Cerebral Hemodynamics in Normal Neonates During Tilt: Computer Modelling and Experiments

Abstract

Nyfødte barn er sårbare for å få forstyrret blodstrømmen i hjernen. I verste fall kan forstyrrelsen føre til hjerneskader og ende med død eller livsvarige funksjonsnedsettelser. Et ultralyd-system kalt NeoDoppler har nylig blitt utviklet for å overvåke den cerebrale blodstrømmen kontinuerlig over tid. Samtidig er det slik at mye ved normale nyfødtes hemodynamikk er lite forstått.

I dette prosjektet ble det utviklet en konsentrert (eng. lumped) modell i MATLAB for å simulere den cerebrale blodstrømmen hos nyfødte ved 90° vipping med hodet oppover. Det ble implementert reguleringsmekanismer for hjertefrekvens og perifer og cerebral karmotstand. Ulike kombinasjoner av de tre reguleringsmekanismene ble brukt for å undersøke hvilken effekt de hadde alene og sammen med hverandre. NeoDoppler-opptak av to nyfødte som gjennomgikk en eksperimentell vippe-test ble brukt for å tilpasse og validere modellen.

Modellen var i stand til å gjenskape mange av trekkene som ble observert i den eksperimentelle vippe-testen. De ulike kombinasjonene av reguleringsmekanismer gav resultater som gjenspeilte noe av variasjonen i vippe-responsen funnet i tidligere studier. Overensstemmelsen med dataene fra de to nyfødte var best med alle reguleringsmekanismene aktivert. Det ser ut til at modellen kan være et lovende utgangspunkt for senere studier, men den bør utvikles videre og valideres med ytterligere eksperimentelle data.

Newborns are vulnerable to altered cerebral blood flow that in worst case terminates in brain injury and death or life-lasting disabilities. An ultrasound system named NeoDoppler has recently been invented to offer continuous surveillance of the cerebral blood flow in neonates. However, the hemodynamics of normal neonates is not yet fully understood.

In this project, a lumped multi-compartment model was developed in MATLAB to simulate cerebral blood flow in neonates during a 90° head-up tilt. Regulation of heart rate, peripheral resistance and cerebral resistance was implemented. Different combinations of the three regulatory mechanisms were simulated to assess their individual and combined effects. NeoDoppler recordings from two newborns participating in tilt experiments were used to adjust and validate the model.

The model was able to reproduce several of the features observed in the experimental recordings. The different combinations of active regulatory mechanisms yielded a variety of responses, in line with the diversity of responses reported in earlier studies. Simulations using all three regulatory mechanisms provided the best fit to the two NeoDoppler recordings. It seems that the model may be a promising point of departure for later studies, but further development and validation against experimental data are required.