Atheroma plaque vulnerability based in a 3D idealized parametric geometry

Las enfermedades cardiovasculares constituyen la primera causa de mortalidad en los países desarrollados, así como en la práctica totalidad de los países en desarrollo. Dentro de las patologías cardiovasculares, una de las enfermedades que mas muertes causan hoy en día es la aterosclerosis. Dicha enfermedad consiste en la degeneración progresiva y crónica del engrosamiento y endurecimiento de la pared arterial como resultado de la acumulación de depósitos de grasa, colesterol y otras sustancias en la pared interna del vaso. Estas sustancias forman estructuras duras llamadas placas de ateroma y en ellas se puede diferenciar diferentes composiciones; calcificación, lípidos y tejido fibroso. Con el tiempo, si estas placas son vulnerables pueden romperse y provocar la formación de coagulos sanguíneos que bloquean el flujo sanguíneo desencadenando diferentes eventos tales como infartos, trombos o gangrena. La importancia de identificar la placa vulnerable antes de su rotura sigue siendo un reto para la medicina. Actualmente el diagnostico se puede realizar por métodos no invasivos, tales como es determinar la presencia de factores de riesgo, marcadores de vulnerabilidad de la placa, y métodos invasivos como es la angioscopia. Aunque existen varios métodos, no existe uno que nos dé toda la información morfológica y de actividad de la placa necesaria. El objetivo principal de este trabajo es el estudio y modelado de vasos sanguíneos, concretamente de una coronaria, afectados por aterosclerosis. Para ello, se ha desarrollado un estudio parametrico en tres dimensiones (3D) de los factores geométricos en la vulnerabilidad de la placa de ateroma y de la influencia de las tensiones residuales. Los modelos en 3D nos permiten incluir los efectos producidos por las tensiones residuales. Con dichos modelos se van a estudiar tres situaciones diferentes; sin tensiones residuales, considerando tensiones residuales en dirección longitudinal y por ultimo, considerando tensiones residuales tanto en dirección longitudinal como circunferencial. De este modo, se podra identicar el papel que juegan las tensiones residuales en la vulnerabilidad de la placa de ateroma y definir límites de vulnerabilidad para cada uno de los parámetros considerados. Los modelos se han simulado mediante elementos finitos con el software comercial ABAQUS. Los resultados obtenidos, nos permiten ir un paso mas allá en el diagnóstico preventivo y en la planicación preoperatoria en aplicaciones cardiovasculares. Con el fin de validar el modelo, se ha reconstruido mediante el software comercial MIMICS una geometría real a partir de un IVUS (ultrasonido intravascular) de un paciente adulto con placa de ateroma. Tras la reconstrucción se han medido los parámetros estudiados en la geometra real y la hemos comparado con el correspondiente caso paramétrico de parametros similares

Modelado numérico de un filtro antitrombo

El objetivo principal del presente proyecto es el desarrollo de un modelo numérico para el estudio de la funcionalidad de dos geometrías diferentes del filtro comercial Günther-Tulip colocados sobre la vena cava inferior. Para ello se van a modelar tanto las geometrías de los filtros como la del vaso y el flujo sanguíneo. Posteriormente se van a realizar diversas mallas numéricas y se llevará a cabo un análisis de sensibilidad de la malla computacioanl para garantizar que los resultados sean independientes del tipo de discretización numérica. Por último, se ejecutarán diferentes simulaciones CFD con el código comercial ANSYS-CFX para evaluar las prestaciones de este programa en el análisis de estos tipos de problemas

Análisis numérico del flujo sanguíneo en la bifurcación de la arteria coronaria izquierda

Las enfermedades cardiovasculares constituyen la primera causa de muerte en España [1]. La aterosclerosis es la causa principal de este grupo de enfermedades del corazón y los vasos sanguíneos [2]. La aparición y la progresión de la enfermedad aterosclerótica están en relación con una predisposición genética asociada con factores de riesgo cardiovascular, como el tabaco, la hipertensión arterial,... Las diferentes fases de progresión de las placas ateroscleróticas ya han sido definidas, pero todavía no se conocen bien los factores relacionados con la naturaleza y la velocidad de progresión de una determinada placa aterosclerótica [3]. De hecho, la aterosclerosis es una enfermedad con una distribución muy desigual e importantes variaciones en la localización y la evolución de las diferentes placas. Por ejemplo, en el árbol coronario se ha indicado una progresión preferente de las placas en segmentos con bifurcaciones, así como en la curva interna de las arterias coronarias [3]. Por otra parte, se desconoce por qué algunas placas permanecen quiescentes durante años, mientras que otras presentan una rápida progresión. Todo ello invita a pensar que, independientemente de los factores sistémicos, la presencia de factores hemodinámicos locales, como la tensión de cizallamiento (WSS), debe desempeñar un papel importante en la generación, progresión y desestabilización de las placas ateroscleróticas [3]. En 1969, Caro et al [4] ya demostraron la relación entre la disminución del WSS vascular y la aterosclerosis. Posteriormente, numerosos estudios han confirmado que la generación y la progresión de las placas ateroscleróticas tienden a producirse en zonas vasculares con baja tensión de cizallamiento. Stone et al [5] estudiaron los efectos del WSS en la progresión de la placa aterosclerótica en las arterias coronarias. Las zonas de bajo WSS presentaron un incremento significativo de la placa aterosclerótica y del área vascular, las zonas con un WSS fisiológico no mostraron cambios significativos y las zonas sometidas a un alto WSS no presentaron cambios en la placa de ateroma. La importancia de este estudio radicaba en relacionar un factor dinámico (como el WSS) en el ámbito coronario, con la subsiguiente progresión de la placa aterosclerótica [3]. Las grandes bifurcaciones coronarias están predispuestas a la aparición de aterosclerosis (Nichols and O’Rourke, 1998; Asakura and Karino, 1990; Debakey et al 1985) debido a factores como el bajo WSS [6]. El ángulo de bifurcación (α) es un factor importante que puede afectar a los parámetros hemodinámicos en las bifurcaciones (Ku, 1997), un aumento de α induce a unas peores condiciones hemodinámicas [6]. Según esto, numerosos estudios realizados [6] aseguran que el ángulo de bifurcación coronaria (α) es determinante en la aparición de aterosclerosis. Pese a estas afirmaciones, los resultados obtenidos de este estudio no han sido determinantes en la aparición de bajos valores de WSS, aunque sí se ha podido observar una cierta tendencia a que esta variable hemodinámica disminuya al aumentar α. Por otro lado, el reconocimiento clínico de tortuosidad vascular anormal es importante en el diagnóstico de enfermedades [7], dado que muchas están afectadas por la morfología de los vasos sanguíneos. La estimación de la tortuosidad de los vasos grandes es importante en la evaluación de la aterosclerosis [7]. Además, las lesiones tempranas de aterosclerosis se desarrollan preferentemente en las bifurcaciones, puntos de ramificación y regiones de alta curvatura del árbol arterial [8]. Este Proyecto Fin de Carrera se centra en el análisis del flujo sanguíneo, modelizado como no newtoniano, a su paso por la bifurcación de la arteria coronaria izquierda. Para el cual, previamente, se ha llevado a cabo un modelado en 3D de los distintos casos de geometrías de bifurcaciones de las arterias coronarias izquierdas; todos ellos casos reales, a partir de su geometría inicial. El objetivo de modificar dichas geometrías se debe a la carencia de forma fisiológica que presentaban inicialmente tal y como fueron facilitadas. Además, tras el modelado de los distintos casos, se ha realizado un mallado para el posterior análisis numérico de las distintas geometrías de las bifurcaciones. Para el desarrollo de todo lo citado anteriormente, se ha requerido del uso de programas como Rhinoceros para el modelado en 3D, de ANSYS ICEM para el mallado de las geometrías y de ANSYS CFX para la simulación del fluido no newtoniano por la bifurcación de la coronaria y posterior análisis

Optimización fluido-dinámica de un stent de tráquea

Estudio por elementos finitos y CFD de un stent de tráquea con diferentes modificaciones con el objetivo de lograr la optimización del flujo de aire circulante

Análisis comparativo de dos modelos de stents traqueales

El objetivo de proyecto es realizar una comparación mediante elementos nitos de las deformaciones y tensiones producidas en el tejido traqueal al introducir un stent, con el n de determinar los daños producidos. Los stents son dispositivos con forma de muelle; el objetivo de su colocación es abrir el interior de la tráquea que se ha estrechado, para facilitar el paso de aire por esta. En concreto los modelos de stents analizados en este proyecto se utilizan también para problemas cardiovasculares ya que son stents metálicos sin recubrimiento de silicona. En este estudio compararemos dos modelos de stents de dos empresas distintas. El primero de ellos es de la empresa Boston Scientic. Se trata del stent denominadoWallstent, el cuál se teje a partir de una malla de lamentos continuos de una aleación denominada Elgiloy. El segundo stent es de la empresa Cook Medical. El modelo se denomina Zilver Flex, se trata de un stent segmentado, compuesto a partir de segmentos de anillo en zigzag que solo se unen parcialmente mediante un puente en la dirección longitudinal. En todos los cálculos que se han realizado durante el proyecto se ha simulado una tráquea de conejo simplicada, es decir, asemejamos un tramo de la tráquea por un cilindro en el que diferenciamos dos materiales, cartílago y músculo. Ambos tienen forma de C y se van intercalando a lo largo de toda la tráquea, la zona de cartílago mide 3 mm de alto y la de músculo 2 mm. Para acabar de cerrar el cilindro se dispone de otra zona de músculo que recorre la tráquea de forma longitudinal con una anchura de 2.5 mm. Para poder simular un ciclo de respiración de un conejo, se hizo un cálculo previo donde se calculaba la expansión de los stents desde su posición inicial, cuyo diámetro era el mismo que el de la tráquea hasta su posición nal. Esta posición nal supone que es stent ha aumentado su diámetro en 0.8 mm. Una vez que los stent han sido expandidos modicamos la malla de la tráquea, para poder realizar los cálculos del ciclo de respiración con la malla deformada. Para ello le sumamos a cada coordenada de cada nodo el desplazamiento sufrido durante la expansión. Para el ciclo de respiración se realizaron tres tipos de cálculo, uno sin condición uidoestructura para comprobar que los modelos convergían bien, otro con la condición uidoestructura y por ultimo un cálculo con la condición uido-estructura pero con una tráquea tres veces mas larga para que el uido tenga tiempo suciente para desarrollarse. Una vez que se han realizado todos los cálculos, se realiza una validación del estudio numérico con imágenes obtenidas experimentalmente: en particular se compararon las soluciones obtenidas con unas imágenes endoscopicas facilitadas por el hospital veterinario de la Universidad de Zaragoza

Análisis de la fluidodinámica de la vena cava en maniobra de neutra y valsalva: Estudio de la influencia de filtros antitrombóticos

Los filtros antitrombos de vena cava son usados para prevenir el tromboembolismo pulmonar, especialmente en aquellos pacientes que no pueden ser tratados con anticoagulantes. En el presente trabajo se va a realizar un análisis fluidodinámico de vena cava paciente específico tanto en estado de respiración normal como en maniobra de valsalva. Además se estudiará la funcionalidad y la influencia de diferentes prototipos comerciales de filtros anitrombos en los dos estados anteriormente citados. Para ello se analizarán sus efectos sobre el flujo sanguíneo y sobre la tensión tangencial en la pared del vaso usando la técnica CFD. Concretamente se realizará el modelado de dos tipologías diferentes del filtro comercial Günther-Tulip

Salbutamol transport and deposition in the upper and lower airway with different devices in cats: a computational fluid dynamics approach

Pressurized metered-dose inhalers (pMDI) with or without spacers are commonly used for the treatment of feline inflammatory airway disease. During traditional airways treatments, a substantial amount of drugs are wasted upstream of their target. To study the efficiency of commonly used devices in the transport of inhaled salbutamol, different computational models based on two healthy adult client-owned cats were developed. Computed tomographic images from one cat were used to generate a three-dimensional geometry, and two masks (spherical and conical shapes) and two spacers (10 and 20 cm) completed the models. A second cat was used to generate a second model having an endotracheal tube (ETT) with and without the same spacers. Airflow, droplet spray transport, and deposition were simulated and studied using computational fluid dynamics techniques. Four regions were evaluated: device, upper airways, primary bronchi, and downstream lower airways/parenchyma ('lung'). Regardless of the model, most salbutamol is deposited in devices and/or upper airways. In the first model, particles reaching the lung varied between 5.8 and 25.8%. Compared with the first model, pMDI application through the ETT with or without a spacer had significantly higher percentages of particles reaching the lung (p = 0.006).Mauro Malvè and Rocío Fernández-Parra gratefully acknowledge the support of the Spanish Ministry of Economy, Industry, and Competitiveness through the research project DPI2017-83259-R (AEI/FEDER, UE)

Modelling particle transport and deposition in the human healthy and stented tracheobronchial airways

The main goal of this study is the quantification of the particle transport and deposition within the human airways during light, normal and exercise breathing conditions using the computational fluid dynamics. In particular we presented a comparison between healthy and stented airways. The considered tracheobronchial model is based on the Weibel symmetric model in which we have inserted the Dumon prosthesis at different locations and on the CT- based geometries of a healthy and a stented airway. The results indicate an important redistribution of the particle deposition locations. Local overdoses can be found in the proximal regions of the prostheses, independently of the breathing conditions, of the particle size and of the considered geometry. The presented work is aimed to contribute to the understanding of the particle deposition in the human lung and to improve drug-aerosol therapies. For patients that underwent airways reconstructive surgery, it can give detailed information about the deposition efficiency and it may help targeting specific airways regions.The authors gratefully acknowledge the support of the Spanish Ministry of Industry and Competitiveness through the research Project DPI2017-83259-R (AEI/FEDER,UE)