Computational simulation of tensions and of deformations in aortic walls with a purpose of assessing the risks of aneurysm

Abstract

Περίληψη: Η παρούσα εργασία αντλεί την θεματολογία της από την επιστήμη της εμβιομηχανικής, δηλαδή την επιστήμη που συνδυάζει την μηχανική με την ιατρική. Σε αυτή, προσομοιώνεται τμήμα μιας ανθρώπινης αορτής που έχει υποστεί θρόμβο και διερευνάται το πως επηρεάζεται το τοίχωμα της αρτηρίας στην εμφάνιση του φαινομένου. Η αορτή είναι μια δομή του οργανισμού, σε σχήμα σωλήνα που έχει ως ρόλο να μεταφέρει το αίμα σε κάθε όργανο και να το επαναφέρει σε αυτό κυκλοφορώντας το. Επίσης μέσω των αρτηριών μεταφέρεται το απαραίτητο οξυγόνο, οι ορμόνες και τα θρεπτικά συστατικά που είναι απαραίτητα για την επιβίωση του ανθρώπινου οργανισμού. Με την έννοια του θρόμβου, εννοούμε την απόφραξη κάποιας αρτηρίας από μια χαμηλής πυκνότητας λιποπροτεινική χοληστερίνη. Στο παρόν μοντέλο που αναπτύσσουμε, το τμήμα της αορτής έχει μία είσοδο και δύο εξόδους του αίματος οι οποίες ορίζονται από ένα κέλυφος. Η προσομοίωση έγινε με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και το λογισμικό που χρησιμοποιήσαμε είναι το COMSOL, που χρησιμοποιεί για τους υπολογισμούς την παραπάνω αριθμητική μέθοδο. Οι αορτές δεν κατασκευάστηκαν στο ίδιο το πρόγραμμα, αλλά αποτελούν πραγματικές προσομοιώσεις από μαγνητικές τομογραφίες ασθενών με θρόμβο που τις εισάγουμε στο λογισμικό μετά από κατάλληλη επεξεργασία των μαγνητικών τομογραφιών. Συνολικά, προσομοιώθηκαν τρία μοντέλα τμήματος αορτής όπου μια ροή αίματος διακλαδίζεται σε δύο επιμέρους ροές. Για τον σχεδιασμό στην υπολογιστική άσκηση θεωρήσαμε το μοντέλο του γραμμικού ελαστικού ισότροπου υλικού. Προσομοιώσαμε συνολικά τρία τμήματα αορτής από διαφορετικούς ασθενείς και κατόπιν συγκρίναμε το πεδίο των τάσεων και των παραμορφώσεων των αρτηριών με θρόμβο με μια πρότυπο υγιή αρτηρία, για να διαπιστώσουμε τις τι συμβαίνει στα τοιχώματα των αρτηριών όταν στο εσωτερικό τους δημιουργείται θρόμβος. Στόχος είναι η όσο το δυνατόν ρεαλιστική προσομοίωση των αρτηριών που έχουν θρόμβους, ο υπολογισμών των τάσεων και παραμορφώσεων της αρτηρίας και η σύγκριση με την κατάσταση σε υγιή αρτηρία ώστε να διατυπώσουμε ένα εργαλείο έγκαιρης διαχείρισης της ασθένειας.Summarization: The present work belongs to the field of bioengineering, a science which combines engineering with biology. In our thesis, a section of a human aorta that has suffered an aneurysm (clot) is simulated. We investigate how the artery wall is affected in the occurrence of the phenomenon. The aorta is a tube-shaped structure of the body whose role is to carry blood to each organ and return it to it by circulating it. The oxygen, hormones and nutrients necessary for the survival of the human body are also transported through arteries. By thrombus, we mean the blockage of an artery by low-density lipoprotein cholesterol. In our model, the aorta segment has one blood inlet and two blood outlets defined by a shell. The simulation was carried out in COMSOL software which uses the finite element method for calculations. The aortas were not built in the program itself but are actual simulations from MRIs of patients with thrombus that we import into the software. In total, we simulate three models of an aorta segment. In these models, blood flow bifurcates into two sub flows. For the design in the computational exercise, we considered the linear isotropic elastic material model. We simulated a total of three aorta-clog segments from different patients and then compared the stress and strains in arteries with a healthy artery to see what happens to the walls of the arteries when a clot forms inside them. The target is to simulate as realistically as possible the arteries that have aneurysms, to calculate the stresses and deformations of the artery. Comparing the results with the healthy artery may lead to formulating a tool for estimation of rupture and eventually suitable early treatment ofthe disease