4D Flow MRI-enabled patient-specific computational hemodynamics of thoracic aorta: CFD predictions vs. in vivo imaging data

Πετρολέκας, Δημήτριος; Petrolekas, Dimitrios

dc.contributor.author	Πετρολέκας, Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Petrolekas, Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2026-02-09T13:14:31Z
dc.date.available	2026-02-09T13:14:31Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/63367
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.31062
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) "Μεταφραστική Βιοιατρική Μηχανικής και Επιστήμης"	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	In vivo imaging	en
dc.subject	Computational fluid dynamics	en
dc.subject	Patient-specific modeling	en
dc.subject	Model validation	en
dc.subject	Computational hemodynamics	en
dc.subject	Απεικόνιση in vivo	el
dc.subject	Υπολογιστική ρευστομηχανική	el
dc.subject	Εξατομικευμένη μοντελοποίηση ασθενούς	el
dc.subject	Επαλήθευση μοντέλου	el
dc.subject	Υπολογιστική αιμοδυναμική	el
dc.title	4D Flow MRI-enabled patient-specific computational hemodynamics of thoracic aorta: CFD predictions vs. in vivo imaging data	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	4D Flow MRI	en
heal.classification	Computational fluid dynamics	en
heal.classification	Computational hemodynamics	en
heal.classification	Biomedical engineering	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-06-25
heal.abstract	The assessment of hemodynamic parameters within the human vasculature is crucial for understanding cardiovascular health and disease progression. This study employs patient-specific 4D Flow MRI data to validate computational fluid dynamics (CFD) simulations of blood flow in the thoracic aorta. Two CFD solvers, SimVascular and CRIMSON, are utilized to simulate hemodynamics using both patient-specific and parabolic inlet velocity profiles. The objective is to evaluate the accuracy of computational predictions in comparison to in vivo imaging data. The methodology includes 3D reconstruction of the thoracic aorta from MRI data, preprocessing of velocity fields, and numerical simulations incorporating appropriate boundary conditions. A direct comparison between simulated and MRI-derived velocity fields, pressure distributions, and wall shear stress (WSS) is conducted at multiple time points throughout the cardiac cycle. Special emphasis is placed on analyzing flow characteristics in critical regions, including the ascending aorta, aortic arch, and descending aorta. Results indicate that while both CFD solvers accurately capture global flow trends, differences arise in local flow patterns, particularly in regions with complex hemodynamics. The patient-specific velocity profile demonstrates superior agreement with MRI data, especially in replicating secondary flow structures and WSS distributions. Conversely, the parabolic profile tends to overestimate peak velocities and introduce deviations in flow patterns. The analysis also highlights minor discrepancies between CRIMSON and SimVascular, likely attributed to differences in mesh resolution and numerical techniques. The findings emphasize the importance of patient-specific boundary conditions in cardiovascular simulations, as they significantly impact flow field accuracy. The study underscores the strengths and limitations of CFD modeling for clinical applications and highlights the potential of 4D Flow MRI as a validation tool for computational hemodynamics. Future work should explore the integration of fluid-structure interaction (FSI) models to enhance simulation realism by incorporating vessel wall compliance.	en
heal.abstract	Η αξιολόγηση των αιμοδυναμικών παραμέτρων στην ανθρώπινη αγγειακή κυκλοφορία είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της καρδιαγγειακής υγείας και της εξέλιξης των παθήσεων. Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιούνται δεδομένα 4D Flow MRI ασθενούς για την επικύρωση προσομοιώσεων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) της ροής αίματος στη θωρακική αορτή. Δύο λογισμικά CFD, το SimVascular και το CRIMSON, χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση των αιμοδυναμικών χαρακτηριστικών, λαμβάνοντας υπόψη τόσο ένα προφίλ ταχύτητας εισόδου ασθενούς όσο και ένα παραβολικό προφίλ ταχύτητας. Ο κύριος στόχος είναι η αξιολόγηση της ακρίβειας των υπολογιστικών προβλέψεων σε σύγκριση με τα δεδομένα in vivo απεικόνισης. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει την τρισδιάστατη ανακατασκευή της θωρακικής αορτής από δεδομένα MRI, την προεπεξεργασία των πεδίων ταχύτητας και την εκτέλεση αριθμητικών προσομοιώσεων με κατάλληλες οριακές συνθήκες. Διενεργείται άμεση σύγκριση μεταξύ των υπολογιστικών και των MRI-παραγόμενων πεδίων ταχύτητας, κατανομών πίεσης και διατμητικής τάσης τοιχώματος (WSS) σε πολλαπλά χρονικά σημεία κατά τη διάρκεια του καρδιακού κύκλου. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ανάλυση των χαρακτηριστικών ροής σε κρίσιμες περιοχές, όπως η ανιούσα αορτή, το αορτικό τόξο και η κατιούσα αορτή. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι και τα δύο λογισμικά CFD αποτυπώνουν τις γενικές τάσεις ροής, αλλά εμφανίζονται διαφορές στα τοπικά μοτίβα ροής, ιδιαίτερα σε περιοχές με πολύπλοκη αιμοδυναμική. Το προφίλ ταχύτητας του ασθενούς εμφανίζει καλύτερη συμφωνία με τα δεδομένα MRI, ιδιαίτερα στην αναπαραγωγή των δευτερογενών δομών ροής και των κατανομών WSS. Αντίθετα, το παραβολικό προφίλ τείνει να υπερεκτιμά τις μέγιστες ταχύτητες και να εισάγει κάποιες αποκλίσεις στα μοτίβα ροής. Η ανάλυση αναδεικνύει επίσης μικρές διαφορές μεταξύ του CRIMSON και του SimVascular, πιθανώς λόγω διαφορών στην ανάλυση του πλέγματος και στις αριθμητικές τεχνικές που χρησιμοπιούν. Τα ευρήματα υπογραμμίζουν τη σημασία των εξατομικευμένων οριακών συνθηκών στις καρδιαγγειακές προσομοιώσεις, καθώς επηρεάζουν σημαντικά την ακρίβεια των υπολογιστικών πεδίων ροής. Η μελέτη αναδεικνύει τα πλεονεκτήματα και τους περιορισμούς της CFD για κλινικές εφαρμογές και τονίζει τη δυνατότητα χρήσης του 4D Flow MRI ως εργαλείο επικύρωσης της υπολογιστικής αιμοδυναμικής. Μελλοντικές εργασίες θα πρέπει να επικεντρωθούν στην ενσωμάτωση μοντέλων αλληλεπίδρασης ρευστού-δομής (FSI) για τη βελτίωση του ρεαλισμού των προσομοιώσεων μέσω της συμπερίληψης της συμμόρφωσης των αγγειακών τοιχωμάτων.	el
heal.advisorName	Μανόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Μανόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Νικήτα, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Ματσόπουλος, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	167 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false