Numerical simulations of blood flow effects under the presence of abdominal aortic aneurysm
Φόρτωση...
Ημερομηνία
Συγγραφείς
Ράπτης, Αναστάσιος Α.
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Σχολή Επιστημών Υγείας. Τμήμα Ιατρικής
Περίληψη
Τύπος
Είδος δημοσίευσης σε συνέδριο
Είδος περιοδικού
Είδος εκπαιδευτικού υλικού
Όνομα συνεδρίου
Όνομα περιοδικού
Όνομα βιβλίου
Σειρά βιβλίου
Έκδοση βιβλίου
Συμπληρωματικός/δευτερεύων τίτλος
Περιγραφή
Abdominal aortic aneurysms (AAAs) are defined as a localized dilatation of the abdominal
aorta featuring diameter at least 50% larger than the normal one. AAAs usually remain
asymptomatic until the occurrence of a possibly catastrophic complication, i.e. the rupture.
Endovascular aneurysm repair (EVAR) offers a reliable treatment for the disease by
excluding the aneurysmal sac and redirecting blood flow through an endovascularly
deployed stent-graft system.
Computational fluid dynamics (CFD) is a scientific field involved actively in the study
of blood flow throughout the circulatory system. The numerical simulations of blood flow
have attracted the interest of the medical community due to their non-invasive character,
relatively low resource demands (compared to experiments), their flexibility and the quantity
of high-resolution flow analytics that are capable of providing. Recent technological
advancements have enabled the combination of CFD with medical imaging data, extending
the applicability of CFD to patient-specific vascular models. Researchers are using CFD to
unravel possible implications of hemodynamic flow in the pathogenesis, evolvement and
rupture of AAAs. The applications of CFD are not limited to physiological or pathological
blood flow but can be employed in the context of EVAR as well.
The aim of the current thesis was to explore the capabilities of numerical simulations and
set up applications in physiological, preoperative and postoperative AAA cases. Chapter 1
introduces an alternative modeling of intraluminal thrombus (ILT) which is apparent in most
AAAs and has a crucial role in their growth. Specifically, ILT is modeled as a porous
medium with gradually smaller permeability following histological analyses of evolving ILT
structures. The differential equations that describe the interaction of pathological blood flow
with a growing ILT are discretized with the Finite Element method and solved by an inhouse
numerical code in an AAA model. The analysis gives an estimate of the ILT effects on the flow conditions in AAAs that is in agreement with the biomechanical factors that
according to the literature promote ILT initiation and growth.
The literature states that the percentage of post-EVAR complications is variable among
the commercial endografts. However there are only a few clinical, computational or
experimental studies, providing hemodynamic data in an endograft-specific manner.
Additionally, it is known that the implantation of an endograft alters hemodynamics with
possible adverse effects on the functionality of the device itself, but there is not a consistent
methodology to calculate the blood flow variations specifically. Chapters 2,3 and 4 are
attempting to answer open questions regarding the hemodynamic efficiency of EVAR and
unravel the hemodynamic profile of various commercial endografts using advanced dynamic
three-dimensional numerical simulations coupled with patient-specific medical data. The
methodology involves: 1) the collection of suitable medical cases, 2) reconstruction of
computed tomography data to acquire the geometrical representation of patient-specific
AAAs or endograft structures, 3) generation of numerical grids to enable capturing highresolution
hemodynamic analytics, 4) performance of numerical simulations using CFD, 5)
post-processing of the results focusing on regions of interest within the models, 6)
visualization of hemodynamic properties and patterns and 7) statistical analysis to determine
the significance of the flow variations.
EVAR has favorable short-term outcomes and proven clinical efficiency but it has not
been studied adequately if blood flow completely restores to physiological levels after the
deployment of an endograft. In Chapter 2, we attempted to define the flow variations in
healthy and endovascularly repaired infrarenal aortas. In Chapter 3, we applied the
developed workflow to test the hypothesis that two (2) endografts with similar designs,
Endurant and Excluder, induce similar hemodynamic environments after EVAR. The
applied methodology accounts for the determinant factor of postoperative hemodynamics,
i.e. the position of the endograft in the aneurysmal sac. Lastly, in Chapter 4, we analyze the
hemodynamic performance of two (2) endografts with more diverse designs, AFX that
exploits the native aortic bifurcation to achieve fixation and Nellix, whose function is based
on the novel endovascular aneurysm sealing technology.
The computational simulations are considered as the third research pylon between theory
and experiment. In the field of vascular surgery, simulations have not been yet introduced in
clinical practice. However, many clinical and industrial applications of the computational
simulations are expected to be available for broader use in the near future.
Το ανεύρυσμα κοιλιακής αορτής (ΑΚΑ) ορίζεται ως η διαστολή της κοιλιακής αορτής που υπερβαίνει τη φυσιολογική διάμετρο κατά 50% τουλάχιστον και αποτελεί την πιο κοινή μορφή των αορτικών ανευρυσμάτων. Συνήθως τα ΑΚΑ παραμένουν ασυμπτωματικά μέχρι την εμφάνιση μιας πιθανώς θανατηφόρας επιπλοκής δηλαδή της ρήξης. Η ενδαγγειακή αποκατάσταση ανευρύσματος (ΕΑΑ) αποτελεί αξιόπιστη θεραπεία για την ασθένεια, αποκλείοντας τον ανευρυσματικό σάκο και διοχετεύοντας τη ροή του αίματος μέσα από μόσχευμα, που τοποθετείται ενδαγγειακώς. Η υπολογιστική ρευστομηχανική (ΥΡ) είναι ένα επιστημονικό πεδίο που εμπλέκεται ενεργά στη μελέτη της ροής του αίματος σε όλο το κυκλοφορικό σύστημα. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις της ροής του αίματος προσελκύουν το ενδιαφέρον της ιατρικής κοινότητας λόγω του μη επεμβατικού χαρακτήρα τους, των σχετικά χαμηλών οικονομικών απαιτήσεων τους (σε σύγκριση με τα πειράματα), της ευελιξίας τους και της ποσότητας των αιμοδυναμικών δεικτών υψηλής ανάλυσης, που είναι ικανές να παρέχουν. Οι πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις επιτρέπουν το συνδυασμό της ΥΡ με δεδομένα ιατρικής απεικόνισης, επεκτείνοντας τις εφαρμογές της ΥΡ σε αγγειακά μοντέλα που βασίζονται σε ασθενείς. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν την ΥΡ για να μελετήσουν τις πιθανές επιπτώσεις της αιμοδυναμικής ροής στην παθογένεση, εξέλιξη και ρήξη των ΑΚΑ. Οι εφαρμογές της ΥΡ δεν περιορίζονται στη φυσιολογική ή στην παθολογική ροή του αίματος, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν επίσης στα πλαίσια της ΕΑΑ. Στόχος της παρούσης διατριβής είναι να ερευνήσει τις δυνατότητες των αριθμητικών προσομοιώσεων και να θεμελιώσει την εφαρμογή τους σε φυσιολογικές, προεγχειρητικές και μετεγχειρητικές περιπτώσεις των ΑΚΑ. Στο Κεφάλαιο 1 εισάγεται μια εναλλακτική μοντελοποίηση του ενδοαυλικού θρόμβου (ΕΘ), ο οποίος παρατηρείται σε ένα μεγάλο ποσοστό των ΑΚΑ επηρεάζοντας σημαντικά την εξέλιξή τους. Συγκεκριμένα, ο ΕΘ μοντελοποιείται ως πορώδες μέσο με βαθμιαία μικρότερη διαπερατότητα σύμφωνα με ιστολογικές αναλύσεις εξελισσόμενων δομών ΕΘ. Οι διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν την αλληλεπίδραση της παθολογικής ροής του αίματος με τον εξελισσόμενο ΕΘ διακριτοποιούνται με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων και επιλύονται σε ένα μοντέλο ΑΚΑ με τη χρήση λογισμικού που αναπτύχθηκε για τις ανάγκες του προβλήματος. Η ανάλυση των επιπτώσεων του ΕΘ στις συνθήκες της αιματικής ροής σε ΑΚΑ είναι σε συμφωνία με τους εμβιομηχανικούς παράγοντες που προωθούν τη γέννηση και την ανάπτυξη του ΕΘ. Η βιβλιογραφία αναφέρει ότι το ποσοστό των επιπλοκών μετά από EAA μεταβάλλεται μεταξύ των εμπορικών μοσχευμάτων, ωστόσο υπάρχουν ελάχιστες κλινικές, υπολογιστικές ή πειραματικές μελέτες, που παρέχουν αιμοδυναμικά δεδομένα για τα διάφορα μοσχεύματα χωριστά. Επιπλέον, είναι γνωστό ότι η εμφύτευση ενός μοσχεύματος μεταβάλλει την αιμοδυναμική ροή με πιθανές αρνητικές επιπτώσεις στη λειτουργικότητα της ίδιας της συσκευής, παρόλα αυτά δεν υπάρχει μια συνεπής μεθοδολογία για τον υπολογισμό των συγκεκριμένων μεταβολών των ιδιοτήτων της ροής του αίματος. Στα Κεφάλαια 2,3 και 4 δίνεται απάντηση σε ανοιχτά ερωτήματα σχετικά με την αιμοδυναμική απόδοση της ΕΑΑ και διερευνάται το αιμοδυναμικό προφίλ των διαφόρων εμπορικών μοσχευμάτων με τη χρήση προηγμένων τρισδιάστατων δυναμικών αριθμητικών προσομοιώσεων, που βασίζονται σε ιατρικά δεδομένα. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει: 1) τη συλλογή των κατάλληλων ιατρικών υποθέσεων, 2) την αναδόμηση ιατρικών απεικονίσεων από αξονικές τομογραφίες ασθενών για την εξαγωγή της εξατομικευμένης γεωμετρικής αναπαράστασης των αγγειακών δομών προεγχειρητικά και των δομών των μοσχευμάτων μετά από ΕΑΑ, 3) τη δημιουργία αριθμητικών πλεγμάτων ώστε να καταστεί δυνατή η εξαγωγή υψηλής ανάλυσης αιμοδυναμικών ιδιοτήτων, 4) την εκτέλεση αριθμητικών προσομοιώσεων ΥΡ, 5) την επεξεργασία των αποτελεσμάτων με έμφαση στις περιοχές ενδιαφέροντος εντός των μοντέλων, 6) την οπτικοποίηση των αιμοδυναμικών ιδιοτήτων και μοτίβων και 7) τη στατιστική ανάλυση για να προσδιοριστεί η σημασία των μεταβολών των αιμοδυναμικών ιδιοτήτων. Η ΕΑΑ έχει ευνοϊκά βραχυχρόνια αποτελέσματα και αποδεδειγμένη κλινική αποτελεσματικότητα, αλλά δεν έχει μελετηθεί επαρκώς αν η ροή του αίματος αποκαθίσταται πλήρως μετά από την εμφύτευση ενός μοσχεύματος. Στο Κεφάλαιο 2 μελετάμε τις μεταβολές της αιματικής ροής σε υγιείς και ενδοαγγειακώς επισκευασμένες υπονεφρικές αορτές. Στο Κεφάλαιο 3 εφαρμόζουμε τη μεθοδολογία που αναπτύχθηκε για να εξετάσουμε την υπόθεση, ότι δύο (2) μοσχεύματα με παρόμοιο σχεδιασμό, το Endurant και το Excluder, επάγουν παρόμοιο αιμοδυναμικό περιβάλλον μετά από ΕΑΑ. Η μεθοδολογία λαμβάνει υπόψη τον παράγοντα που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις μετεγχειρητικές αιμοδυναμικές συνθήκες δηλαδή τη θέση των μοσχευμάτων στο σάκο του ανευρύσματος. Τέλος, στο Κεφάλαιο 4, αναλύουμε την αιμοδυναμική απόδοση δύο (2) μοσχευμάτων με ιδιαίτερο σχεδιασμό, του AFX που εκμεταλλεύεται την εγγενή αορτική διακλάδωση για να επιτύχει τη σταθεροποίηση και του Nellix που η λειτουργία του βασίζεται στην καινοτόμα ενδαγγειακή τεχνολογία στεγανοποίησης ανευρυσμάτων (EVAS). Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις θεωρούνται ο τρίτος πυλώνας της έρευνας μεταξύ θεωρίας και πειράματος. Στο πεδίο της αγγειοχειρουργικής οι προσομοιώσεις δεν έχουν εισαχθεί ακόμα στην κλινική πράξη. Ωστόσο, πολλές κλινικές και βιομηχανικές εφαρμογές των υπολογιστικών προσομοιώσεων αναμένεται να είναι διαθέσιμες για διευρυμένη χρήση στο εγγύς μέλλον.
Το ανεύρυσμα κοιλιακής αορτής (ΑΚΑ) ορίζεται ως η διαστολή της κοιλιακής αορτής που υπερβαίνει τη φυσιολογική διάμετρο κατά 50% τουλάχιστον και αποτελεί την πιο κοινή μορφή των αορτικών ανευρυσμάτων. Συνήθως τα ΑΚΑ παραμένουν ασυμπτωματικά μέχρι την εμφάνιση μιας πιθανώς θανατηφόρας επιπλοκής δηλαδή της ρήξης. Η ενδαγγειακή αποκατάσταση ανευρύσματος (ΕΑΑ) αποτελεί αξιόπιστη θεραπεία για την ασθένεια, αποκλείοντας τον ανευρυσματικό σάκο και διοχετεύοντας τη ροή του αίματος μέσα από μόσχευμα, που τοποθετείται ενδαγγειακώς. Η υπολογιστική ρευστομηχανική (ΥΡ) είναι ένα επιστημονικό πεδίο που εμπλέκεται ενεργά στη μελέτη της ροής του αίματος σε όλο το κυκλοφορικό σύστημα. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις της ροής του αίματος προσελκύουν το ενδιαφέρον της ιατρικής κοινότητας λόγω του μη επεμβατικού χαρακτήρα τους, των σχετικά χαμηλών οικονομικών απαιτήσεων τους (σε σύγκριση με τα πειράματα), της ευελιξίας τους και της ποσότητας των αιμοδυναμικών δεικτών υψηλής ανάλυσης, που είναι ικανές να παρέχουν. Οι πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις επιτρέπουν το συνδυασμό της ΥΡ με δεδομένα ιατρικής απεικόνισης, επεκτείνοντας τις εφαρμογές της ΥΡ σε αγγειακά μοντέλα που βασίζονται σε ασθενείς. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν την ΥΡ για να μελετήσουν τις πιθανές επιπτώσεις της αιμοδυναμικής ροής στην παθογένεση, εξέλιξη και ρήξη των ΑΚΑ. Οι εφαρμογές της ΥΡ δεν περιορίζονται στη φυσιολογική ή στην παθολογική ροή του αίματος, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν επίσης στα πλαίσια της ΕΑΑ. Στόχος της παρούσης διατριβής είναι να ερευνήσει τις δυνατότητες των αριθμητικών προσομοιώσεων και να θεμελιώσει την εφαρμογή τους σε φυσιολογικές, προεγχειρητικές και μετεγχειρητικές περιπτώσεις των ΑΚΑ. Στο Κεφάλαιο 1 εισάγεται μια εναλλακτική μοντελοποίηση του ενδοαυλικού θρόμβου (ΕΘ), ο οποίος παρατηρείται σε ένα μεγάλο ποσοστό των ΑΚΑ επηρεάζοντας σημαντικά την εξέλιξή τους. Συγκεκριμένα, ο ΕΘ μοντελοποιείται ως πορώδες μέσο με βαθμιαία μικρότερη διαπερατότητα σύμφωνα με ιστολογικές αναλύσεις εξελισσόμενων δομών ΕΘ. Οι διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν την αλληλεπίδραση της παθολογικής ροής του αίματος με τον εξελισσόμενο ΕΘ διακριτοποιούνται με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων και επιλύονται σε ένα μοντέλο ΑΚΑ με τη χρήση λογισμικού που αναπτύχθηκε για τις ανάγκες του προβλήματος. Η ανάλυση των επιπτώσεων του ΕΘ στις συνθήκες της αιματικής ροής σε ΑΚΑ είναι σε συμφωνία με τους εμβιομηχανικούς παράγοντες που προωθούν τη γέννηση και την ανάπτυξη του ΕΘ. Η βιβλιογραφία αναφέρει ότι το ποσοστό των επιπλοκών μετά από EAA μεταβάλλεται μεταξύ των εμπορικών μοσχευμάτων, ωστόσο υπάρχουν ελάχιστες κλινικές, υπολογιστικές ή πειραματικές μελέτες, που παρέχουν αιμοδυναμικά δεδομένα για τα διάφορα μοσχεύματα χωριστά. Επιπλέον, είναι γνωστό ότι η εμφύτευση ενός μοσχεύματος μεταβάλλει την αιμοδυναμική ροή με πιθανές αρνητικές επιπτώσεις στη λειτουργικότητα της ίδιας της συσκευής, παρόλα αυτά δεν υπάρχει μια συνεπής μεθοδολογία για τον υπολογισμό των συγκεκριμένων μεταβολών των ιδιοτήτων της ροής του αίματος. Στα Κεφάλαια 2,3 και 4 δίνεται απάντηση σε ανοιχτά ερωτήματα σχετικά με την αιμοδυναμική απόδοση της ΕΑΑ και διερευνάται το αιμοδυναμικό προφίλ των διαφόρων εμπορικών μοσχευμάτων με τη χρήση προηγμένων τρισδιάστατων δυναμικών αριθμητικών προσομοιώσεων, που βασίζονται σε ιατρικά δεδομένα. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει: 1) τη συλλογή των κατάλληλων ιατρικών υποθέσεων, 2) την αναδόμηση ιατρικών απεικονίσεων από αξονικές τομογραφίες ασθενών για την εξαγωγή της εξατομικευμένης γεωμετρικής αναπαράστασης των αγγειακών δομών προεγχειρητικά και των δομών των μοσχευμάτων μετά από ΕΑΑ, 3) τη δημιουργία αριθμητικών πλεγμάτων ώστε να καταστεί δυνατή η εξαγωγή υψηλής ανάλυσης αιμοδυναμικών ιδιοτήτων, 4) την εκτέλεση αριθμητικών προσομοιώσεων ΥΡ, 5) την επεξεργασία των αποτελεσμάτων με έμφαση στις περιοχές ενδιαφέροντος εντός των μοντέλων, 6) την οπτικοποίηση των αιμοδυναμικών ιδιοτήτων και μοτίβων και 7) τη στατιστική ανάλυση για να προσδιοριστεί η σημασία των μεταβολών των αιμοδυναμικών ιδιοτήτων. Η ΕΑΑ έχει ευνοϊκά βραχυχρόνια αποτελέσματα και αποδεδειγμένη κλινική αποτελεσματικότητα, αλλά δεν έχει μελετηθεί επαρκώς αν η ροή του αίματος αποκαθίσταται πλήρως μετά από την εμφύτευση ενός μοσχεύματος. Στο Κεφάλαιο 2 μελετάμε τις μεταβολές της αιματικής ροής σε υγιείς και ενδοαγγειακώς επισκευασμένες υπονεφρικές αορτές. Στο Κεφάλαιο 3 εφαρμόζουμε τη μεθοδολογία που αναπτύχθηκε για να εξετάσουμε την υπόθεση, ότι δύο (2) μοσχεύματα με παρόμοιο σχεδιασμό, το Endurant και το Excluder, επάγουν παρόμοιο αιμοδυναμικό περιβάλλον μετά από ΕΑΑ. Η μεθοδολογία λαμβάνει υπόψη τον παράγοντα που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις μετεγχειρητικές αιμοδυναμικές συνθήκες δηλαδή τη θέση των μοσχευμάτων στο σάκο του ανευρύσματος. Τέλος, στο Κεφάλαιο 4, αναλύουμε την αιμοδυναμική απόδοση δύο (2) μοσχευμάτων με ιδιαίτερο σχεδιασμό, του AFX που εκμεταλλεύεται την εγγενή αορτική διακλάδωση για να επιτύχει τη σταθεροποίηση και του Nellix που η λειτουργία του βασίζεται στην καινοτόμα ενδαγγειακή τεχνολογία στεγανοποίησης ανευρυσμάτων (EVAS). Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις θεωρούνται ο τρίτος πυλώνας της έρευνας μεταξύ θεωρίας και πειράματος. Στο πεδίο της αγγειοχειρουργικής οι προσομοιώσεις δεν έχουν εισαχθεί ακόμα στην κλινική πράξη. Ωστόσο, πολλές κλινικές και βιομηχανικές εφαρμογές των υπολογιστικών προσομοιώσεων αναμένεται να είναι διαθέσιμες για διευρυμένη χρήση στο εγγύς μέλλον.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Ανεύρυσμα κοιλιακής αορτής
Θεματική κατηγορία
Aneurysm, Aortic aneurysm
Παραπομπή
Σύνδεσμος
Γλώσσα
en
Εκδίδον τμήμα/τομέας
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Σχολή Επιστημών Υγείας. Τμήμα Ιατρικής
Όνομα επιβλέποντος
Ματσάγκας, Μιλτιάδης
Εξεταστική επιτροπή
Ματσάγκας, Μιλτιάδης
Αποστολάκης, Ευστράτιος
Γουδέβενος, Ιωάννης
Παπαδόπουλος, Γεώργιος
Συμινελάκης, Σταύρος
Αρναούτογλου, Ελένη
Ξένος, Μιχαήλ
Αποστολάκης, Ευστράτιος
Γουδέβενος, Ιωάννης
Παπαδόπουλος, Γεώργιος
Συμινελάκης, Σταύρος
Αρναούτογλου, Ελένη
Ξένος, Μιχαήλ
Γενική Περιγραφή / Σχόλια
Ίδρυμα και Σχολή/Τμήμα του υποβάλλοντος
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Σχολή Επιστημών Υγείας. Τμήμα Ιατρικής
Πίνακας περιεχομένων
Χορηγός
Βιβλιογραφική αναφορά
Βιβλιογράφία : σ. 85-94
Ονόματα συντελεστών
Αριθμός σελίδων
94 σ.