Analysis of Influence of Blood Flow and Arterial Geometry on Pathological Processes in Arteries
Loading...
Date
Authors
Jagoš, Jiří
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Se zvyšující se průměrnou délkou života a nezdravým životním stylem se velmi úzce pojí zvýšený výskyt kardiovaskulárních chorob. Většina z těchto nemocí je asymptomatických. Je zde tedy velká snaha rozpoznat tato onemocnění časně, dokud je možné je léčit konzervativně pomocí změny životního stylu či různých léků. Pokud se nemoc objeví až v pozdním stádiu, je nutná často velmi riziková operace. Stále se velmi často stává, že u pacienta v rizikové skupině se kardiovaskulární choroba nerozvine, a naopak u toho, který v rizikové skupině dle stávajících kritérií není, ano. Výpočtové modelování kardiovaskulárního systému je jedním z mnoha způsobů, které mohou pomoci se sofistikovanější indikací osob, u kterých je zvýšené riziko vývoje těchto chorob. V práci byly nejprve úspěšně validovány výsledky numerického modelu pulzujícího proudění v tuhé a elastické trubici skrze rychlostní profily. Podmínky experimentu byly záměrně voleny tak, aby byly blízké podmínkám v lidské aortě. Další část práce je věnována výběru a implementaci okrajových podmínek pro numerické modely pulzujícího proudění v lidských tepnách. První přístup pomocí určení rychlosti šíření pulzní vlny v tepně a následné časové korekci mezi vstupní a výstupní okrajovou podmínkou je poměrně jednoduchý, nicméně přímo předepisuje tvaru tlakové nebo průtokové vlny pro každý vstup a výstup z modelu a jeho prediktivní vlastnosti jsou tímto výrazně omezené. Jeho další nevýhodou je aplikovatelnost pouze pro simulace proudění, které uvažují poddajnost stěny. V případě simulace proudění s tuhou stěnou časovou korekci vstupní a výstupní okrajové podmínky nelze provést. Zde v práci byl tento přístup využitý v simulacích, které uvažují vzájemnou interakci stěny tepny s kapalinou, při prověřování potenciálního rizikového faktoru úhlu ilických tepen na rozvoj aneurysmatu abdominální aorty (AAA). Ukázalo se, že pro velký (ale stále fyziologický) rozsah úhlu ilických tepen nedochází ke zvýšení tlaku v aortě. Dále byl prověřen vliv poměru průřezů ilických tepen vůči průřezu aorty, u kterého se prokázal výrazný vliv na zvýšení tlaku v aortě. Výsledky jsou v souladu s klinickým pozorováním, které ukazují, že lidé po amputaci dolní končetiny, nebo lidé se stenózou v ilické tepně mají významně zvýšené riziko vzniku AAA. V závěrečné části byl zkoumán vliv tvaru průtokové vlny v lidské karotidě na vznik aterosklerózy. Bylo zrekonstruováno pět geometricky odlišných karotických bifurkací ze „zdravých“ starších pacientů. Reprezentativní vstupní okrajové podmínky průtoků pro staršího i mladého jedince byly převzaty z literatury. Výstupní okrajové podmínky pro interní a externí karotidu byly reprezentovány tří parametrickým Windkessel modelem. Parametry Windkessel modelu byly iteračním postupem odladěny tak, aby průběh průtokové vlny v interně byl v souladu s průběhem v literatuře. Tyto okrajové podmínky vystihují chování periferie velmi věrohodně. Navíc vykazují výrazně vyšší numerickou stabilitu a predikční vlastnosti než prvně zmíněný přístup. Analýzou výsledků bylo zjištěno že proudění v karotidě u zdravé starší osoby vykazuje výrazné snížení časově průměrovaného smykového napětí na stěně tepny vůči osobě mladé, což indikuje zvýšené riziko vzniku aterosklerózy. Výsledky jsou v souladu s klinickým pozorováním a rozšiřují dosavadní znalosti o mnohem hlubší analýzu. Je zde také diskutován případný přínos antihypertenziv a pravidelného cvičení.
An occurrence of cardiovascular diseases is rising together with increasing average life expectancy as well as to an unhealthy lifestyle. Since the most of these diseases are asymptomatic, a great effort has been devoted to early detection of these diseases because if they are detected in early phase, a conservative treatment can be an option. If not, a highly invasive and risky surgery is usually the only option. We can still observe a very large portion of patients in the risk group to whom the disease does not develop, and, on the contrary, in many patients who are not in the risk group, it does. Computational modelling of cardiovascular system is one of the options, which can help with stratification of the patients that are at risk of developing cardiovascular diseases. Firstly, a successful validation of the numerical model of pulsatile flow in the rigid and compliant tubes via velocity profiles was performed. Experiment circuit was arranged to correspond conditions in the human aorta. Next part is devoted to proper treatment of boundary conditions (BCs) for numerical model of pulsatile flow in human arteries. The first approach works with pulse wave velocity which needs to be computed first. Then, a shift between input and outputs BCs can be determined easily. Nevertheless, we have to prescribe also flow or pressure waveforms for each inlet and outlet. Thus, the predictive capabilities of this approach are significantly limited. Its next disadvantage is applicability only for simulations considering compliance of the vessel wall. We used this approach in fluid-structure interaction simulations to check the potential risk factor of the aorto-iliac angle on development of an aneurysm in the abdominal aorta (AAA). It has been shown that the pressure increases due to a large (but still physiological) span of the aorto-iliac angles is negligible. We also investigated the influence of the area ratio on pressure in the abdominal aorta. The results of this computational study show a substantial increase in pressure as the ratio decreases and confirms clinical observations showing significantly elevated risk of AAA in patients with lower limp amputation or those with iliac artery stenosis. In the final part we have investigated the effect of a flow waveform shape in the human carotid artery on the risk of atherosclerosis. The five geometrically different geometries of the carotid bifurcation from “healthy” old individuals were reconstructed. The representative input flow BCs in the common carotid artery for the young and old individual were adopted from a literature. The outputs BCs for the internal and external carotid artery were represented by three-element Windkessel model. The parameters of the Windkessel model were iteratively tuned to reach flow waveform shape in internal carotid artery according to literature. These BCs represent the behaviour of the periphery very reliably. Moreover, the predictive capabilities and numerical stability of this approach are much better than the first approach. The results show that the time average wall shear stress decreases significantly in case of healthy elderly subjects in comparison to young ones which indicates elevated risk of atherosclerosis. The results are in agreement with clinical observations and further extend the existing knowledge with a much deeper analysis of this trend. The final discussion is devoted to a potential benefits of an antihypertensives and regular physical activity.
An occurrence of cardiovascular diseases is rising together with increasing average life expectancy as well as to an unhealthy lifestyle. Since the most of these diseases are asymptomatic, a great effort has been devoted to early detection of these diseases because if they are detected in early phase, a conservative treatment can be an option. If not, a highly invasive and risky surgery is usually the only option. We can still observe a very large portion of patients in the risk group to whom the disease does not develop, and, on the contrary, in many patients who are not in the risk group, it does. Computational modelling of cardiovascular system is one of the options, which can help with stratification of the patients that are at risk of developing cardiovascular diseases. Firstly, a successful validation of the numerical model of pulsatile flow in the rigid and compliant tubes via velocity profiles was performed. Experiment circuit was arranged to correspond conditions in the human aorta. Next part is devoted to proper treatment of boundary conditions (BCs) for numerical model of pulsatile flow in human arteries. The first approach works with pulse wave velocity which needs to be computed first. Then, a shift between input and outputs BCs can be determined easily. Nevertheless, we have to prescribe also flow or pressure waveforms for each inlet and outlet. Thus, the predictive capabilities of this approach are significantly limited. Its next disadvantage is applicability only for simulations considering compliance of the vessel wall. We used this approach in fluid-structure interaction simulations to check the potential risk factor of the aorto-iliac angle on development of an aneurysm in the abdominal aorta (AAA). It has been shown that the pressure increases due to a large (but still physiological) span of the aorto-iliac angles is negligible. We also investigated the influence of the area ratio on pressure in the abdominal aorta. The results of this computational study show a substantial increase in pressure as the ratio decreases and confirms clinical observations showing significantly elevated risk of AAA in patients with lower limp amputation or those with iliac artery stenosis. In the final part we have investigated the effect of a flow waveform shape in the human carotid artery on the risk of atherosclerosis. The five geometrically different geometries of the carotid bifurcation from “healthy” old individuals were reconstructed. The representative input flow BCs in the common carotid artery for the young and old individual were adopted from a literature. The outputs BCs for the internal and external carotid artery were represented by three-element Windkessel model. The parameters of the Windkessel model were iteratively tuned to reach flow waveform shape in internal carotid artery according to literature. These BCs represent the behaviour of the periphery very reliably. Moreover, the predictive capabilities and numerical stability of this approach are much better than the first approach. The results show that the time average wall shear stress decreases significantly in case of healthy elderly subjects in comparison to young ones which indicates elevated risk of atherosclerosis. The results are in agreement with clinical observations and further extend the existing knowledge with a much deeper analysis of this trend. The final discussion is devoted to a potential benefits of an antihypertensives and regular physical activity.
Description
Citation
JAGOŠ, J. Analysis of Influence of Blood Flow and Arterial Geometry on Pathological Processes in Arteries [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2023.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Inženýrská mechanika
Comittee
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (předseda)
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. (člen)
Ing. Alena Jonášová, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Marcián, Ph.D. (člen)
MVDr. Michal Crha, Ph.D. (člen)
prof. Ing. František Pochylý, CSc. (člen)
Stárek Zdeněk, doc. MUDr., Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2023-11-28
Defence
Komise konstatuje, že hlavními výsledky předložené dizertace jsou sestavená a experimentální validace výpočtového modelu pulzačního proudění krve v aortě. Významným výsledkem je i vytvoření experimentální tratě pro pulzační proudění, které je nadále využíváno pro výzkumné i výukové účely.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení