow and Intraocular Pressure following Glaucoma Surgery

هدف: تدوين يك مدل محاسباتي از توليد و جريان سيال و وضعيت فشار داخل چشمي به دنبال جراحي آب‌سياه. روش پژوهش: براي كمك به توضيح فعل و انفعالات عوامل فيزيكي كنترل‌كننده توزيع و جذب ترشحات آبكي در بافت ملتحمه و تغيير شكل بافت، يك مدل رايانه‌اي از توليد سيال درون چشم و خروج سيال از طريق مسيرهاي ترابكولر يا يوويواسكلرال و مسير به دست آمده از عمل، تدوين شد. اين مسير (عمل جراحي) سپس به مدل رايانه‌اي محيط متخلخل (porous media) سيال بلب كه درون بافت ملتحمه قرار گرفته، مرتبط شد. آناليز عددي بر هندسه بلب متمركز شده است كه به طور معمول درون چشم انسان بعد از جراحي آب‌‌سياه عمل مي‌كند. مطالعه پارامتري بر روي تغييرات در جذب سيال به وسيله رگ‌هاي خوني ملتحمه، تغييرات در هدايت هيدروليكي به دليل زخم و تغييرات در شكل و اندازه بلب و سهولت جريان خروجي چشم انجام شده است. يافته‌ها: مي‌توان نشان داد كه نتايج مدل در بسياري از مسيرهاي كليدي با مشاهدات پزشكي مطابقت دارد؛ به ويژه، ارتباط تغييرات فشار درون چشمي (IOP) با اندازه و شكل بلب و ارتباط بين مكان‌هاي پيش‌بيني‌شده براي حداكثر فشار سيال در ميان درزهاو خصوصيات كليدي مشاهده‌شده در بلب‌ها حاكي از صحت مدل ارايه شده در اين پژوهش مي‌باشد. بافت اسكار توانايي بلب را براي كنترل IOP كاهش مي‌دهد. هم چنين افزايش ضريب هيدروليكي، IOP را كاهش مي‌دهد. با تغيير ارتفاع و عرض بلب عمل‌كننده، IOP و فشار بافت، با توجه به اندازه بلب مقايسه شده است. يك اندازه و شكل بهينه براي بلب وجود دارد كه مانع از تشكيل بيش از اندازه اسكار مي‌گردد اما IOP را در محدوده قابل قبولي نگه مي‌دارد. نتيجه‌گيري: بلب با ديواره‌هاي كوچك و ضخيم در انتقال سيال به درون خود و جذب سيال به وسيله بافت‌ها كارآمد نيست. اين نتايج پيشنهاد مي‌كنند كه بلب‌هاي كوچك، بافت‌ها را در معرض فشارهاي بالا قرار مي‌دهند، به ويژه مستقيماً در بالاي بلب كه بافت‌هاي كم‌خون را در معرض تغيير حالت قرار مي‌دهند و كاهش هدايت هيدروليكي و بالا رفتن IOP را القا مي‌كنند. از طرف ديگر، بلب‌هاي بزرگ، اين مرحله تغيير حالت را كم‌تر متحمل مي‌شوند اما ممكن است به چشم‌هاي هايپوتونيك منجر شوند . اين مدل، سهمي در اداي توضيحات تكميلي راجع به فرآيند هاي فيزيكي لازم براي داشتن خصوصيات بلب موفق ايفا مي‌نمايد و مبناي جديدي براي درجه‌بندي پزشكي بلب‌ها ارايه مي‌دهد.

Purpose: To develop a computational model for predicting the fluid production and flow, and intraocular pressure (IOP) following glaucoma surgery. Methods: To help elucidate the interplay of physical factors controlling the distribution and absorption of aqueous humor in sub-conjunctival tissue, and tissue remodeling, a computational model is developed to predict the fluid production in the eye and removal via the trabecular/uveoscleral pathways, and the surgical pathway. This surgical pathway is then linked to a porous medium computational model of a fluid bleb positioned within the sub-conjunctival tissue. The computational analysis is centered on typical functioning bleb geometry found in a human eye following glaucoma surgery. A parametric study is conducted to study the changes in fluid absorption by the sub-conjunctival blood vessels, changes in hydraulic conductivity due to scarring, and changes in bleb size and shape, and the eye outflow facility. Results: The model was found to be compatible with clinical observations in a number of key ways, specifically the variation of IOP, bleb size and shape and correlation between sites of predicted maximum interstitial fluid pressure and key features observed in blebs. Scar tissue reduces the ability of a bleb to control IOP. An increase in hydraulic conductivity lowers IOP. By changing the height and width of the functioning bleb, IOP and tissue pressure could be compared in the context of bleb size. There is an optimum bleb size and shape, which would avoid excessive scar formation but keep IOP in an acceptable range Conclusion: the small, thick wall blebs are likely to be ineffective at allowing fluid to move into and be absorbed by tissue. These results suggest that small blebs expose tissue to high pressures, particularly directly above the bleb, inducing an ischemic tissue remodeling response, a reduction of hydraulic conductivity and an elevation of IOP. On the other hand, large blebs are less likely to undergo this remodeling process but may lead to hypotonic eyes. This model should contribute to a more complete explanation of the physical processes behind successful bleb characteristics and provide a new basis for clinically grading blebs.