Υπολογιστική μελέτη ενδοκρανιακών ανευρυσμάτων

Abstract

Cardiovascular diseases are the leading cause of death in the modern world. These diseases are defined as diseases and injuries of the cardiovascular system and include the blood vessels of the heart, the blood vessels (veins and arteries) throughout the body, even inside the brain. These diseases also include intracranial aneurysms, which are essentially localized swellings of the cerebrovascular wall in direct contact with the lumen and therefore with the blood flow. They usually result from an acquired or less common congenital weakness in the arterial wall itself. The cause and development of intracranial aneurysms remains to this day to be studied due to its unpredictable nature, with 2-6 % of the general population being carriers of intracranial aneurysms. Intracranial aneurysm disease is an interdisciplinary problem and is being studied simultaneously by many disciplines. In this doctoral dissertation we present a study of intracranial aneurysms through modeling the blood flow using computational methods. In the first chapter of this doctoral dissertation we describe the medical problem of intracranial aneurysm disease. We present the connection of blood flow modeling with the study of disease. Through the first we are given the opportunity to study the flow of blood but also the calculation of hemodynamic indicators, such as the shear stress whose role is analyzed, which help us in further understanding the development of the disease. Also, in the aforementioned chapter, the stages of modeling are described, which include the reconstruction of a medical image. In the second chapter, blood flow was simulated in anterior circulatory aneurysms bearing daughter domes. We applied a pulsed velocity model to the input condition to calculate hemodynamic indices to investigate the multidirectionality of blood flow fields that would lead to the quantification of the disturbed flow state. Actual patient data from the Aneurisk database as well as from the Rio University Hospital database were used for which a 3D image reconstruction was performed using the 3D Slicer software. To model the blood flow fields of the above cases of intracranial aneurysms, we used the open source Nektar++. In the third chapter, we present an alternative approach to simulating blood flow to intracranial aneurysms in which we develop and use a solver of the Navier-Stokes immersed boundary equation based on the Finite Element Method. We use Cartesian grids to solve the flow field and Lagrange nodes that represent the submerged boundary. We maximize the effectiveness of the method using local mesh thickening. The modeling process is user friendly, as all grids are constructed through automated algorithms. We demonstrate the reproducibility and flexibility of the method by simulating the flow in real cases of intracranial aneurysms drawn from the Aneurisk database. In the fourth chapter, we model the blood flow in intracranial aneurysms, taking into account this time the elastic properties of the wall and its interaction with the respective flow field. The modeling was performed using the commercial finite volume software ANSYS CFX, with the cases of intracranial aneurysms being examined coming from the Aneurisk database.

Τα καρδιαγγειακά νοσήματα είναι μία από τις κύριες αιτίες θανάτου στον σύγχρονο κόσμο. Τα νοσήματα αυτά ορίζονται ως ασθένειες και τραυματισμοί του καρδιαγγειακού συστήματος και συμπεριλαμβάνουν τα αιμοφόρα αγγεία της καρδιάς τα αιμοφόρα αγγεία (φλέβες και αρτηρίες) σε όλο το σώμα, ακόμα και μέσα στον εγκέφαλο. Σε αυτού του είδους νοσήματα εντάσσονται και τα ενδοκρανιακά ανευρύσματα, τα οποίο ουσιαστικά είναι παθολογικές εντοπισμένες διογκώσεις του εγκεφαλοαγγειακού τοιχώματος σε άμεση επικοινωνία με τον αυλό και επομένως με την ροή του αίματος. Συνήθως προκύπτουν από μια επίκτητη ή λιγότερο συχνή συγγενή αδυναμία στο ίδιο το αρτηριακό τοίχωμα. Η αιτία δημιουργίας αλλά και η εξέλιξη των ενδοκρανιακών ανευρυσμάτων παραμένει μέχρι και σήμερα αντικείμενο προς μελέτη λόγω της απρόβλεπτης φύσης της, με το 2-6% του γενικού πληθυσμού να είναι φορείς ενδοκρανιακών ανευρυσμάτων. Η νόσος των ενδοκρανιακών ανευρυσμάτων είναι ένα διεπιστημονικό πρόβλημα και μελετάται ταυτόχρονα από πολλούς επιστημονικούς κλάδους. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται η μελέτη της νόσου μέσω μοντελοποίησης της ροής αίματος με χρήση υπολογιστικών μεθόδων. Στο πρώτο κεφάλαιο αυτής της διδακτορικής διατριβής περιγράφουμε το ιατρικό πρόβλημα της νόσου των ενδοκρανιακών ανευρυσμάτων. Παρουσιάζουμε την σύνδεση της μοντελοποίησης της ροής του αίματος με την μελέτη της νόσου. Μέσω της πρώτης μας δίνεται η δυνατότητα μελέτης του ροϊκού πεδίου του αίματος αλλά και ο υπολογισμός αιμοδυναμικών δεικτών, όπως η διατμητική τάση της οποίας ο ρόλος αναλύεται, που μας βοηθούν στην περαιτέρω κατανόηση για την εξέλιξη της νόσου. Επίσης, στο προαναφερθέν κεφάλαιο, περιγράφονται και τα στάδια της μοντελοποίησης, τα οποία συμπεριλαμβάνουν την ανακατασκευή ιατρικής εικόνας. Στο δεύτερο κεφάλαιο, πραγματοποιήθηκε προσομοίωση της ροής του αίματος σε ανευρύσματα της πρόσθιας κυκλοφορίας τα οποία φέρουν θυγατρικούς θόλους. Εφαρμόσαμε παλμικό μοντέλο ταχύτητας για την συνθήκη εισόδου με στόχο τον υπολογισμό αιμοδυναμικών δεικτών για την διερεύνηση της πολυκατευθυντικότητας των πεδίων ροής του αίματος που θα οδηγήσει στην ποσοτικοποίηση της κατάστασης της διαταραγμένης ροής. Χρησιμοποιήθηκαν πραγματικά δεδομένα ασθενών από την βάση δεδομένων Aneurisk αλλά και από την βάση δεδομένων του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου του Ρίου για τα οποία πραγματοποιήθηκε τρισδιάστατη ανακατασκευή εικόνας μέσω του λογισμικού 3D Slicer. Για την μοντελοποίηση των πεδίων ροής του αίματος των παραπάνω περιπτώσεων ενδοκρανιακών ανευρυσμάτων, χρησιμοποιήσαμε τον ανοιχτό κώδικα Nektar++. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζουμε μια εναλλακτική προσέγγιση για την προσομοίωση της ροής του αίματος σε ενδοκρανιακά ανευρύσματα κατά την οποία αναπτύσσουμε και χρησιμοποιούμε έναν λύτη των εξισώσεων Navier-Stokes εμβαπτισμένου ορίου ο οποίος βασίζεται στη Μέθοδο Πεπερασμένων Στοιχείων. Χρησιμοποιούμε καρτεσιανά πλέγματα για τη λύση του πεδίου ροής και κόμβους κατά Lagrange που αντιπροσωπεύουν το εμβαπτισμένο όριο. Μεγιστοποιούμε την αποτελεσματικότητα της μεθόδου χρησιμοποιώντας τοπική πύκνωση πλέγματος. Η διαδικασία της μοντελοποίησης είναι φιλική προς τον χρήστη, καθώς όλα τα πλέγματα κατασκευάζονται μέσω αυτοματοποιημένων αλγορίθμων. Δείχνουμε την αναπαραγωγιμότητα και την ευελιξία της μεθόδου προσομοιώνοντας τη ροή σε πραγματικές περιπτώσεις ενδοκρανιακών ανευρυσμάτων τα οποία αντλήθηκαν από την βάση δεδομένων Aneurisk.