Skip to main content

2020 | OriginalPaper | Buchkapitel

A Hybrid 0D–1D Model for Cerebral Circulation and Cerebral Arteries

verfasst von : Nixon Chau, Harvey Ho

Erschienen in: Computational Biomechanics for Medicine

Verlag: Springer International Publishing

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

In this paper we present a hybrid 0D–1D model for the cerebral circulation and blood flow in large cerebral arteries. The 0D model contains the electrical analog circuit running from the aorta to the circle of Willis (CoW), and the venous network from the superior sagittal sinus (SSS) to the superior vena cava (SVC). To simulate the cerebral autoregulation, the vascular bed between the arterial and venous networks is implemented using an inductor/resistor couple. An artificial pulsatile pressure waveform includes the normal (∼100 mmHg), hypotensive (∼50 mmHg) and hypertensive (∼150 mmHg) phases. A 1D model is used to numerically solve the 1D Navier–Stokes equations coupled with an empirical arterial wall equation. The 1D model is then applied to the internal carotid, middle and anterior cerebral arteries (ICA, MCA and ACA) in the CoW, with the simulation results from the 0D model as boundary conditions. With this hybrid 0D–1D approach, we show that: (a) the cerebral flow may regain a normal flow rate value (∼600 mL/min) within several cardiac cycles; (b) an incomplete CoW can substantially affect the flow distribution in CoW; and (c) the flow rates in the MCA, ACA and PCA alter in response to the cerebral regulation. In conclusion a hybrid 0D–1D model for the cerebral blood flow is proposed, which can potentially be used for the cerebral flow modelling of different age groups or under different vascular diseases.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Wirtschaft"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 340 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Versicherung + Risiko




Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Anhänge
Nur mit Berechtigung zugänglich
Literatur
1.
Zurück zum Zitat Levick JR (2003) An introduction to cardiovascular physiology. Arnold, London. Levick JR (2003) An introduction to cardiovascular physiology. Arnold, London.
2.
Zurück zum Zitat Ursino M, Lodi CA (1997) A simple mathematical model of the interaction between intracranial pressure and cerebral hemodynamics. J Appl Physiol 82:1256–1269CrossRef Ursino M, Lodi CA (1997) A simple mathematical model of the interaction between intracranial pressure and cerebral hemodynamics. J Appl Physiol 82:1256–1269CrossRef
3.
Zurück zum Zitat Olufsen MS, Nadim A, Lipsitz LA (2002) Dynamics of cerebral blood flow regulation explained using a lumped parameter model. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 282:R611–R622CrossRef Olufsen MS, Nadim A, Lipsitz LA (2002) Dynamics of cerebral blood flow regulation explained using a lumped parameter model. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 282:R611–R622CrossRef
4.
Zurück zum Zitat Alastruey J, Parker KH, Peiro J, Sherwin SJ (2007) Modelling the circle of Willis to assess the effects of anatomical variations and occlusions on cerebral flows. J Biomech 40:1794–1805CrossRef Alastruey J, Parker KH, Peiro J, Sherwin SJ (2007) Modelling the circle of Willis to assess the effects of anatomical variations and occlusions on cerebral flows. J Biomech 40:1794–1805CrossRef
5.
Zurück zum Zitat Zagzoule M, Marc-Vergnes JP (1986) A global mathematical model of the cerebral circulation in man. J Biomech 19:1015–1022CrossRef Zagzoule M, Marc-Vergnes JP (1986) A global mathematical model of the cerebral circulation in man. J Biomech 19:1015–1022CrossRef
6.
Zurück zum Zitat Reymond P, Merenda F, Perren F, Rfenacht D, Stergiopulos N (2009) Validation of a one-dimensional model of the systemic arterial tree. Am J Physiol Heart Circ Physiol 297:H208–H222CrossRef Reymond P, Merenda F, Perren F, Rfenacht D, Stergiopulos N (2009) Validation of a one-dimensional model of the systemic arterial tree. Am J Physiol Heart Circ Physiol 297:H208–H222CrossRef
7.
Zurück zum Zitat Ho H, Mithraratne K, Hunter P (2013) Numerical simulation of blood flow in an anatomically-accurate cerebral venous tree. IEEE Trans Med Imaging 32:85–91CrossRef Ho H, Mithraratne K, Hunter P (2013) Numerical simulation of blood flow in an anatomically-accurate cerebral venous tree. IEEE Trans Med Imaging 32:85–91CrossRef
8.
Zurück zum Zitat Alns MS, Isaksen J, Mardal K-A, Romner B, Morgan MK, Ingebrigtsen T (2007) Computation of hemodynamics in the circle of Willis. Stroke 38:2500–2505CrossRef Alns MS, Isaksen J, Mardal K-A, Romner B, Morgan MK, Ingebrigtsen T (2007) Computation of hemodynamics in the circle of Willis. Stroke 38:2500–2505CrossRef
9.
Zurück zum Zitat Gao E, Young WL, Pile-Spellman J, Ornstein E, Ma Q (1998) Mathematical considerations for modeling cerebral blood flow autoregulation to systemic arterial pressure. Am J Physiol Heart Circ Physiol 274:H1023–H1031CrossRef Gao E, Young WL, Pile-Spellman J, Ornstein E, Ma Q (1998) Mathematical considerations for modeling cerebral blood flow autoregulation to systemic arterial pressure. Am J Physiol Heart Circ Physiol 274:H1023–H1031CrossRef
10.
Zurück zum Zitat Aaslid R, Lindegaard KF, Sorteberg W, Nornes H (1989) Cerebral autoregulation dynamics in humans. Stroke 20:4552CrossRef Aaslid R, Lindegaard KF, Sorteberg W, Nornes H (1989) Cerebral autoregulation dynamics in humans. Stroke 20:4552CrossRef
Metadaten
Titel
A Hybrid 0D–1D Model for Cerebral Circulation and Cerebral Arteries
verfasst von
Nixon Chau
Harvey Ho
Copyright-Jahr
2020
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-030-15923-8_8

Neuer Inhalt