Ascending aortic aneurysm parametric modeling and computational study of the aortic wall stress state

Σεφερλής, Κωνσταντίνος; Seferlis, Konstantinos

dc.contributor.author	Σεφερλής, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Seferlis, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2020-11-18T09:07:07Z
dc.date.available	2020-11-18T09:07:07Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51935
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19633
dc.rights	Default License
dc.subject	Cardiovascular mechanics	en
dc.subject	Aneurysm	en
dc.subject	Aorta	en
dc.subject	Modeling	en
dc.subject	Finite element analysis	en
dc.subject	Ανεύρυσμα	el
dc.subject	Αορτή	el
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων	el
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.title	Ascending aortic aneurysm parametric modeling and computational study of the aortic wall stress state	en
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Παραμετρική μοντελοποίηση ανευρύσματος ανιούσης αορτής και υπολογιστική μελέτη της εντατικής κατάστασης του τοιχώματος	el
heal.classification	Biomedical Engineering	en
heal.classification	Βιοϊατρική Μηχανική	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10-29
heal.abstract	Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο την μελέτη της φόρτισης του τοιχώματος ανευρύσματος ανιούσης αορτής σε φυσιολογική και υπερτασική εντατική κατάσταση κατά την καρδιακή συστολή. Σε πρωταρχικό στάδιο έγινε συλλογή δεδομένων και γεωμετρικών χαρακτηριστικών από τη διεθνή βιβλιογραφία και έπειτα από επεξεργασία και προσαρμογή αυτών στις ανάγκες του εξεταζόμενου θέματος, προχωρήσαμε στο σχεδιασμό των αορτικών μοντέλων. Οι γεωμετρίες που σχεδιάστηκαν αποτελούν εξιδανικευμένα μοντέλα της ανθρώπινης αορτής. Έπειτα από βιβλιογραφική διερεύνηση, βρέθηκε ότι το μέγεθος των αγγείων συνδέεται αναλογικά με τη σωματική διάπλαση του ανθρώπου, και πως είναι σύνηθες να ορίζεται το Εμβαδόν Επιφάνειας Σώματος (Body Surface Area) (m2), ως δείκτης για την ποσοτικοποίηση του μεγέθους του ανθρώπινου σώματος. Για τον λόγο αυτό, επιλέχθηκαν τέσσερις χαρακτηριστικές τιμές εμβαδού επιφάνειας σώματος με τέτοιο τρόπο ώστε να καλύπτεται όλο το φάσμα των ανθρώπινων σωματικών διαπλάσεων και εν συνεχεία κατασκευάστηκαν τέσσερα μοντέλα φυσιολογικής αορτής, καθένα από τα οποία αντιστοιχούσε σε μια από αυτές τις τιμές. Το επόμενο βήμα ήταν να σχεδιαστούν οι παθολογικές γεωμετρίες, δηλαδή τα ανευρυσματικά μοντέλα. Βασικό χαρακτηριστικό προσδιορισμού ενός ανευρύσματος είναι η μέγιστη διάμετρος του. Συμπερασματικά, σημαντική προϋπόθεση για την διεκπεραίωση μιας ολοκληρωμένης μελέτης είναι η σύγκριση ανευρυσμάτων διαφορετικού μεγέθους. Για αυτό τον λόγο, οι αρχικές, φυσιολογικές γεωμετρίες τροποποιήθηκαν και για καθεμία από αυτές σχεδιάστηκαν περίπου έξι διαφορετικά ανευρυσματικά μοντέλα. Τα παθολογικά, αορτικά μοντέλα, επομένως, παραμετροποιήθηκαν σύμφωνα με την διάμετρο ανευρύσματος. Παράλληλα, αποκτήθηκαν δεδομένα αξονικών τομογραφιών από ασθενή που έπασχε από ανεύρυσμα ανιούσης αορτής. Η επεξεργασία και η σύνθεση των δεδομένων αυτών πραγματοποιήθηκε στο εμπορικό πακέτο MIMICS όπου επιτεύχθηκε ανακατασκευή του πραγματικού ανευρυσματικού αγγείου. Έτσι λοιπόν, έγινε δυνατή η μελέτη των εξιδανικευμένων μοντέλων σε σύγκριση με μια πραγματική παθολογική γεωμετρία. Η μελέτη αυτή έγινε μέσω της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων με τη χρήση του δημοφιλούς λογισμικού ANSYS R19.0. Αρχικά, εισαγάγαμε τις γεωμετρίες στο πρόγραμμα και αφού θέσαμε τις απαραίτητες συνοριακές συνθήκες προχωρήσαμε στη φόρτιση του αορτικού αυλού με φυσιολογική (120mmHg) και υπερτασική (240 mmHg) συστολική πίεση. Η προσομοίωση για το μοντέλο ασθενούς έγινε στο πακέτο FEBio υπό τις ίδιες ακριβώς συνθήκες. Ομοίως, η επιλογή των ελαστικών ιδιοτήτων ήταν η ίδια και στις δύο περιπτώσεις θεωρώντας το υλικό ως ελαστικό και ισότροπο. Με την ολοκλήρωση των προσομοιώσεων, εξήχθησαν αποτελέσματα τάσης (σ) – τροπής (ε) και η απεικόνιση τους έγινε μέσω στιγμιότυπων και διαγραμμάτων συναρτήσει της διαμέτρου του ανευρυσματικού ιστού. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι στο Κεφάλαιο Results φαίνονται τα αποτελέσματα για ένα μόνο εξιδανικευμένο μοντέλο το οποίο προσεγγίζει καλύτερα την ανακατασκευασμένη γεωμετρία ενός ασθενούς, προκειμένου η σύγκριση μεταξύ τους να είναι ορθή και να μπορούμε να εξάγουμε ένα ασφαλές συμπέρασμα. Εν τέλει, ως παράρτημα, παρατίθενται οι φωτογραφίες των αποτελεσμάτων όλων των μοντέλων καθώς και κάποια συμπληρωματικά διαγράμματα παραμόρφωσης και μέσης τάσης σε συνάρτηση με τη διάμετρο ανευρύσματος.	el
heal.abstract	The present thesis aims at studying the normal and hypertensive stress state of the ascending thoracic aortic aneurysm (aTAA) during cardiac systole. Primarily, data and geometric features were collected from the international literature and after processing and adapting them to the needs of this thesis, we proceeded to design the aortic models. The designed geometries are idealized models of the human aorta. After a literature study, it was found that the size of the vessels is proportionally related to the dimensions of the person, and that it is common to define Body Surface Area (m2) (BSA) as an indicator for quantifying the size of the human body. For this reason, four characteristic BSA values were selected in such a way as to cover the full range of human body sizes, and then four models of the physiological aorta were constructed, each corresponding to one of these values. The next step was to design the pathological geometries, i.e. the aneurysmal models. A key feature in characterizing an aneurysm is its maximum diameter. Conclusively, an important condition for conducting a comprehensive study is the comparison of aneurysms of different sizes. For this reason, the original, physiological geometries were modified and for each of them, approximately six different aneurysmal (aTAA) models were designed. The pathological, aortic models, therefore, were parameterized according to the aneurysm diameter. At the same time, computed tomography data were obtained from a patient suffering from an ascending aortic aneurysm. The processing and synthesis of this data was performed in the commercial package MIMICS where the reconstruction of the real aneurysmal vessel was achieved. Thus, it became possible to study the idealized models in comparison with a real pathological geometry. This study was performed using the Finite Element Method (FEM) in ANSYS R19.0 software. Initially, we imported the geometries in the program and after setting the necessary boundary conditions we proceeded to load the aortic lumen with normal (120mmHg) and hypertensive (240 mmHg) systolic pressure. The simulation for the patient model was performed in the FEBio package under the exact same conditions. Similarly, the choice of elastic properties was the same in both, assuming an elastic and isotropic material. Upon completion of the simulations, stress (σ) – strain (ε) results were extracted and visualized using snapshots and diagrams as a function of the diameter of the aneurysmal tissue. It is also worth noting that Results shows the results for a single idealized model that better approximates the reconstructed geometry, so that we are able to compare them and draw a safe conclusion. Finally, photos of the results for all models are presented in the Appendix along with some additional diagrams of deformation and average stress with respect to aTAA diameter.	en
heal.advisorName	Manopoulos, Christos	el
heal.advisorName	Μανόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Μανόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Αλεξόπουλος, Λεωνίδας	el
heal.committeeMemberName	Μαθιουλάκης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Manopoulos, Christos	en
heal.committeeMemberName	Alexopoulos, Leonidas	en
heal.committeeMemberName	Mathioulakis, Dimitrios	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Βιορευστομηχανικής και Βιοϊατρικής Τεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	110 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false