Integrasi Model Windkessel 0D dengan Efek Porositas Jaringan Otak untuk Simulasi Dinamika Cairan Serebrospinal (CSF)

Abstract

MUHAMMAD NICO AFRIZA. Integrasi Model Windkessel 0D dengan Efek Porositas Jaringan Otak untuk Simulasi Dinamika Cairan Serebrospinal (CSF). Dibimbing oleh AGUS KARTONO dan SETYANTO TRI WAHYUDI.

Cairan serebrospinal (CSF) memiliki peran vital dalam melindungi dan menjaga jaringan sistem saraf pusat. Ketidakseimbangan produksi, sirkulasi, atau absorpsi CSF dapat memicu kelainan neurologis yang fatal seperti hidrosefalus dan hipotensi intrakranial. Penelitian ini bertujuan memodelkan dinamika aliran CSF menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) pendekatan 0D berbasis metode Windkessel 2-element dan mengintegrasikannya dengan Hukum Darcy untuk merepresentasikan efek porositas pada jaringan otak (????????????). Persamaan model diselesaikan secara numerik menggunakan metode Euler. Hasil simulasi menunjukkan bahwa model berhasil memvalidasi kondisi fisiologis normal dengan mempertahankan tekanan intrakranial (ICP) stabil pada rata-rata 10 mmHg dan amplitudo 5 mmHg. Integrasi parameter porositas terbukti efektif sebagai variabel pengganggu dalam menyimulasikan kondisi patologis. Pada skenario Hidrosefalus, simulasi penambahan massa cairan (???????????? > 0) mereproduksi tren kenaikan tekanan yang mencapai ekuilibrium 19 - 24 mmHg. Sebaliknya, pada skenario Hipotensi intrakranial, simulasi kebocoran cairan (???????????? < 0) dapat menyebabkan penurunan tekanan drastis hingga 0 mmHg, yang merepresentasikan fenomena klinis dry tap. Analisis sensitivitas membuktikan bahwa permeabilitas jaringan (??) berfungsi sebagai pengendali laju (rate controller) yang membedakan karakteristik progresi penyakit akut dan kronis tanpa mengubah titik ekuilibrium akhir. Selain itu, variasi nilai kepatuhan menunjukkan peran signifikansi elastisitas jaringan dalam meredam amplitudo pulsasi hidrodinamik. Model 0D yang dikembangkan terbukti fleksibel dan akurat dalam mereplikasi patofisiologis sirkulasi CSF. Kata Kunci : computational fluid dynamics, hidrosefalus, hipotensi intrakranial, hukum darcy, windkessel 2-element.

MUHAMMAD NICO AFRIZA. Integration of the 0D Windkessel Model with Brain Tissue Porosity Effects for Cerebrospinal Fluid (CSF) Dynamics Simulation. Supervised by AGUS KARTONO and SETYANTO TRI WAHYUDI.

Cerebrospinal fluid (CSF) plays a vital role in protecting and maintaining the central nervous system tissues. Imbalances in the production, circulation, or absorption of CSF can trigger severe neurological disorders such as hydrocephalus and intracranial hypotension. This study aims to model the dynamics of CSF flow using a 0D Computational Fluid Dynamics (CFD) approach based on the 2-element Windkessel method, integrating it with Darcy's Law to represent the effect of brain tissue porosity (????????????). The model equations were solved numerically using the Euler method. The simulation results indicated that the model successfully validated normal physiological conditions by maintaining a stable intracranial pressure (ICP) at an average of 10 mmHg with an amplitude of 5 mmHg. The integration of the porosity parameter proved effective as a disturbance variable in simulating pathological conditions. In the Hydrocephalus scenario, the simulation of fluid mass addition (???????????? > 0) reproduced a pressure increase trend that reached a pathological equilibrium of 19 – 24 mmHg. Conversely, in the Intracranial hypotension scenario, the simulation of fluid leakage (???????????? < 0) caused a drastic pressure drop to 0 mmHg, representing the clinical phenomenon of a dry tap. Sensitivity analysis demonstrated that tissue permeability (??) functions crucially as a rate controller, distinguishing the characteristics of acute and chronic disease progression without altering the final equilibrium point. Furthermore, variations in compliance values demonstrated the significant role of tissue elasticity in dampening hydrodynamic pulsation amplitudes. The developed 0D model proved to be flexible and accurate in replicating the pathophysiology of CSF circulation. Keywords: computational fluid dynamics, darcy's law, hydrocephalus, intracranial hypotension, windkessel 2-element