Numerical, simulations of blood flow effects under the presence of abdominal aortic aneurysm

Abstract

Το ανεύρυσμα κοιλιακής αορτής (ΑΚΑ) ορίζεται ως η διαστολή της κοιλιακής αορτής που υπερβαίνει τη φυσιολογική διάμετρο κατά 50% τουλάχιστον και αποτελεί την πιο κοινή μορφή των αορτικών ανευρυσμάτων. Συνήθως τα ΑΚΑ παραμένουν ασυμπτωματικά μέχρι την εμφάνιση μιας πιθανώς θανατηφόρας επιπλοκής δηλαδή της ρήξης. Η ενδαγγειακή αποκατάσταση ανευρύσματος (ΕΑΑ) αποτελεί αξιόπιστη θεραπεία για την ασθένεια,αποκλείοντας τον ανευρυσματικό σάκο και διοχετεύοντας τη ροή του αίματος μέσα από μόσχευμα, που τοποθετείται ενδαγγειακώς. Η υπολογιστική ρευστομηχανική (ΥΡ) είναι ένα επιστημονικό πεδίο που εμπλέκεται ενεργά στη μελέτη της ροής του αίματος σε όλο το κυκλοφορικό σύστημα. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις της ροής του αίματος προσελκύουν το ενδιαφέρον της ιατρικής κοινότητας λόγω του μη επεμβατικού χαρακτήρα τους, των σχετικά χαμηλών οικονομικών απαιτήσεων τους (σε σύγκριση με τα πειράματα), της ευελιξίας τους και της ποσότητας των αιμοδυναμικών δεικτών υψηλής ανάλυσης, που είναι ικανές να παρέχουν. Οι πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις επιτρέπουν το συνδυασμό της ΥΡ με δεδομένα ιατρικής απεικόνισης, επεκτείνοντας τις εφαρμογές της ΥΡ σε αγγειακά μοντέλα που βασίζονται σε ασθενείς. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν την ΥΡ για να μελετήσουν τις πιθανές επιπτώσεις της αιμοδυναμικής ροής στην παθογένεση, εξέλιξη και ρήξη των ΑΚΑ. Οι εφαρμογές της ΥΡ δεν περιορίζονται στη φυσιολογική ή στην παθολογική ροή του αίματος, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν επίσης στα πλαίσια της ΕΑΑ. Στόχος της παρούσης διατριβής είναι να ερευνήσει τις δυνατότητες των αριθμητικών προσομοιώσεων και να θεμελιώσει την εφαρμογή τους σε φυσιολογικές, προεγχειρητικές και μετεγχειρητικές περιπτώσεις των ΑΚΑ. Στο Κεφάλαιο 1 εισάγεται μια εναλλακτική μοντελοποίηση του ενδοαυλικού θρόμβου (ΕΘ), ο οποίος παρατηρείται σε ένα μεγάλο ποσοστό των ΑΚΑ επηρεάζοντας σημαντικά την εξέλιξή τους. Συγκεκριμένα, ο ΕΘ μοντελοποιείται ως πορώδες μέσο με βαθμιαία μικρότερη διαπερατότητα σύμφωνα με ιστολογικές αναλύσεις εξελισσόμενων δομών ΕΘ. Οι διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν την αλληλεπίδραση της παθολογικής ροής του αίματος με τον εξελισσόμενο ΕΘ διακριτοποιούνται με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων και επιλύονται σε ένα μοντέλο ΑΚΑ με τη χρήση λογισμικού που αναπτύχθηκε για τις ανάγκες του προβλήματος. Η ανάλυση των επιπτώσεων του ΕΘ στις συνθήκες της αιματικής ροής σε ΑΚΑ είναι σε συμφωνία με τους εμβιομηχανικούς παράγοντες που προωθούν τη γέννηση και την ανάπτυξη του ΕΘ. Η βιβλιογραφία αναφέρει ότι το ποσοστό των επιπλοκών μετά από EAA μεταβάλλεται μεταξύ των εμπορικών μοσχευμάτων, ωστόσο υπάρχουν ελάχιστες κλινικές, υπολογιστικές ή πειραματικές μελέτες, που παρέχουν αιμοδυναμικά δεδομένα για τα διάφορα μοσχεύματα χωριστά. Επιπλέον, είναι γνωστό ότι η εμφύτευση ενός μοσχεύματος μεταβάλλει την αιμοδυναμική ροή με πιθανές αρνητικές επιπτώσεις στη λειτουργικότητα της ίδιας της συσκευής, παρόλα αυτά δεν υπάρχει μια συνεπής μεθοδολογία για τον υπολογισμό των συγκεκριμένων μεταβολών των ιδιοτήτων της ροής του αίματος. Στα Κεφάλαια 2,3 και 4 δίνεται απάντηση σε ανοιχτά ερωτήματα σχετικά με την αιμοδυναμική απόδοση της ΕΑΑ και διερευνάται το αιμοδυναμικό προφίλ των διαφόρων εμπορικών μοσχευμάτων με τη χρήση προηγμένων τρισδιάστατων δυναμικών αριθμητικών προσομοιώσεων, που βασίζονται σε ιατρικά δεδομένα. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει: 1) τη συλλογή των κατάλληλων ιατρικών υποθέσεων, 2) την αναδόμηση ιατρικών απεικονίσεων από αξονικές τομογραφίες ασθενών για την εξαγωγή της εξατομικευμένης γεωμετρικής αναπαράστασης των αγγειακών δομών προεγχειρητικά και των δομών των μοσχευμάτων μετά από ΕΑΑ, 3) τη δημιουργία αριθμητικών πλεγμάτων ώστε να καταστεί δυνατή η εξαγωγή υψηλής ανάλυσης αιμοδυναμικών ιδιοτήτων, 4) την εκτέλεση αριθμητικών προσομοιώσεων ΥΡ, 5) την επεξεργασία των αποτελεσμάτων με έμφαση στις περιοχές ενδιαφέροντος εντός των μοντέλων,6) την οπτικοποίηση των αιμοδυναμικών ιδιοτήτων και μοτίβων και 7) τη στατιστική ανάλυση για να προσδιοριστεί η σημασία των μεταβολών των αιμοδυναμικών ιδιοτήτων.Η ΕΑΑ έχει ευνοϊκά βραχυχρόνια αποτελέσματα και αποδεδειγμένη κλινική αποτελεσματικότητα, αλλά δεν έχει μελετηθεί επαρκώς αν η ροή του αίματος αποκαθίσταται πλήρως μετά από την εμφύτευση ενός μοσχεύματος. Στο Κεφάλαιο 2 μελετάμε τις μεταβολές της αιματικής ροής σε υγιείς και ενδοαγγειακώς επισκευασμένες υπονεφρικές αορτές. Στο Κεφάλαιο 3 εφαρμόζουμε τη μεθοδολογία που αναπτύχθηκε για να εξετάσουμε την υπόθεση,ότι δύο (2) μοσχεύματα με παρόμοιο σχεδιασμό, το Endurant και το Excluder, επάγουν παρόμοιο αιμοδυναμικό περιβάλλον μετά από ΕΑΑ. Η μεθοδολογία λαμβάνει υπόψη τον παράγοντα που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις μετεγχειρητικές αιμοδυναμικές συνθήκες δηλαδή τη θέση των μοσχευμάτων στο σάκο του ανευρύσματος. Τέλος, στο Κεφάλαιο 4,αναλύουμε την αιμοδυναμική απόδοση δύο (2) μοσχευμάτων με ιδιαίτερο σχεδιασμό, τουAFX που εκμεταλλεύεται την εγγενή αορτική διακλάδωση για να επιτύχει τη σταθεροποίηση και του Nellix που η λειτουργία του βασίζεται στην καινοτόμα ενδαγγειακή τεχνολογία στεγανοποίησης ανευρυσμάτων (EVAS).Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις θεωρούνται ο τρίτος πυλώνας της έρευνας μεταξύ θεωρίας και πειράματος. Στο πεδίο της αγγειοχειρουργικής οι προσομοιώσεις δεν έχουν εισαχθεί ακόμα στην κλινική πράξη. Ωστόσο, πολλές κλινικές και βιομηχανικές εφαρμογές των υπολογιστικών προσομοιώσεων αναμένεται να είναι διαθέσιμες για διευρυμένη χρήση στο εγγύς μέλλον.