Mechanical Characterization of the Vessel Wall by Data Assimilation of Intravascular Ultrasound Studies

Atherosclerotic plaque rupture and erosion are the most important mechanisms underlying the sudden plaque growth, responsible for acute coronary syndromes and even fatal cardiac events. Advances in the understanding of the culprit plaque structure and composition are already reported in the literature, however, there is still much work to be done toward in-vivo plaque visualization and mechanical characterization to assess plaque stability, patient risk, diagnosis and treatment prognosis. In this work, a methodology for the mechanical characterization of the vessel wall plaque and tissues is proposed based on the combination of intravascular ultrasound (IVUS) imaging processing, data assimilation and continuum mechanics models within a high performance computing (HPC) environment. Initially, the IVUS study is gated to obtain volumes of image sequences corresponding to the vessel of interest at different cardiac phases. These sequences are registered against the sequence of the end-diastolic phase to remove transversal and longitudinal rigid motions prescribed by the moving environment due to the heartbeat. Then, optical flow between the image sequences is computed to obtain the displacement fields of the vessel (each associated to a certain pressure level). The obtained displacement fields are regarded as observations within a data assimilation paradigm, which aims to estimate the material parameters of the tissues within the vessel wall. Specifically, a reduced order unscented Kalman filter is employed, endowed with a forward operator which amounts to address the solution of a hyperelastic solid mechanics model in the finite strain regime taking into account the axially stretched state of the vessel, as well as the effect of internal and external forces acting on the arterial wall. Due to the computational burden, a HPC approach is mandatory. Hence, the data assimilation and computational solid mechanics computations are parallelized at three levels: (i) a Kalman filter level; (ii) a cardiac phase level; and (iii) a mesh partitioning level. To illustrate the capabilities of this novel methodology toward the in-vivo analysis of patient-specific vessel constituents, mechanical material parameters are estimated using in-silico and in-vivo data retrieved from IVUS studies. Limitations and potentials of this approach are exposed and discussed.Fil: Maso Talou, Gonzalo Daniel. Laboratorio Nacional de Computacao Cientifica; BrasilFil: Blanco, Pablo Javier. Laboratorio Nacional de Computacao Cientifica; BrasilFil: Ares, Gonzalo Damián. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica. Grupo de Ingeniería Asistida Por Computador; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata; ArgentinaFil: Guedes Bezerra, Cristiano. Heart Institute (Incor); BrasilFil: Lemos, Pedro A.. Heart Institute (Incor); BrasilFil: Feijóo, Raúl Antonino. Laboratorio Nacional de Computacao Cientifica; Brasi

Un Modelo No Lineal de la Dinámica del Flujo Sanguíneo y la Pared Arterial

Con tendencia creciente, el modelado computacional se está empleando para evaluar causas, predecir el desarrollo y optimizar tratamientos de varias patologías del sistema arterial. Esto debido principalmente a la potencialidad de estas técnicas para producir información cada vez más realista, con un mejor nivel de detalle y mejor precisión. Más aún, los modelos computacionales personalizados -específicos para cada paciente- se han vuelto atractivos para médicos e investigadores debido a que aportan información de relevancia para las evaluaciones clínicas a bajo costo. Sin embargo, los resultados del modelado computacional son altamente dependientes de la complejidad y realismo de las hipótesis simplificativas y también de la precisión de las representaciones geométricas. En el caso particular de la hemodinámica de distritos arteriales paciente-específicos, el problema de interacción fluido estructura asociado presenta ciertos obstáculos relacionados con las características altamente nolineales de las ecuaciones gobernantes que deben ser abordados adecuadamente. Otro aspecto a ser considerado cuando se requiere evaluar las tensiones en la pared arterial, es que las geometrías obtenidas de imágenes médicas corresponden a configuraciones espaciales que no concuerdan con la configuración libre de cargas. Consecuentemente, esto puede llevar a evaluaciones incorrectas de los niveles de tensión parietal. Con estas cuestiones como guía, en este trabajo desarrollamos un modelo computacional de la pared arterial -considerada como un material hiperelástico- basado en una configuración deformada, por ejemplo la configuración diastólica. Esto se realiza para tener en cuenta las caracteristicas geométricas apropiadas de los distritos arteriales con el objetivo de mejorar la precisión de las deformaciones y las tensiones calculadas. De esta manera, el problema del equilibrio es planteado en una configuración predeformada y con precarga. La correspondiente formulación es linealizada asumiendo conocida dicha configuración espacial. Además, se plantea el problema de acoplamiento fluido estructura asumiendo como conocida la misma configuración diastólica. En este contexto, es provista una linealización completa tanto para la descripción ALE en la subregión de fluido como para el problema de equilibrio del sólido. Las ecuaciones resultantes son discretizadas mediante el método de Elementos Finitos. Finalmente, esta formulación es utilizada para evaluar la respuesta mecánica de un segmento arterial sujeto a cargas hemodinámicas realistas.Fil: Urquiza, Santiago Adrian. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica; Argentina. Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica; BrasilFil: Aguero Parosi. Nicolas F.. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica; ArgentinaFil: Caballero, Daniel. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica; ArgentinaFil: Lombera, Guillermo Alfredo. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Blanco, Pablo Javier. Laboratório Nacional de Computação Científica. Petrópolis; Brasil. Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica; BrasilFil: Ares, Gonzalo Damián. Laboratório Nacional de Computação Científica. Petrópolis; Brasil. Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica; BrasilFil: Feijoo, Raul A.. Laboratório Nacional de Computação Científica. Petrópolis; Brasil. Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica; Brasi

Identification of residual stresses in multi-layered arterial wall tissues using a variational framework

In the past decades a considerable amount of literature has been published addressing the study of the mechanical behavior of arterial walls. Ex-vivo experimentation made possible the development of constitutive models and the characterization of material parameters contributing to the understanding of the mechanobiological response of vascular tissues. Moreover, the existence of residual stresses in configurations free of load was revealed, and its impact in the general stress state of the tissue was quantified. In recent years, data assimilation techniques have seen a rapid development in cardiovascular modeling field, primarily focusing on the estimation of material parameters for arterial wall segments using information provided by medical imaging as well as by in-vitro settings. However, concerning the estimation of residual stresses, this research field is in its early stages, and much work is still required for the full functional characterization of arterial tissues. In this context, a conceptual variational framework for the development of residual stress estimation tools is proposed. Particularly, a variational formulation for the characterization of residual deformations and the associated stresses in arterial walls, based on full displacement field measurements of the vessel, is presented. Considering as known data the material parameters characterizing the behavior of the tissue and a set of arterial wall configurations at equilibrium with well defined pressure loads, we propose a cost functional that measures the mechanical imbalance caused by the lack of knowledge of residual stresses. In this manner, the characterization of residual stresses becomes a problem of minimizing such cost functional. Three numerical examples are presented highlighting the potential of the proposed approach. Among these examples, the characterization of residual stresses in a cylindrical geometry representing a three-layered aorta artery is performed.Fil: Ares, Gonzalo Damián. Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica; Brasil. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Blanco, Pablo Javier. Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica; BrasilFil: Urquiza, Santiago Adrian. Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica; Brasil. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Feijóo, Raúl Antonino. Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica; Brasi

Implementación de una Formulación de Bajo Orden para Materiales Incompresibles en Hemodinámica

Es un hecho conocido que las formulaciones de elementos finitos de bajo orden presentan comportamientos anómalos al modelar materiales cercanos al límite de la incompresibilidad. En tales situaciones, aparecen oscilaciones espurias y locking como consecuencia de la incapacidad de este tipo de elementos para representar adecuadamente campos que preserven el volumen. Aun así, suele preferirse el uso de estos elementos en problemas a gran escala debido a su simplicidad y bajo coste computacional. Muchas alternativas vienen siendo propuestas para adecuar estas formulaciones en torno al límite de la incompresibilidad. En problemas geométricamente lineales existen diversas formulaciones que funcionan exitosamente; sin embargo en regímenes no lineales la incompresibilidad es considerablemente más demandante, y el desarrollo de elementos eficientes y robustos no es directo de ninguna manera. Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, se analiza el comportamiento numérico del elemento denominado F-bar. Este elemento es utilizado en varios casos de prueba con soluciones conocidas en la literatura, poniéndose en evidencia que presenta buen desempeño para la captura de los campos de desplazamientos, pero mostrando modos espurios en los campos de presiones. Finalmente se aplica esta formulación en un problema de hemodinámica computacional: simulación de un segmento de pared arterial carótida humana bajo la aplicación de presión interna.Fil: Aranciaga, Joaquín. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica; ArgentinaFil: Caballero, Daniel. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica; ArgentinaFil: Aguero Parisi, Nicolas F. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica; ArgentinaFil: Lombera, Guillermo Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica; ArgentinaFil: Blanco, Pablo Javier. Laboratório Nacional de Computação Científica, Petropolis; Brasil. Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica; BrasilFil: Ares, Gonzalo Damián. Laboratório Nacional de Computação Científica, Petropolis; Brasil. Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica; BrasilFil: Urquiza, Santiago Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecanica; Argentina. Laboratório Nacional de Computação Científica, Petropolis; Brasi

A simple coronary blood flow model to study the collateral flow index

In this work, we present a novel modeling framework to investigate the effects of collateral circulation into the coronary blood flow physiology. A prototypical model of the coronary tree, integrated with the concept of Collateral Flow Index (CFI), is employed to gain insight about the role of model parameters associated with the collateral circuitry, which results in physically-realizable solutions for specific CFI data. Then, we discuss the mathematical feasibility of pressure-derived CFI, anatomical implications and practical considerations involving the estimation of model parameters in collateral connections. A sensitivity analysis is carried out, and the investigation of the impact of the collateral circulation on FFR values is also addressed.Fil: Blanco, Pablo Javier. No especifíca;Fil: Bulant, Carlos Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; ArgentinaFil: Ares, Gonzalo Damián. Universidad Nacional de Mar del Plata; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Lemos, Pedro A.. No especifíca;Fil: Feijóo, Raúl Antonino. No especifíca