print logo

Simuleringer kan forutsi hjerneblødninger

Nye simuleringer kan forutsi når det er nødvendig å behandle blodåreutposninger i hjernen. Snart kan de dødelige utposningene oppdages ved å lytte på øyet.

PERSONLIG SIMULERING: Forskerne har simulert blodstrømmen i utposningen til en spesifikk pasient. Operasjon er i dette tilfellet ikke nødvendig, fordi blodet pumpes langs veggen. Det hadde derimot vært nødvendig med en operasjon om blodet hadde blitt pumpet vinkelrett inn i utposningen.

Hvert år får 500 nordmenn akutt hjerneblødning fordi utposninger i en av hjernens pulsårer sprekker. Dødeligheten er høy. Halvparten av de overlevende får varige hjerneskader.

En av atten får slike utposninger i hjernen i løpet av livet. De fleste utposninger oppdages ved en tilfeldighet når pasienten får skannet hjernen av en eller annen grunn. Bare et fåtall av utposningene sprekker. De fleste blir ikke behandlet.

Nå har forskere på Institutt for informatikk ved Universitetet i Oslo og Senter for biomedisinske beregninger på Simula-senteret, som er et senter for fremragende forskning, brukt avanserte simuleringer til å finne ut av hvilke typer utposninger som bør opereres.

– Denne forskningen kan ha stor praktisk betydning, ved å øke kunnskapen om og hjelpe oss med å bedømme risikoen for at en utposning skal sigsprekke, forteller professor Per Kristian Eide på Nevrokirugisk avdeling ved Oslo universitetssykehus Rikshospitalet.

En utposning kan sammenlignes med en oppblåst ballong. De fleste utposningene dukker opp der blodårene deler seg opp i nærheten av Willis’ arterielle sirkel. Sirkelen er hjernens ovale ringmotorvei, som sikrer at hele hjernen får nok blod, tross hindringer som blodpropp og innsnevringer. Den er så sinnrikt innrettet at blodstrømmen endrer seg selv under sterk tankevirksomhet. Den endrer seg faktisk ti prosent om du leser en bok i åtte sekunder.

SIMULERINGSMODELL: Kristian Valen- Sendstad (t.v.) og Kent-Andre Mardal har utviklet en simuleringsmodell som beregner hvordan turbulens i blodstrømmen skaper utposninger i hjernen. Modellen kan brukes til å si hvilke utposninger som bør opereres bort eller ei. De fleste utposninger dukker opp i nærheten av blodåreringen i hjernen, den røde ringen som Mardal viser frem. Foto: Yngve Vogt

Risikofylt operasjon.

Legene må bruke skjønn og vurdere risikoen for hvilke utposninger som sprekker. Et operativt inngrep i hjernen er risikabelt. Faren er til stede for at det kan gå galt.

En utposning kan fjernes på to måter. Den ene er et kirurgisk inngrep i hjernen. Kirurgen åpner kraniet og fester en klips på utposningen. Mange pasienter er for dårlige til å tåle operasjonen. Det kan gå galt om utposningen sprekker under inngrepet.

Den andre metoden er å fylle ut utposningen innvendig ved å føre en tynn metallstreng med fyllmasse gjennom hovedpulsåren til
utposningen.

– Ettersom alle operasjoner i kraniet er forbundet med risiko, er det svært relevant å vite sannsynligheten for hvilke utposninger som sprekker. Vi bruker simuleringer til å finne ut av hvor nødvendig det er med operasjon, forteller førsteamanuensis Kent-Andre Mardal på Institutt for informatikk ved Universitetet i Oslo.

Fant turbulens i blodet.

Sammen med nydisputerte Kristian Valen-Sendstad , gjesteforsker Mikael Mortensen fra Forsvarets forskningsinstitutt
og professor Hans Petter Langtangen har Mardal brukt matematiske simuleringer til å studere blodgjennomstrømningen og trykket i utposninger og i hovedarterien i hjernen.

Spørsmålet har hele tiden vært om det er turbulens i blodårene, altså et kaos med hurtig varierende strømninger som stadig endrer seg uten noe som helst system.

– Alle har sagt nei. Det har vært opplest og vedtatt, selv om det har vært enkelte indikasjoner på at det kan oppstå turbulens i blodårene.

De fire forskerne har nå påvist at blodstrømmen både kan være komplisert og turbulent hos enkelte pasienter.

– Beregningene våre viser at cellene inne i blodårene og utposningene kan utsettes for langt større krefter enn tidligere antatt. Hvis blodet pumpes vinkelrett inn i utposningen, ødelegges oppbyggingen i blodåreveggen slik at den blir tynnere og sprøere. Til slutt sprekker den. Hvis blodet pumpes opp langs veggen, blir trykket mindre. Da er det ikke nødvendig med noen operasjon, forteller Valen-Sendstad.

Turbulens endrer blodårene.

Turbulensen påvirker formen til blodårene. Alle blodårer er delt opp i tre lag. Det innerste laget er de eneste cellene i blodåren som er i direkte kontakt med blodet. Det midterste laget utgjør styrken i blodåren. Det ytterste laget er elastisk. Cellene i det innerste laget sender signaler til de to andre lagene om hvordan de skal reagere.

Når strømmen er stabil, legger de innerste cellene seg i samme retning som strømmen. Da er alt vel.

– Når strømmen er komplisert, legger de innerste cellene seg i et kaotisk mønster. Da blir cellene strukket i hver sin retning og gir motstridende signaler til cellene i den sterke delen av blodåreveggen om hvordan de skal takle trykket. Da vokser de feil. Det er starten på en utposning.

Eller for å si det på en annen måte: Cellene har tilpasset seg en puls på 50 til 200 slag i minuttet. Når strømmen blir kaotisk, tilsvarer det en hundre ganger så høy puls. Da er det ikke så rart at cellene går amok og oppfører seg feil.

Forskerne simulerte kreftene langs de innerste cellene i blodåreveggen.

– Vi så små forstyrrelser i strømmen ved utposninger. Det var turbulens. Turbulensen kommer når trykket i blodstrømmen dempes etter et hjerteslag. En hypotese er at strømmen er forstyrret allerede før utposningen kommer og at hurtige svingninger i strømningsmønsteret gjør vondt verre.

Nye matematiske metoder.

Senter for biomedisinske beregninger har utviklet nye metoder for å kunne simulere samspillet mellom strømning, blodårevegger og blodceller. Da kan de beregne både kraft og hastighet på et hvilket som helst punkt i blodgjennomstrømningen, uten å måtte sette inn måleinstrumenter. De kan også bruke simuleringene til å studere hvordan turbulens oppstår og forsvinner.

For å gjennomføre simuleringene ble Willis’ arterielle sirkel delt opp i 5,5 millioner bittesmå virtuelle pyramider. Forskerne simulerte 14 hjerteslag og undersøkte endringene i ethvert punkt i blodbanen hvert førtitusendels sekund. Da er det kanskje ikke så rart at de brukte 5500 datamaskintimer for å komme i mål.

Enklere undersøkelse.

Med simuleringer er det også lettere å sammenligne tilstanden til syke og friske pasienter.

– Selv om det ikke er mulig å behandle utposninger med simuleringer, kan lærdom fra simuleringene våre bedre pasientbehandlingen og hindre at folk blir feiloperert.

Kent-Andre Mardal er den ene av de sytten testpersonene i forsøket. Forskerne lagde en matematisk modell av blodomløpet i hjernen hans ved å ta en MR-skanning av hodet og ved å måle hvordan hastigheten endret seg i de to blodårene ved å trykke inn halspulsåren.

– Det er så mange individuelle og komplekse faktorer med utposninger i hjernen at det er nødvendig å undersøke mange pasienter.

Lytter til øyet.

I 1970 testet den kanadiske forskeren Gary C. Ferguson turbulensen i en glassmodell av Willis’ arterielle sirkel. Han oppdaget turbulens i en lavere blodstrøm enn det teorien skulle tilsi.

Han målte dessuten lyden når han satte klipsen på plass i blodåren. Det var hurtige forstyrrelser i lyden rett etter den høyeste hastigheten på blodgjennomstrømningen i løpet av et enkelt hjerteslag.

Da den japanske forskeren Yasushi Kurokawa i 1994 undersøkte utposninger ved å plassere en mikrofon på øyet, oppdaget han at lydfrekvensen via øyet var høyere på en bestemt frekvens hos pasienter med utposninger. Oppdagelsen fikk ingen stor oppmerksomhet.

De fire norske forskerne har i simuleringene sine oppdaget det samme som Kurokawa. De har funnet små vibrasjoner i frekvensen rett etter at blodhastigheten var på det høyeste.

– Lyden skyldtes turbulens.

Ingen kunne forklare oppdagelsen fordi alle trodde at strømningen i utposninger var laminær, det vil si rolig og
forutsigbar.

– Vi delte opp simuleringsområdet i mindre og mindre pyramider og fanget inn mer og mer informasjon. Når pyramidene var store, så vi ingen virvler. Men når vi delte opp i små nok pyramider, så vi at veggen i utposningen stod og dirret. I løpet av et tredjedels hjerteslag så vi faktisk ti trykkendringer i utposningen. Dette er helt i pakt med forsøkene til Ferguson og Kurokawa, og helt i tråd med turbulensteorien.

Resultatene åpner muligheten til å lytte på øyet for å kunne høre hvilke utposninger som kan sprekke. Forskerne har allerede funnet lydsignalet i 60 prosent av testpersonene.

– Vi må sjekke mange flere før vi kan si noe mer, så det er likevel et stykke til klinisk bruk, forteller Valen-Sendstad.

FAKTA

500 nordmenn får akutt hjerneblødning hvert år fordi en blodåreutposning i hjernen sprekker. Dødeligheten er høy.

En av atten får slike utposninger i løpet av livet. Bare et fåtall av utposningene sprekker.

Turbulens i blodstrømmen forårsaker utposninger.

Hvis blodet pumpes vinkelrett inn i utposningen, kan utposningen sprekke.

Hvis blodet pumpes opp langs veggen i utposningen, er det ikke nødvendig med noen operasjon.

Simuleringer viser hvilke utposninger som kan sprekke.

Av Yngve Vogt
Publisert 5. nov. 2011 00:00