Numerical, simulations of blood flow effects under the presence of abdominal aortic aneurysm

Abstract

Abdominal aortic aneurysms (AAAs) are defined as a localized dilatation of the abdominalaorta featuring diameter at least 50% larger than the normal one. AAAs usually remainasymptomatic until the occurrence of a possibly catastrophic complication, i.e. the rupture.Endovascular aneurysm repair (EVAR) offers a reliable treatment for the disease by excludingthe aneurysmal sac and redirecting blood flow through an endovascularly deployed stent-graftsystem.Computational fluid dynamics (CFD) is a scientific field involved actively in the study ofblood 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, relativelylow resource demands (compared to experiments), their flexibility and the quantity of highresolutionflow analytics that are capable of providing. Recent technological advancementshave enabled the combination of CFD with medical imaging data, extending the applicabilityof CFD to patient-specific vascular models. Researchers are using CFD to unravel possibleimplications of hemodynamic flow in the pathogenesis, evolvement and rupture of AAAs. Theapplications of CFD are not limited to physiological or pathological blood flow but can beemployed in the context of EVAR as well.The aim of the current thesis was to explore the capabilities of numerical simulations andset up applications in physiological, preoperative and postoperative AAA cases. Chapter 1introduces an alternative modeling of intraluminal thrombus (ILT) which is apparent in mostAAAs and has a crucial role in their growth. Specifically, ILT is modeled as a porous mediumwith gradually smaller permeability following histological analyses of evolving ILT structures.The differential equations that describe the interaction of pathological blood flow with agrowing ILT are discretized with the Finite Element method and solved by an in-housenumerical code in an AAA model. The analysis gives an estimate of the ILT effects on the flowconditions in AAAs that is in agreement with the biomechanical factors that according to theliterature promote ILT initiation and growth.The literature states that the percentage of post-EVAR complications is variable among thecommercial endografts. However there are only a few clinical, computational or experimentalstudies, providing hemodynamic data in an endograft-specific manner. Additionally, it isknown that the implantation of an endograft alters hemodynamics with possible adverse effectson the functionality of the device itself, but there is not a consistent methodology to calculatethe blood flow variations specifically. Chapters 2,3 and 4 are attempting to answer openquestions regarding the hemodynamic efficiency of EVAR and unravel the hemodynamicprofile of various commercial endografts using advanced dynamic three-dimensionalnumerical simulations coupled with patient-specific medical data. The methodology involves:1) the collection of suitable medical cases, 2) reconstruction of computed tomography data toacquire the geometrical representation of patient-specific AAAs or endograft structures, 3)generation of numerical grids to enable capturing high-resolution hemodynamic analytics, 4)performance of numerical simulations using CFD, 5) post-processing of the results focusingon regions of interest within the models, 6) visualization of hemodynamic properties andpatterns and 7) statistical analysis to determine the significance of the flow variations.

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, τουAFX 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.