Using foam-extend to assess the influence of fluid-structure interaction on the rupture of intracranial aneurysms
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Data
2017-08-24
Autores
Oliveira, Iago Lessa [UNESP]
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Aneurismas são anormalidades formadas em algumas partes do sistema vascular humano e se caracterizam por regiões dilatadas e finas da parede arterial. Um dos tipos mais comuns ocorre no interior das artérias que chegam ao cérebro, no chamado círculo de Willis. Estes casos de aneurismas intracranianos são extremamente perigosos, pois em caso de rompimento podem ocasionar hemorragia cerebral, com consequente morte ou presença de sequelas permanentes no paciente. As causas dos aneurismas vêm sendo investigadas há tempos, e os pesquisadores concordam que os fenômenos hemodinâmicos têm papel fundamental na formação, crescimento e ruptura do aneurisma cerebral. Entretanto, os procedimentos experimentais para se conhecer melhor as características do escoamento de sangue no interior do aneurisma ainda são de difícil realização. A partir do desenvolvimento de técnicas de mapeamento do sistema vascular cerebral, pôde-se obter a geometria de aneurismas de modo que métodos numéricos na solução de problemas de escoamento passaram a ser utilizados. A partir de então, diversas pesquisas vêm sendo feitas visando a investigação da influência das variáveis biológicas e hemodinâmicas na ruptura do aneurisma. Entretanto, apenas recentemente foi dado foco na influência da interação fluido-estrutura que existe neste problema, devido a flexibilidade da parede da artéria. Assim, usando geometrias de aneurismas específicos de pacientes, simulamos o escoamento sanguíneo utilizando o pacote open-source foam-extend, que possui uma metodologia particionada implementada para resolver numericamente o problema de interação fluido-estrutura. Através de comparação dos parâmetros que podem levar a ruptura -- tensão de cisalhamento na parede e índice de oscilação do cisalhamento -- entre os resultados das simulações considerando as hipóteses de parede rígida e flexível, avaliamos a influência da flexibilidade da parede em tais parâmetros, concluindo que tal flexibilidade tem influência nos parâmetros que podem levar à ruptura do aneurisma a ponto de alterar a decisão de tratamento, caso ela fosse feita baseada em tais parâmetros.
Aneurysms are abnormalities formed in some regions of the human vascular system and are characterized by dilated and thin regions of the arterial wall. One of the most common types occurs inside the brain arteries in the so-called circle of Willis. These intracranial aneurysms are extremely dangerous, because in case of rupture they can cause sub-arachnoid hemorrhage, with consequent death or presence of permanent damage to the patient. Causes of aneurysms have been investigated for a long time, and researchers agree that hemodynamic effects play a key role in the formation, growth, and rupture of brain aneurysms. However, the experimental procedures to better understand the characteristics of blood flow within the aneurysm are still difficult to perform. With the development of scanning techniques of the cerebral vascular system, it has been possible to obtain the geometry of aneurysms and then with that numerical methods for the solution of blood flow have begun to be used. Since then, several researchers have been investigating the influence of biological and hemodynamic variables on aneurysms rupture. However, it has been only in the last decade that the influence of fluid-structure interaction, due to the flexibility of the artery wall, on those variables has been investigated. In this context and using patient-specific aneurysm geometries, we simulated the blood flow using the opensource library foam-extend, which uses a partitioned methodology to numerically solve the fluid-structure interaction problem. By comparing the parameters that can lead to rupture – wall shear stress and oscillatory shear index – between the results of the simulations considering the rigid and flexible walls hypotheses, we evaluated the influence of wall flexibility on such parameters, concluding that the flexibility influences the parameters that can lead to rupture, changing the decision of treatment if made using those parameters.
Les anévrismes sont des anomalies formées sur certaines régions du système vasculaire humain et sont caractérisés par des régions dilatées de la paroi artérielle, avec une petite épaisseur. L’un des types les plus communs se produit à l’intérieur des artères de la base du cerveau, dans le cercle de Willis. Ces cas d’anévrismes intracrâniens sont extrêmement dangereux car ils peuvent provoquer une hémorragie sous-arachnoïdienne en cas de rupture, avec la mort ou la présence d’un dommage définitif pour le patient. Les causes d’anévrismes sont étudiées depuis longtemps et des recherches reconnaissent que les effets hémodynamiques jouent un rôle clé dans la formation, la croissance, et la rupture des anévrismes intracrâniens. Cependant, les procédures expérimentales pour mieux comprendre les caractéristiques de l’écoulement du sang dans l’anévrisme sont encore difficiles à réaliser. Avec le développement de techniques des images du système vasculaire cérébral, il a été possible d’obtenir la géométrie des anévrismes, donc des méthodes numériques ont commencé à être utilisées pour la solution de l’écoulement dans les anévrismes, et alors plusieurs recherches ont étudié l’influence des variables biologiques et hémodynamiques sur la rupture de l’anévrisme. Cependant, ce n’est que dans la dernière décennie que l’influence de l’interaction fluide-structure, due à la flexibilité de la paroi de l’artère, sur ces variables a été étudiée. Dans ce contexte et à l’aide de géométries d’anévrismes spécifiques des patients, des simulations numériques ont été effectuées avec le logiciel open-source foam-extend, qui utilise une méthodologie partitionnée pour résoudre numériquement le problème d’interaction fluide-structure. En comparant les paramètres qui peuvent conduire à la rupture – tels que le cisaillement sur la paroi et l’indice d’oscillation du cisaillement – entre les résultats des simulations avec l’hypothèse de la paroi rigide et élastique, nous avons évalué l’influence de la flexibilité de la paroi de l’anévrisme sur ces paramètres, en concluant que cette flexibilité change les valeurs de ces paramètres, donc l’option de traitement peut changer si le médecin les utilise pour décider de traiter le patient.
Aneurysms are abnormalities formed in some regions of the human vascular system and are characterized by dilated and thin regions of the arterial wall. One of the most common types occurs inside the brain arteries in the so-called circle of Willis. These intracranial aneurysms are extremely dangerous, because in case of rupture they can cause sub-arachnoid hemorrhage, with consequent death or presence of permanent damage to the patient. Causes of aneurysms have been investigated for a long time, and researchers agree that hemodynamic effects play a key role in the formation, growth, and rupture of brain aneurysms. However, the experimental procedures to better understand the characteristics of blood flow within the aneurysm are still difficult to perform. With the development of scanning techniques of the cerebral vascular system, it has been possible to obtain the geometry of aneurysms and then with that numerical methods for the solution of blood flow have begun to be used. Since then, several researchers have been investigating the influence of biological and hemodynamic variables on aneurysms rupture. However, it has been only in the last decade that the influence of fluid-structure interaction, due to the flexibility of the artery wall, on those variables has been investigated. In this context and using patient-specific aneurysm geometries, we simulated the blood flow using the opensource library foam-extend, which uses a partitioned methodology to numerically solve the fluid-structure interaction problem. By comparing the parameters that can lead to rupture – wall shear stress and oscillatory shear index – between the results of the simulations considering the rigid and flexible walls hypotheses, we evaluated the influence of wall flexibility on such parameters, concluding that the flexibility influences the parameters that can lead to rupture, changing the decision of treatment if made using those parameters.
Les anévrismes sont des anomalies formées sur certaines régions du système vasculaire humain et sont caractérisés par des régions dilatées de la paroi artérielle, avec une petite épaisseur. L’un des types les plus communs se produit à l’intérieur des artères de la base du cerveau, dans le cercle de Willis. Ces cas d’anévrismes intracrâniens sont extrêmement dangereux car ils peuvent provoquer une hémorragie sous-arachnoïdienne en cas de rupture, avec la mort ou la présence d’un dommage définitif pour le patient. Les causes d’anévrismes sont étudiées depuis longtemps et des recherches reconnaissent que les effets hémodynamiques jouent un rôle clé dans la formation, la croissance, et la rupture des anévrismes intracrâniens. Cependant, les procédures expérimentales pour mieux comprendre les caractéristiques de l’écoulement du sang dans l’anévrisme sont encore difficiles à réaliser. Avec le développement de techniques des images du système vasculaire cérébral, il a été possible d’obtenir la géométrie des anévrismes, donc des méthodes numériques ont commencé à être utilisées pour la solution de l’écoulement dans les anévrismes, et alors plusieurs recherches ont étudié l’influence des variables biologiques et hémodynamiques sur la rupture de l’anévrisme. Cependant, ce n’est que dans la dernière décennie que l’influence de l’interaction fluide-structure, due à la flexibilité de la paroi de l’artère, sur ces variables a été étudiée. Dans ce contexte et à l’aide de géométries d’anévrismes spécifiques des patients, des simulations numériques ont été effectuées avec le logiciel open-source foam-extend, qui utilise une méthodologie partitionnée pour résoudre numériquement le problème d’interaction fluide-structure. En comparant les paramètres qui peuvent conduire à la rupture – tels que le cisaillement sur la paroi et l’indice d’oscillation du cisaillement – entre les résultats des simulations avec l’hypothèse de la paroi rigide et élastique, nous avons évalué l’influence de la flexibilité de la paroi de l’anévrisme sur ces paramètres, en concluant que cette flexibilité change les valeurs de ces paramètres, donc l’option de traitement peut changer si le médecin les utilise pour décider de traiter le patient.
Descrição
Palavras-chave
Aneurismas intracranianos, Simulação numérica, Interação fluido-estrutura, Intracranial aneurysms, Numerical simulation, Fluid-structure interaction, Anévrismes intracrâniens, Simulation numérique, Interaction fluidestructure