A computational fluid dynamics study on hemodynamics for different locations of the distal anastomosis of a bypass nearby a collateral vessel in the femoropopliteal area

Rivera, Jairo A; Graaf, G.B. van der; Escudero, José Román; Bellmunt, Sergi; Vosse, F.N. van de

doi:10.1002/cnm.2656

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“…In many cases, studies have been conducted to analyze the flow in stents and grafts and to build hypotheses on its effect on NIH and restenosis. This has confirmed the hypothesis of low shear stress and abnormal flow patterns leading to NIH in the pulmonary artery (Berdajs et al, 2015), carotid artery (Harrison et al, 2014), coronary arteries (Guerciotti et al, 2016) peripheral arteries (McGah et al, 2012; Rivera et al, 2014). In addition, some studies have focused on specific applications, such as vascular access for hemodialysis, looking at minimizing NIH by finding the optimum conditions for performing arteriovenous fistulae operations.…”

Section: Discussionsupporting

confidence: 60%

Patient-Specific, Multi-Scale Modeling of Neointimal Hyperplasia in Vein Grafts

et al. 2017

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Neointimal hyperplasia is amongst the major causes of failure of bypass grafts. The disease progression varies from patient to patient due to a range of different factors. In this paper, a mathematical model will be used to understand neointimal hyperplasia in individual patients, combining information from biological experiments and patient-specific data to analyze some aspects of the disease, particularly with regard to mechanical stimuli due to shear stresses on the vessel wall. By combining a biochemical model of cell growth and a patient-specific computational fluid dynamics analysis of blood flow in the lumen, remodeling of the blood vessel is studied by means of a novel computational framework. The framework was used to analyze two vein graft bypasses from one patient: a femoro-popliteal and a femoro-distal bypass. The remodeling of the vessel wall and analysis of the flow for each case was then compared to clinical data and discussed as a potential tool for a better understanding of the disease. Simulation results from this first computational approach showed an overall agreement on the locations of hyperplasia in these patients and demonstrated the potential of using new integrative modeling tools to understand disease progression.

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Section: Discussionsupporting

confidence: 60%

Patient-Specific, Multi-Scale Modeling of Neointimal Hyperplasia in Vein Grafts

et al. 2017

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“…When studying the blood flow patterns in anastomoses, numerical modeling is wildly used, the results of which in some cases are compared with experimental data [10]. Most in vitro studies in anastomotic models for femoral popliteal bypass surgery were performed using particle image velocimetry (PIV) [11].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

V Flow Measurements of Pulsatile Flow in Femoral-Popliteal Bypass Proximal Anastomosis Compared with CFD Simulation

Yukhnev,

Tikhomolova,

Gataulin

et al. 2024

Fluids

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This paper presents the experience of using the V Flow high-frame-rate ultrasound vector imaging method to study the pulsatile velocity fields in the area of the proximal anastomosis for femoral popliteal bypass surgery in vitro and in vivo. A representative (average) anastomosis model and the experimental setup designed for in vitro studies covering forward and reverse flow phases throughout the cycle are described. The results of the measurements are presented for areas with a relatively uniform velocity distribution and for areas with pronounced spatial inhomogeneities due to the jet or recirculating nature of the flow. The results of ultrasonic studies of the velocity field of the three-dimensional pulsatile flow in vitro and in vivo are compared with the data of numerical simulations carried out for the average and personalized models based on the Navier–Stokes equations. Acceptable consistency between the results of experimental and numerical studies is demonstrated.

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“…A pesar de no ser encontradas, en aquel periodo, descripciones detalladas del empleo del OpenFOAM ® en la hemodinámica arterial, si se logró crear una metodología propia de trabajo, que permitió realizar estudios comparativos para diferentes geometrías y condiciones de contorno, así como validar las simulaciones [162]. Con estos resultados, se consigue el interés de la Fundación Sanitaria Althaia en realizar de forma conjunta con la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) un estudio que permitió emplear la simulación numérica para analizar la hemodinámica en estenosis carotídeas [161].…”

Section: Antecedentes Y Estado Del Arteunclassified

“…Se puede entonces definir, en cada punto de la superficie, un vector unitario n perpendicular a la misma, de manera que el vector tensión en ese punto de la superficie del fluido será t = σ • n y t s = t − (t • n) • n, donde t s representa la tensión tangencial del fluido en cada punto en contacto con la pared interna de la arteria. Al módulo de t s se le conoce como tensión de cizallamiento en la pared arterial y se denomina WSS, 4 ecuación 2.1 [161][162][163].…”

Section: Hemodinámica Y Principales Variables De Utilizadas En La Inv...unclassified

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Mejora del diagnóstico y de la hemodinámica en la revascularización carotídea : aplicación de la dinámica de fluidos computacional mediante el OpenFOAM® y otras herramientas de libre distribución

Arias Araluce

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Stroke is a major cause of death and disability in Spain and in the Western world. It is often caused by an accumulation of atherosclerotic plaques on the walls of carotid arteries. Carotid revascularization may be the solution chosen by the specialist. This choice depends directly on the symptoms, the diagnosis and the potential benefits vs. costs of performing surgery. Hemodynamics plays a crucial role in all decision making. The conventional methods for analyzing hemodynamics are Doppler ultrasound, computed tomography angiography (CTA) and magnetic resonance angiography (MRA). These methods may be enriched with the numerical simulation of blood flow in the area of interest, using techniques of computational fluid dynamics (CFD). The result of the simulations can be used to improve diagnosis and to propose hemodynamic improvement during surgery or treatment. It can also provide conclusions on the progress of the patient. However, it is currently very difficult to perform these simulations and reach valid conclusions. This difficulty is due to the state of the technique and to the lack of scientific consensus in regard to clinical aspects, data gathering and processing, reproduction of geometries, construction of models, and execution of the simulations, among other aspects. Furthermore, obtaining results and drawing conclusions from them requires a high degree of specialization and the use of software that is often expensive. The present thesis uses numerical simulation to replicate the blood flow in the carotid arteries. It uses the results to guide the diagnosis and prognosis of patient progress. It develops a methodology for the creation of numeric models using data provided by CTA and Doppler ultrasound, both of which are used in routine clinical practice. From the images contained in the files with DICOM format resulting from the CTA, the geometries of carotid arteries of patients are reproduced. The data provided by the ultrasound velocities are used to obtain velocity curves in the inputs, outputs and areas of interest within the carotid artery. Models of carotid arteries are also built with CAD tools. OpenFOAM®; is used for model meshing, solving the equations that govern the fluid movement and obtaining the relevant hemodynamic variables such as carotid wall shear stress. The Womersley boundary condition for velocities, which is the most suitable one for simulating pulse flows in carotid arteries, is implemented in this software environment. In cases of moderate stenosis, a diagnosis by a specialist is added. A comparison between a pre- and postoperative situation was made in order to take it into account for any proposals of hemodynamic improvement. The pre-processing, processing and post-processing were performed almost entirely with open source tools such as vmtk, enGrid, ParaView and OpenFOAM®. El ictus es una de las principales causas de muerte e invalidez en España y en el mundo occidental. Su origen se debe, en muchos casos, a la acumulación de placas de ateromas en las paredes de las arterias carótidas. La revascularización carotídea, puede ser la solución elegida por el especialista. Dicha elección depende directamente de la sintomatología del paciente, del diagnóstico efectuado y de los posibles riesgos vs. beneficios, vinculados a realizar la intervención. La hemodinámica juega un papel fundamental en la toma de cualquier decisión. Su análisis con métodos convencionales como la ecografía Doppler, la angiografía por tomografía computarizada (angio-TC) y por resonancia magnética (angio-RM), puede ser enriquecido con la simulación numérica del flujo sanguíneo en la zona de interés, utilizando técnicas de fluidodinámica computacional (CFD). El resultado de las simulaciones podría ser utilizado para realizar un mejor diagnóstico y proponer mejoras hemodinámicas, durante la intervención o tratamiento. También aportaría nuevas conclusiones sobre la posible evolución del paciente. No obstante, realizar estos estudios computacionales y llegar a conclusiones válidas, presenta un alto grado de dificultad en la actualidad. Esta dificultad viene dada por el estado de la técnica y la no existencia de un consenso científico en cuanto a aspectos clínicos, toma y procesamientos de los datos, reproducción de geometrías, construcción de los modelos y a la propia realización de las simulaciones, entre otros. Al mismo tiempo obtener resultados y llegar a conclusiones a partir de estos, requiere de un alto grado de especialización y el uso de software que, en general, tiene un elevado coste económico. En el presente trabajo de tesis se emplea la simulación numérica para reproducir la circulación del flujo sanguíneo en las arterias carótidas. Utiliza los resultados para influir tanto en el diagnóstico, como en el pronóstico de la evolución del paciente. Se elabora una metodología para la creación de modelos numéricos utilizando los datos que aporta el angio-TC y la ecografía Doppler, ambas técnicas empleadas en la clínica habitual. A partir de las imágenes contenidas en ficheros con formato DICOM, resultados del angio-TC, se reproducen las geometrías de carótidas de pacientes y con los datos proporcionados por la ecografía Doppler se obtienen curvas de velocidades en las entradas, salidas y zonas de interés dentro de la arteria carótida. Son construidos además modelos de carótidas con herramientas CAD. OpenFOAM® es utilizado para realizar el mallado de los modelos, la resolución de las ecuaciones que gobiernan el movimiento del fluido y la obtención de variables hemodinámicas relevantes como la tensión de cizallamiento en la cara interna de la pared arterial carotídea. En el entorno de este software se implementa la condición de contorno Womersley para las velocidades, que es la más apropiada para simular de flujos pulsátiles en las carótidas. Para el caso de una estenosis moderada, se complementa un diagnóstico realizado por el especialista. Se ha efectuado una comparativa entre una situación pre y postperatoria con el objetivo de tenerla en cuenta ante posibles propuestas de mejoras hemodinámicas. El trabajo de pre-procesado, procesado y post-procesado ha sido realizado casi en su totalidad con herramientas de código abierto como vmtk, enGrid, ParaView y OpenFOAM® entre otras

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A computational fluid dynamics study on hemodynamics for different locations of the distal anastomosis of a bypass nearby a collateral vessel in the femoropopliteal area

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Patient-Specific, Multi-Scale Modeling of Neointimal Hyperplasia in Vein Grafts

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V Flow Measurements of Pulsatile Flow in Femoral-Popliteal Bypass Proximal Anastomosis Compared with CFD Simulation

Mejora del diagnóstico y de la hemodinámica en la revascularización carotídea : aplicación de la dinámica de fluidos computacional mediante el OpenFOAM® y otras herramientas de libre distribución

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