Modelo de simulação de fluxo mais inteligente para analisar o fluxo sanguíneo em aneurismas cerebrais melhora a eficiência e a precisão

Para simular o fluxo sanguíneo dentro dos aneurismas cerebrais, pesquisadores do Japão desenvolveram um método computacional que combina ressonância magnética de fluxo 4D, dinâmica de fluidos computacional e assimilação de dados, que fornece maior precisão e eficiência. Ao se concentrar apenas na região do aneurisma, essa abordagem reduz significativamente o custo computacional, melhorando a estimativa de fluxo. Quando validados nos dados do paciente, ele supera os modelos convencionais-oferecendo uma ferramenta prática para avaliação de riscos e estratégias de tratamento de riscos específicos do paciente.

O trabalho é publicado na revista Métodos e programas de computador em biomedicina.

Os aneurismas cerebrais, também conhecidos como aneurismas cerebrais, são dilatações patológicas das paredes dos vasos sanguíneos que formam protuberâncias nos vasos sanguíneos do cérebro. Essas protuberâncias se formam devido ao enfraquecimento dos vasos sanguíneos e podem surgir de diferentes condições, como pressão alta, genética, estilo de vida doentia ou condições cardíacas subjacentes. A ruptura dos aneurismas cerebrais é um evento sério que pode levar a derrame ou até mesmo morte. Portanto, para avaliar o risco de ruptura, é importante entender como o sangue flui dentro de um aneurisma cerebral.

Muitos métodos de simulação de fluxo sanguíneo existem até o momento, incluindo aqueles que usam ressonância magnética de contraste de fase (RM), também conhecida como ressonância magnética de fluxo quadridimensional (4D) e dinâmica de fluido computacional (CFD)-uma simulação computacional do fluxo de fluidos. Mas esses métodos geralmente requerem maior resolução espaço-temporal ou carecem de dados específicos do paciente.

Outra abordagem é otimizar os métodos com assimilação de dados variacionais (DA) – uma técnica que combina dados observacionais com um modelo numérico. No entanto, os modelos desenvolvidos com essa técnica geralmente exigem altos custos computacionais decorrentes da análise de todos os vasos principais, além dos aneurismas, limitando seu uso prático em ambientes clínicos.

Nesse contexto, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Satoshi II do Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia, Instituto de Science Tóquio (Science Tóquio), Japão, desenvolveu uma estratégia prática e eficiente para estimar o fluxo sanguíneo dentro dos aneurismas cerebrais usando uma combinação mais inteligente de RM e CFD de fluxo 4D com DA.

Ao contrário dos modelos anteriores que requerem dados completos de embarcações, essa nova abordagem se concentra apenas na região do aneurisma, reduzindo significativamente os custos computacionais. Além disso, ele usa dados limitados de ressonância magnética para analisar especificamente as velocidades de fluxo próximas ao pescoço do aneurisma, o que é necessário para a entrada no CFD, e usa o método DA variacional para estimar o perfil de velocidade total dentro do aneurisma.

“Nosso método evita modelar todo o sistema vascular”, explica II. “Mesmo com dados mínimos, poderíamos obter simulações que correspondam aos padrões de fluxo sanguíneo específicos do paciente com uma precisão notável”.

Os pesquisadores validaram seu método usando dados sintéticos e conjuntos de dados reais de pacientes. Quando testado com dados simulados, a incompatibilidade de velocidade entre o modelo desenvolvida e a verdade do solo foi de apenas 4%a 7%. Enquanto em testes com dados de ressonância magnética de três pacientes, o método reduziu seus erros de velocidade em 37% a 44% em comparação com os modelos tradicionais de ressonância magnética e CFD de fluxo 4D e, portanto, era mais eficiente. Com efeito, capturou padrões de fluxo mais realistas usando dados limitados e potência de computação mínima.

A principal inovação do método foi o uso da redução de pedidos de modelo baseada em Fourier, uma técnica de otimização matemática que simplificou como o fluxo de sangue variável no tempo foi representado. Isso reduziu significativamente a complexidade computacional e evitou erros na dinâmica de fluidos. Além disso, o novo modelo não apenas simulou o fluxo com melhor precisão, mas também ofereceu informações mais claras sobre fatores hemodinâmicos críticos, como tensão de cisalhamento da parede e pressão do fluxo.

Ao aproveitar a assimilação de dados para se concentrar na zona de aneurisma, o método ignora os desafios de extrair condições de contorno limpo a partir de ressonância magnética barulhenta dos ramos completos dos vasos, tornando o método mais eficiente e robusto para aplicações clínicas.

“Essa abordagem pode se tornar uma ferramenta valiosa para neurocirurgiões e radiologistas”, conclui II, “a avaliação quantitativa do fluxo sanguíneo específico do paciente usando esse método pode ajudar as previsões futuras do crescimento e ruptura do aneurisma, apoiando decisões médicas precoces e melhor gestão”.