Αιμοδυναμική ανάλυση πεδιών ροής σε ανεύρισμα κοιλιακής και ενδοαγγειακό μόσχευμα: μελέτη σε μοντέλο πραγματικής γεωμετρίας

Abstract

Το ανεύρυσμα της κοιλιακής αορτής αποτελεί διόγκωση του αυλού και του τοιχώματος της αρτηρίας, που οφείλεται σε βλάβη του τοιχώματος της αρτηρίας. Με την πάροδο του χρόνου και την εξασθένηση του τοιχώματος σε συνδυασμό με τη πίεση του αίματος, υπάρχει ο κίνδυνος το αγγείο να διαρραγεί με αποτέλεσμα την εσωτερική αιμορραγία η οποία είναι εξαιρετικά απειλητική για τη ζωή του ασθενούς. Για την ανάπτυξη του ανευρύσματος έχει κατηγορηθεί από παλιά η παρουσία στο αγγείο της αθηροσκλήρωσης, ο ρόλος της οποίας δεν έχει ακόμη πλήρως διασαφηνισθεί. Για την ανάπτυξη της δε, σημαντικό ρόλο παίζουν τα ρευστοδυναμικά φαινόμενα του αίματος, όπως ανακυκλοφορίες και δίνες, που αναπτύσσονται στην περιοχή του αγγείου. Επίσης λόγω ανάλογων αιμοδυναμικών φαινομένων εμφανίζεται στο αγγείο ο ενδοαγγειακός θρόμβος, ο οποίος υπάρχει περίπτωση να καταλαμβάνει μεγάλο όγκο του αυλού ροής. Για να προληφθεί η ρήξη του ανευρύσματος έχει αναπτυχθεί μια νέα ελάχιστα επεμβατική τεχνική αποκατάστασης η οποία περιλαμβάνει την τοποθέτηση ενδοαγγειακού μοσχεύματος στον αυλό της κοιλιακής αορτής. Το μόσχευμα αυτό συγκρατείται στη θέση του μέσω της τριβής με το αγγειακό τοίχωμα, ενώ ορμή του αίματος τείνει να το μετατοπίσει, με αποτέλεσμα την επαναφορά του κινδύνου ρήξης του ανευρύσματος. Στη παρούσα εργασία εξετάσθηκαν τα φαινόμενα και οι επιδράσεις της ροής του αίματος που μπορούν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη θρόμβωσης ή ρήξη στο ανευρύσματος κοιλιακής αορτής ή στη μετατόπιση τοποθετημένου ενδοαγγειακού μοσχεύματος. Η μοντελοποίηση του προβλήματος περιελάμβανε την εφαρμογή πειραματικών δεδομένων για τη ταχύτητα του αίματος σε έναν πλήρη καρδιακό κύκλο στην κοιλιακή αορτή και χρήση μοντέλου μη νευτώνιου ρευστού για το αίμα. Η μελέτη των παραπάνω προβλημάτων έγινε με τη χρήση του εμπορικού πακέτου ANSYS 12. Οι γεωμετρίες στις οποίες εξετάσθηκαν όλα τα αιμοδυναμικά φαινόμενα ήταν πραγματικές γεωμετρίες κοιλιακής αορτής με ανεύρυσμα, οι οποίες εξήχθηκαν με τη μέθοδο της τρισδιάστατης αναδόμησης και τη χρήση του εμπορικού πακέτου MIMICS της Materialise NV, από αξονικές τομογραφίες ασθενούς. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η τα φαινόμενα ανακυκλοφοριών και δινών συνδέονται με τη περιοχή όπου έχει αναπτυχθεί το ανεύρυσμα. Επίσης η περιοχή όπου έχει αναπτυχθεί ο μεγαλύτερος όγκος της θρόμβου και αθηρωματικής πλάκας σχετίζεται με μεγάλη διακύμανση της διατμητικής τάσης καθώς επίσης και με παραμένουσες μηδενικές τάσεις για το μεγαλύτερο μέρος του καρδιακού κύκλου. Οι πιέσεις έχουν γραμμική συμπεριφορά κατά τη κατεύθυνση του άξονα z και είναι φθίνουσα ή αύξουσα ανάλογα με την φάση επιτάχυνσης ή επιβράδυνσης της ροής. Τέλος για το ενδοαγγειακό μόσχευμα βρέθηκε ότι η μέγιστη δύναμη είναι περίπου 2.48 N κατά τον άξονα τον z, η οποία σύμφωνα με τη βιβλιογραφία είναι ασφαλής για τη μη μετατόπιση του μοσχεύματος.

Abdominal aortic aneurysm is dilatation of the wall and lumen of the healthy aorta, caused by damage of the aortic wall. During time rupture might occur due to the weekend wall combined with the aortic pressure, resulting in life threatening hemorrhage. Aneurysm formation is long associated with the presence of atherosclerosis on the vessel’s wall, the role of witch is not yet fully understood. Significant role in creation and growth of atherosclerosis play the hemodynamic phenomena, e.g. recirculations and vortexes, that take place in the vessel’s lumen. In order to prevent abdominal aortic aneurysm’s rupture a minimally invasive method has been developed, which consists of the placement of an intraluminal graft, called the endograft. Friction is the main force that restraints the graft into position, whilst blood’s momentum tends to displace it, restoring that way a hazardous situation for aneurysm rupture. In this thesis, blood’s flow phenomena and effects are studied that may cause either formation of atherosclerosis or rupture of an abdominal aortic aneurysm or displacement of the graft in the case of endovascular repair. This problem’s modelling embodies the use of experimental measurements of blood flow rates in abdominal aorta, as well as non-Newtonian blood model. For the computational analysis ANSYS 12 commercial solver was used. The geometries in which the hemodynamic phenomena were studied, were extracted from a patient’s computational tomography scans (CT-scans), using MIMICS, by Materialise NV, 3D reconstruction commercial software. The results showed that flow field’s phenomena, such us vortexes and rotary flow, are correlated with the area of the aneurysm with the largest diameter. Also the area where atherosclerosis had it’s largest volume, is related with pulmonary wall shear for during 40% of the cardiac cycle, while during the rest of the cardiac cycle wall shear remains practically zero. Pressure distribution along z axis is monotonous according with ascending or descending order, according to the phase of the cardiac cycle. Finally it was found that the maximun force applied on the endovascular graft of this occasion is 2.48 N, which appears to be safe for the migration of endograft, while in case of hypertension can icrease conciderably.