Citation
Afkari, Damon
(2015).
Pulsatile blood flow interaction with arterial walls of aorta : autoregulation and impedance pressure boundary condition and its biomedical applications.
Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM).
Abstract
Para las decisiones urgentes sobre intervenciones quirúrgicas en el sistema
cardiovascular se necesitan simulaciones computacionales con resultados fiables y que consuman un tiempo de cálculo razonable. Durante años los
investigadores han trabajado en diversos métodos numéricos de cálculo que
resulten atractivos para los cirujanos. Estos métodos, precisos pero costosos
desde el punto de vista del coste computacional, crean un desajuste entre
la oferta de los ingenieros que realizan las simulaciones y los médicos que
operan en el quirófano. Por otra parte, los métodos de cálculo más simplificados reducen el tiempo de cálculo pero pueden proporcionar resultados no
realistas.
El objetivo de esta tesis es combinar los conceptos de autorregulación e
impedancia del sistema circulatorio, la interacción flujo sanguíneo-pared arterial
y modelos geométricos idealizados tridimensionales de las arterias pero
sin pérdida de realismo, con objeto de proponer una metodología de simulación
que proporcione resultados correctos y completos, con tiempos de cálculo
moderados.
En las simulaciones numéricas, las condiciones de contorno basadas en
historias de presión presentan inconvenientes por ser difícil conocerlas con
detalle, y porque los resultados son muy sensibles ante pequeñas variaciones
de dichas historias. La metodología propuesta se basa en los conceptos de
autorregulación, para imponer la demanda de flujo aguas abajo del modelo
en el ciclo cardiaco, y la impedancia, para representar el efecto que ejerce el
flujo en el resto del sistema circulatorio sobre las arterias modeladas. De este
modo las historias de presión en el contorno son resultados del cálculo, que
se obtienen de manera iterativa. El método propuesto se aplica en una geometría idealizada del arco aórtico sin patologías y en otra geometría correspondiente a una disección Stanford de tipo A, considerando la interacción del flujo pulsátil con las paredes arteriales.
El efecto de los tejidos circundantes también se incorpora en los
modelos. También se hacen aplicaciones considerando la interacción en una
geometría especifica de un paciente anciano que proviene de una tomografía
computarizada. Finalmente se analiza una disección Stanford tipo B con tres
modelos que incluyen la fenestración del saco. Clinicians demand fast and reliable numerical results of cardiovascular biomechanic
simulations for their urgent pre-surgery decissions. Researchers during
many years have work on different numerical methods in order to attract the
clinicians' confidence to their colorful contours. Though precise but expensive
and time-consuming methodologies create a gap between numerical biomechanics
and hospital personnel. On the other hand, simulation simplifications
with the aim of reduction in computational time may cause in production of
unrealistic outcomes. The main objective of the current investigation is to
combine ideas such as autoregulation, impedance, fluid-solid interaction and
idealized geometries in order to propose a computationally cheap methodology
without excessive or unrealistic simplifications. The pressure boundary
conditions are critical and polemic in numerical simulations of cardiovascular
system, in which a specific arterial site is of interest and the rest of the
netwrok is neglected but represented by a boundary condition. The proposed
methodology is a pressure boundary condition which takes advantage of numerical
simplicity of application of an imposed pressure boundary condition
on outlets, while it includes more sophisticated concepts such as autoregulation
and impedance to gain more realistic results. Incorporation of autoregulation
and impedance converts the pressure boundary conditions to an
active and dynamic boundary conditions, receiving feedback from the results
during the numerical calculations and comparing them with the physiological
requirements. On the other hand, the impedance boundary condition defines
the shapes of the pressure history curves applied at outlets.
The applications of the proposed method are seen on idealized geometry
of the healthy arotic arch as well as idealized Stanford type A dissection,
considering the interaction of the arterial walls with the pulsatile blood flow.
The effect of surrounding tissues is incorporated and studied in the models.
The simulations continue with FSI analysis of a patient-specific CT scanned
geometry of an old individual. Finally, inspiring of the statistic results of
mortality rates in Stanford type B dissection, three models of fenestrated
dissection sac is studied and discussed. Applying the developed boundary
condition, an alternative hypothesis is proposed by the author with respect to the decrease in mortality rates in patients with fenestrations.