Zpřesnění existujících biomechanických modelů pro určování napětí ve stěně výdutě břišní aorty

David Schwarz

Disertační práce

Refinement of existing biomechanical models for the determination of wall stress in the abdominal aortic aneurysm

Anotace:

Kardiovaskulární onemocnění jako je ateroskleróza či aneurysma jsou hlavními příčinami úmrtí v západním světě a hlavními přispěvateli k invaliditě. Pochopením příčin vzniku, progresi a terminálního stádia těchto kardiovaskulárních onemocnění se věnuje mnoho výzkumných týmů napříč vědními obory. Jedním z těchto vědních oborů je biomechanika popisující příčiny vzniku, progrese a terminálního stádia na základě fyzikálních veličin, a to pomocí veličin popisující chování struktury stěny a hemodynamiky krve. Pro pochopení komplexnosti tohoto onemocnění není možný izolovaný pohled, tedy pohled ze strany struktury, hemodynamiky či patologie, ale je potřeba multifyzikální pohled umožňující vzájemnou interakci mezi pevnou doménou a proudící krví, obohacený o patofyziologické poznatky, jelikož stále není definováno, zda fyzikální změna je příčinou biologického procesu anebo je důsledkem biologického procesu, který v chronické fázi vede k rozvoji, progresy a ruptuře aneurysmatu. V rámci disertační práce je představen komplexní pohled na problematiku aneurysmatu postihující především aortu v břišní oblastí, jehož charakteristickým rysem je postupná dilatace, což v terminálním stádiu znamená smrt pacienta. V rámci teoretické části dochází k hlubšímu poznání tohoto onemocnění z pohledu patofyziologie, přičemž v praktické části zkoumám možné rizikové faktory, jako je stenóza kyčelních tepen, zvyšující predispozici k vývoji tohoto onemocnění. Vliv rizikových faktorů, stenózy a úhlu bifurkace, na hemodynamiku a napětí ve stěně stanovuji na základě parametrické FSI (fluid structure interaction) analýzy, tedy analýzy umožňující vzájemnou interakci poddajné stěny s proudící pulzující krví. Pro zvýšení dopadů těchto výsledků, respektive zvýšení jejich relevance je sestrojen experimentální stend respektující numerickou simulaci, přičemž výsledky experimentálního měření potvrzují vliv stenózy na zvýšení tlaku v oblasti břišní aorty. Pokud není možné numerické výsledky ověřit experimentálním měřením je potřeba výrazně dbát na nastavení numerických analýz, kde nejistota výsledků přímo souvisí s nejistotou jejich vstupů. Této problematice, tedy problematice vstupních nejistot, se věnuji v rámci tvorby jednoduchého experimentálního zařízení umožňující stanovit nezatíženou tloušťku měkké tkáně nezávisle na operátorovi, ale také v rámci ověřením dosavadně platného předpokladu o nestlačitelné povaze aortálních vzorků. Samotnému terminálnímu stádiu aneurysmatu, tedy rupturou, se zabývám v rámci numericky stanoveného rizika pravděpodobnosti ruptury aneurysmatu, přičemž součástí této části je modifikace tohoto kritéria zvyšující jeho specificitu. V neposlední řadě se zabývám možností použití biomechanického kritéria stanovující riziko ruptury v klinické praxi, jakožto možného krizového nástroje určující pořadí operace pacientů v období přeplněných nemocnic po skončení nouzového stavu během pandemie COVID-19.

Abstract:

Cardiovascular diseases, such as atherosclerosis and aneurysms, are the leading causes of death in the Western world and major contributors to disability. Understanding the causes, progression, and terminal stages of these cardiovascular diseases is the focus of many research teams across disciplines. One of these disciplines is biomechanics, which explains the onset, progression, and terminal stages of these diseases based on physical quantities, including those that describe the behavior of the arterial wall structure and blood hemodynamics. To grasp the complexity of these diseases, an isolated approach—whether structural, hemodynamic, or pathological—is insufficient. A multiphysical perspective is required, allowing for the interaction between the solid domain and the flowing blood, complemented by pathophysiological knowledge. Since it remains unclear whether the physical changes are the cause or the consequence of biological processes leading to development, progression, and rupture of the aneurysm in the chronic phase. In my dissertation thesis, I present a comprehensive analysis of aneurysms, particularly those affecting the abdominal region of the aorta, where gradual dilatation is a characteristic feature that, in the terminal stage, results in the patient’s death. The theoretical part provides a deeper understanding of the disease in terms of pathophysiology, while the practical section explores possible risk factors, such as stenosis of the iliac arteries, which may increase the predisposition to developing the disease. I investigate the influence of risk factors, including stenosis and bifurcation angle, on hemodynamics and wall stress through parametric FSI (fluid-structure interaction) analysis. This analysis allows the interaction between the compliant arterial wall and pulsatile blood flow. To enhance the impact and relevance of these results, an experimental stand was constructed to reflect the numerical simulations, and the experimental results confirmed the effect of stenosis on increased abdominal aortic pressure. When numerical results cannot be verified through experimental measurements, considerable care must be taken in setting up numerical analyses, as the uncertainty of the results is directly related to the uncertainty of their inputs. I address this issue, i.e. the problem of input uncertainties, by creating a simple experimental device that enables the determination of the unloaded thickness of soft tissue independently of the operator and I also address the previously accepted assumption regarding the incompressibility of aortic samples. The terminal stage of aneurysm itself, i.e., rupture, is analyzed in terms of the numerically determined risk of aneurysm rupture probability, with part of this analysis focusing on the modification of this criterion to increase its specificity. Finally, I examine the potential for using biomechanical criteria for determining rupture risk in clinical practice, particularly as a crisis tool for prioritizing patients for surgeries during the period of hospital overcrowding following the end of the state of emergency during the COVID-19 pandemic.

Klíčová slova

Aneurysma, Nezatížená tloušťka, Stlačitelnost, Experimentální měření, Riziko ruptury

Keywords

Aneurysm, Unloaded thickness, Compressibility, Experimental measurement, Risk of rupture

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 11. 10. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Stanislav Polzer
• Oponent: Lukáš Horný, Jiří Burša, Lukáš Čapek

VŠB – Technická univerzita Ostrava

Fakulta strojní

Doktorský studijní program / obor:
Strojní inženýrství / Aplikovaná mechanika