유체역학과 레벨셋에 기반한 일차혈전 생성과정의 3차원 계산모델링과 시뮬레이션 3D Computational Modeling and Simulation of Primary Thrombus Formation Based on Fluid Dynamic and Level Sets원문보기
일차혈전생성은 혈전증의 초기과정으로 그 생성 기구에 관해서 임상시험과 실험실시험으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 최근에는 응용수학과 컴퓨터 기술에 기반 한 일차혈전생성 시뮬레이션이 이 분야의 이슈가 되고 있다. 본 논문에서는 일차혈전생성에 관한 3 종류의 시뮬레이션을 제안한다. 모든 시뮬레이션은 네비어 스토크 방정식에 기반 한 매크로스케일 서브 모델과 입자의 이산 운동에 기반 한 마이크로 서브모델로 구성된 멀티스케일 모델을 이용한다. 매크로스케일 서브모델은 혈류의 속도, 점성 등을 모사하고 마이크로 서브모델은 혈소판의 생리학적인 프로세스를 모사한다. 본 연구에서는 그 기능이 3 차로 단계적으로 구체화된다. 일차계산 모델에서는 혈장의 흐름을 고려하지 않고 이차계산 모델에서 비로소 고려된다. 이렇게 함으로써 혈장의 흐름이 혈전의 성장과 분리에 미치는 영향을 파악할 수 있다. 또 이차계산 모델에서는 일차계산 모델과 같이 입자의 누적으로 혈전을 성장시키지 않고 물체 표면의 스피드 함수로 성장시킨다. 삼차계산 모델에서는 혈전의 모양에 초점을 맞춘다. 유체영역, 비유체영역, 경계가 레벨셋으로 표현되는데 이것이 제안하는 모델의 특징이다. 유체 시뮬레이션의 ...
일차혈전생성은 혈전증의 초기과정으로 그 생성 기구에 관해서 임상시험과 실험실시험으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 최근에는 응용수학과 컴퓨터 기술에 기반 한 일차혈전생성 시뮬레이션이 이 분야의 이슈가 되고 있다. 본 논문에서는 일차혈전생성에 관한 3 종류의 시뮬레이션을 제안한다. 모든 시뮬레이션은 네비어 스토크 방정식에 기반 한 매크로스케일 서브 모델과 입자의 이산 운동에 기반 한 마이크로 서브모델로 구성된 멀티스케일 모델을 이용한다. 매크로스케일 서브모델은 혈류의 속도, 점성 등을 모사하고 마이크로 서브모델은 혈소판의 생리학적인 프로세스를 모사한다. 본 연구에서는 그 기능이 3 차로 단계적으로 구체화된다. 일차계산 모델에서는 혈장의 흐름을 고려하지 않고 이차계산 모델에서 비로소 고려된다. 이렇게 함으로써 혈장의 흐름이 혈전의 성장과 분리에 미치는 영향을 파악할 수 있다. 또 이차계산 모델에서는 일차계산 모델과 같이 입자의 누적으로 혈전을 성장시키지 않고 물체 표면의 스피드 함수로 성장시킨다. 삼차계산 모델에서는 혈전의 모양에 초점을 맞춘다. 유체영역, 비유체영역, 경계가 레벨셋으로 표현되는데 이것이 제안하는 모델의 특징이다. 유체 시뮬레이션의 경계조건이 레벨셋으로 정의되며 일차혈전의 성장이 스피드 함수와 레벨 셋 메소드로 모델링된다. 시뮬레이션의 계산적인 효율은 혈류 모사에 사용하는 MAC 격자와 혈장, 일차혈전에 작용하는 힘을 계산하는데 사용하는 서브그리드, 레벨셋 메소드에 적용하는 적응적인 메쉬 분할과 내로우밴드 기법에 의해서 향상된다. 시뮬레이션에 의해서 혈류의 속도가 일차혈전의 성장 속도와 그 크기에 미치는 영상을 수치적으로 분석한다. 또한 성장하는 일차혈전이 혈류에 미치는 영향을 입자의 누적 또는 등고선으로 일차혈전의 모양을 표현하여 관찰한다. 일차혈전 생성 과정을 VTK를 이용하여 3차원으로 렌더링하여 이를 직관적으로 관찰할 수 있다.
일차혈전생성은 혈전증의 초기과정으로 그 생성 기구에 관해서 임상시험과 실험실시험으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 최근에는 응용수학과 컴퓨터 기술에 기반 한 일차혈전생성 시뮬레이션이 이 분야의 이슈가 되고 있다. 본 논문에서는 일차혈전생성에 관한 3 종류의 시뮬레이션을 제안한다. 모든 시뮬레이션은 네비어 스토크 방정식에 기반 한 매크로스케일 서브 모델과 입자의 이산 운동에 기반 한 마이크로 서브모델로 구성된 멀티스케일 모델을 이용한다. 매크로스케일 서브모델은 혈류의 속도, 점성 등을 모사하고 마이크로 서브모델은 혈소판의 생리학적인 프로세스를 모사한다. 본 연구에서는 그 기능이 3 차로 단계적으로 구체화된다. 일차계산 모델에서는 혈장의 흐름을 고려하지 않고 이차계산 모델에서 비로소 고려된다. 이렇게 함으로써 혈장의 흐름이 혈전의 성장과 분리에 미치는 영향을 파악할 수 있다. 또 이차계산 모델에서는 일차계산 모델과 같이 입자의 누적으로 혈전을 성장시키지 않고 물체 표면의 스피드 함수로 성장시킨다. 삼차계산 모델에서는 혈전의 모양에 초점을 맞춘다. 유체영역, 비유체영역, 경계가 레벨셋으로 표현되는데 이것이 제안하는 모델의 특징이다. 유체 시뮬레이션의 경계조건이 레벨셋으로 정의되며 일차혈전의 성장이 스피드 함수와 레벨 셋 메소드로 모델링된다. 시뮬레이션의 계산적인 효율은 혈류 모사에 사용하는 MAC 격자와 혈장, 일차혈전에 작용하는 힘을 계산하는데 사용하는 서브그리드, 레벨셋 메소드에 적용하는 적응적인 메쉬 분할과 내로우밴드 기법에 의해서 향상된다. 시뮬레이션에 의해서 혈류의 속도가 일차혈전의 성장 속도와 그 크기에 미치는 영상을 수치적으로 분석한다. 또한 성장하는 일차혈전이 혈류에 미치는 영향을 입자의 누적 또는 등고선으로 일차혈전의 모양을 표현하여 관찰한다. 일차혈전 생성 과정을 VTK를 이용하여 3차원으로 렌더링하여 이를 직관적으로 관찰할 수 있다.
The primary thrombosis as the base of thrombosis has been well studied in clinical tests and laboratory tests. Recently, the study of primary thrombosis simulation based on applied mathematics and computer technologies has been one of the most popular research areas. In this dissertation, three ...
The primary thrombosis as the base of thrombosis has been well studied in clinical tests and laboratory tests. Recently, the study of primary thrombosis simulation based on applied mathematics and computer technologies has been one of the most popular research areas. In this dissertation, three kinds of 3D simulations of the primary thrombosis formation are proposed. All of the simulations are based on the multiscale model of which the macroscale sub-model use Navier-Stokes equations to simulate the blood flow with macroscopic properties such as velocity and viscosity, and the microscale sub-model is for the simulation of physiological processes of microscopic bodies such as platelets. The simulations of our study are improved step by step. The computational model of the first simulation is rough without plasma. In the second simulation, plasma is added into the computational model, so both the growth and rupture of the primary thrombus are simulated. Instead of modeling the primary thrombus growth by particles accumulation, a speed function of surface expansion is used to model the primary thrombus growth. The third simulation focuses on the shape of the primary thrombus. The application of level sets on representing fluid region, non-fluid region, and their interface is the feature of all simulations. The level sets are well used to define the boundary condition in the fluid simulation, and they are the base of the primary thrombus growth modeled by the speed function and Level Set Method. The computational efficiency of the simulations is improved by the MAC grid used in the blood flow simulation, the refined sub-grid used in the calculation of the forces acting on platelets and the primary thrombus, and Adaptive Mesh Refinement and Narrow Band approach applied to Level Set Method. By the simulations, the influence of blood flow velocity to the rate of primary thrombus growth and the time and size of primary thrombus rupture are numerically analyzed. How the growing primary thrombus effects the blood flow is also observed by the simulations with the shape of the primary thrombus being represented by the accumulated particles and the contour surface. The process of primary thrombus formation rendered in 3D by using VTK provides an intuitive observation of the primary thrombosis.
The primary thrombosis as the base of thrombosis has been well studied in clinical tests and laboratory tests. Recently, the study of primary thrombosis simulation based on applied mathematics and computer technologies has been one of the most popular research areas. In this dissertation, three kinds of 3D simulations of the primary thrombosis formation are proposed. All of the simulations are based on the multiscale model of which the macroscale sub-model use Navier-Stokes equations to simulate the blood flow with macroscopic properties such as velocity and viscosity, and the microscale sub-model is for the simulation of physiological processes of microscopic bodies such as platelets. The simulations of our study are improved step by step. The computational model of the first simulation is rough without plasma. In the second simulation, plasma is added into the computational model, so both the growth and rupture of the primary thrombus are simulated. Instead of modeling the primary thrombus growth by particles accumulation, a speed function of surface expansion is used to model the primary thrombus growth. The third simulation focuses on the shape of the primary thrombus. The application of level sets on representing fluid region, non-fluid region, and their interface is the feature of all simulations. The level sets are well used to define the boundary condition in the fluid simulation, and they are the base of the primary thrombus growth modeled by the speed function and Level Set Method. The computational efficiency of the simulations is improved by the MAC grid used in the blood flow simulation, the refined sub-grid used in the calculation of the forces acting on platelets and the primary thrombus, and Adaptive Mesh Refinement and Narrow Band approach applied to Level Set Method. By the simulations, the influence of blood flow velocity to the rate of primary thrombus growth and the time and size of primary thrombus rupture are numerically analyzed. How the growing primary thrombus effects the blood flow is also observed by the simulations with the shape of the primary thrombus being represented by the accumulated particles and the contour surface. The process of primary thrombus formation rendered in 3D by using VTK provides an intuitive observation of the primary thrombosis.
주제어
#Primary thrombus formation Fluid simulation Level sets Level Set Method Speed function
학위논문 정보
저자
마조청
학위수여기관
전북대학교 일반대학원
학위구분
국내박사
학과
전자.정보공학부(컴퓨터공학)
지도교수
권오봉
발행연도
2016
총페이지
xiii, 122 p.
키워드
Primary thrombus formation Fluid simulation Level sets Level Set Method Speed function
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