Hemodynamic study in a real intracranial aneurysm: an in vitro and in silico approach

Mestrado de dupla diplomação com o Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca - Cefet/RJIntracranial aneurysm (IA) is a cerebrovascular disease with high rates of mortality and morbidity when it ruptures. It is known that changes in the intra-aneurysmal hemodynamic load play a significant factor in the development and rupture of IA. However, these factors are not fully understood. In this sense, the main objective of this work is to study the hemodynamic behavior during the blood analogues flow inside an AI and to determine its influence on the evolution of this pathology. To this end, experimental and numerical studies were carried out, using a real AI model obtained using computerized angiography. In the experimental approach, it was necessary, in the initial phase, to develop and manufacture biomodels from medical images of real aneurysms. Two techniques were used to manufacture the biomodels: rapid prototyping and gravity casting. The materials used to obtain the biomodels were of low cost. After manufacture, the biomodels were compared to each other for their transparency and final structure and proved to be suitable for testing flow visualizations. Numerical studies were performed with the aid of the Ansys Fluent software, using computational fluid dynamics (CFD), using the finite volume method. Subsequently, flow tests were performed experimentally and numerically using flow rates calculated from the velocity curve of a patient's doppler test. The experimental and numerical tests, in steady-state, made it possible to visualize the three-dimensional behavior of the flow inside the aneurysm, identifying the vortex zones created throughout the cardiac cycle. Correlating the results obtained in the two analyzes, it was possible to identify that the areas of vortexes are characterized by low speed and with increasing the fluid flow, the vortexes are positioned closer to the wall. These characteristics are associated with the rupture of an intracranial aneurysm. There was also a good qualitative correlation between numerical and experimental results.O aneurisma intracraniano (AI) é uma patologia cerebrovascular com altas taxas de mortalidade e morbidade quando se rompe. Sabe-se que alterações na carga hemodinâmica intra-aneurismática exerce um fator significativo no desenvolvimento e ruptura de AI, porém, esses fatores não estão totalmente compreendidos. Nesse sentido, o objetivo principal deste trabalho é o de estudar o comportamento hemodinâmico durante o escoamento de fluidos análogos do sangue no interior de um AI e determinar a sua influência na evolução da patologia. Para tal, foram realizados estudos experimentais e numéricos, utilizando um modelo de AI real obtido por meio de uma angiografia computadorizada. Na abordagem experimental foi necessário, na fase inicial, desenvolver e fabricar biomodelos a partir de imagens médicas de um aneurisma real. No fabrico dos biomodelos foram utilizadas duas técnicas: a prototipagem rápida e o vazamento por gravidade. Os materiais utilizados para a obtenção dos biomodelos foram de baixo custo. Após a fabricação, os biomodelos foram comparados entre si quanto à sua transparência e estrutura final e verificou-se serem adequados para testes de visualizações do fluxo. Os estudos numéricos foram realizados com recurso ao software Ansys Fluent, utilizando a dinâmica dos fluidos computacional (CFD), através do método dos volumes finitos. Posteriormente, foram realizados testes de escoamento experimentais e numéricos, utilizando caudais determinados a partir da curva de velocidades do ensaio doppler de um paciente. Os testes experimentais e numéricos, em regime permanente, possibilitaram a visualização do comportamento tridimensional do fluxo no interior do aneurisma, identificando as zonas de vórtices criadas ao longo do ciclo cardíaco. Correlacionando os resultados obtidos nas duas análises, foi possível identificar que as áreas de vórtices são caracterizadas por uma baixa velocidade e com o aumento do caudal os vórtices posicionam-se mais próximos da parede. Essas características apresentadas estão associadas com a ruptura de aneurisma intracraniano. Verificou-se, também, uma boa correlação qualitativa entre os resultados numéricos e experimentais