Geri Dön

Computational growth modeling and surgical planning of arterial patch reconstructions

Bilişimsel büyüme modellemesi ve cerrahi arteriel rekonstruksiyon planlaması

PDF İndir

  1. Tez No: 648514
  2. Yazar: SEYEDEH SAMANEH LASHKARINIA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. KEREM PEKKAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyomühendislik, Makine Mühendisliği, Bioengineering, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 134

Özet

Yaklaşık 100 çocuktan 1'i klinik olarak önemli konjenital kalp hastalıkları ile doğar. Konjenital kalp hastalığının (CHD) cerrahi tedavisi, yapay ve doğal cerrahi materyalleri kullanan karmaşık vasküler rekonstrüksiyonları içerir. Bu tezin amacı, pediatrik ve yenidoğan hastalar için kardiyovasküler yama tamirlerini takiben damar dokusunun volümetrik büyümesi için öngörücü bir hesaplama modeli oluşturmaktır. Yapay vasküler yamalarla temas halinde büyüyen arteriyel doku alanının büyüme mekaniği ve performansı, literatürde ilk kez bu tezde yer almıştır. İlk bölümde, yama rekonstrüksiyonu için hastaya özgü yeni bir ameliyat öncesi planlama protokolü önerilmiş ve hesaplamalı analize uygunluğu araştırılmıştır. Sunulan protokol, Fallot tanılı olgularda ana pulmoner damar (MPA) darlığının yama onarımında uygulanmıştır. Farklı yama şekillerinin implantasyonu yarı statik sonlu elemanlar vasküler modeli ile simüle edilmiş ve stenoz derecesinin etkileri, cerrahi insizyonun üç boyutlu şekli ve yapay yamanın malzeme özellikleri araştırılmıştır. Tamirlerde en çok tercih edilen yama materyalleri olan Dacron, Politetrafloroetilen (PTFE), insan perikard ve domuz ksenoperikardiyumunun mekanik özelliklerini elde etmek için çift eksenli çekme testleri yapılmış gerilme-şekil değiştirme verileri elde edilmiştir. Sonlu elemanlar analizi sonuçları, üç boyutlu prototipleme ile oluşturulan anatomik stenoz modellerinde gerçekleştirilen gerçek yama cerrahisi rekonstrüksiyonları ile deneysel olarak doğrulanmıştır. Bulgularımıza göre, darlıkta yapılan daha kısa insizyonlar, diğer yama tasarımı alternatiflerine kıyasla nispeten düşük lokal tepe gerilim değerlerine neden olmaktadır. Uzun kesiler ve çift yama vakaları ilk stenozu onarmada en etkilidir. Erişkin damarlar için mikroyapı; konjenital kalp defektlerinin prognozundaki önemine rağmen, embriyonik aşamalar hakkındaki sınırlı bilgi olmamakla birlikte literatürde ayrıntılı olarak incelenmiştir. Embriyonik damarlanma, mekanik yük altında, çok hücreli vasküler yapıya doğru hızla dönüşen düzensiz fakat dinamik yumuşak bir dokuyu temsil ettiği varsayılmaktadır. Bu nedenle tezin ikinci bölümünde; embriyonik faringeal aortik arkın mikroyapısal evrim süreci, valide edilmiş bir açık kaynak eklenti olan FEBio ile uzun dönem bir büyüme ve yeniden şekillenme hesaplama modeli oluşturularak simüle edilmiştir. Optik koherens tomografi eşliğinde basınç ölçümleri, kritik embriyonik aşamalara göre atanmıştır. Anahtar mikroyapısal bileşenlerin akülümasyonu, altı embriyonik ark için zoom konfokal mikroskopi ile kaydedildi. Kollajenin farklı arklarda, farklı boyutlarda ve farklı embriyonik zamanlar boyunca kemer duvarı kalınlığı boyunca toplam miktarı ve radyal varyasyon eğimi normalleştirilmiş ve istatistiksel olarak karşılaştırıldı. Ark büyüme modeli, lümen sınırındaki gerili seviyelerinin, matris içeriği üretim oranlarına bağlı olarak 270 Pa'dan (embriyonik Aşama 18) 600 Pa'dan (embriyonik Aşama 24) daha yüksek bir seviyeye yükseldiğini gösterirken, homeostatik gerinim seviyesi sabit tutuldu. İstatistiksel testler; toplam kollajen seviyesi embriyonik zamana bağlı olarak değişse de, sayısal model sonuçlarına göre lümen etrafında radyal lokalizasyon olduğunu kanıtlamıştır. Üçüncü bölümde; birinci ve ikinci bölümde geliştirilen metodoloji birleştirilerek, ideal bir MPA anatomisi için cerrahi yama rekonstrüksiyon sürecini ilk önce bir kıyaslama modeli olarak incelemek üzere açık kaynak FEBio yazılım paketinde elastik büyüyen bir malzeme modeli geliştirilmiştir. Daha sonra da model, yenidoğanın hastaya özgü pulmoner damar üzerinde uygulanmıştır. Yama rekonstrüksiyonunu takiben, arteriyel dokudaki büyüme ile yüksek düzeyde gerilim ve gerinim dengelenmektedir ve büyüme ilerledikçe, arteriyel dokunun elastik deformasyonları sınırlamak için sertleşmesi beklenir. Bu çalışmada; arteriyel büyüme somatik büyüme platolarının olduğu 18 yaşına kadar simüle edildi. Araştırmanın bulguları, büyümeyen yama malzemesinin simülasyon zaman çizelgesi boyunca düşük gerilme durumunda kalırken yüksek gerilimli önemli noktaların bulunduğunu göstermektedir. Bu yeni hesaplama yaklaşımı, postoperatif sonuçların iyileştirilmesi için optimal yama biyomekaniği geliştirmek üzere doğal arterlerin ve yapay ve büyümeyen malzemelerin dengesiz büyümesini ölçmek için kompleks pediyatrik yama ameliyatlarının ameliyat öncesi planlamasında etkilidir.

Özet (Çeviri)

Approximately 1 in 100 children are born with a clinically significant congenital heart defect. Surgical treatment of congenital heart disease (CHD) involves complex vascular reconstructions utilizing artificial and native surgical materials. The objective of this thesis is to establish a predictive computational model for the volumetric growth of arterial tissue following complex cardiovascular patch reconstructive surgeries for pediatric and newborn patients. For the first time in the literature, the growth mechanics and performance of the growing arterial tissue domain in contact with artificial cardiovascular patches is established in this thesis. In the first part, this thesis proposes a new in silico patient-specific pre-surgical planning framework for patch reconstruction and investigates its computational feasibility. The proposed protocol is applied to the patch repair of main pulmonary artery (MPA) stenosis in the Tetralogy of Fallot CHD template. Implantation of different unloaded patch shapes is simulated through a quasi-static finite-element vascular model with shell elements and the effects of stenosis grade, the three-dimensional shape of the surgical incision and material properties of the artificial patch are investigated. Stress-strain data obtained in-house, through the biaxial tensile tests to obtain the mechanical properties of common surgical patch materials, Dacron, Polytetrafluoroethylene (PTFE), human pericardium and porcine xenopericardium. Finite-element model is experimentally validated through the actual patch surgery reconstructions performed on the 3D printed anatomical stenosis replicas. According to our findings, the shorter incisions made at the throat result in relatively low local peak stress values compared to other patch design alternatives. Longer cut and double patch cases are the most effective in repairing the initial stenosis. The microstructure for mature vessels has been investigated in detail in literature while there is limited information about the embryonic stages, in spite of their importance in the prognosis of congenital heart defects. It is hypothesized that the embryonic vasculature represents a disorganized but dynamic soft tissue, which rapidly evolves towards a specialized multi-cellular vascular structure under mechanical loading. Hence in the second part of thesis, the microstructural evolution process of the embryonic pharyngeal aortic arch structure was simulated using an in ovo validated long-term growth and remodeling computational model, implemented as an in-house FEBio plugin. Optical coherence tomography-guided servo-null pressure measurements are assigned through the critical embryonic stages. The accumulation of key microstructural constituents was recorded through zoom confocal microscopy for all six embryonic arch arteries. The total amount and the radial variation slope of the Collagen along the arch wall thickness in different arches and for different embryonic times, with different dimension scales, were normalized and compared statistically. The arch growth model shows that the stress levels around the lumen boundary increases from 270 Pa (embryonic Stage 18) to a level higher than 600 Pa (embryonic Stage 24), depending on matrix content production rates, while the homeostatic strain level is kept constant. The statistical tests show that although the total Collagen level changes with embryonic time, it proves radial localization around lumen, in accordance with numerical model results. In third part, combining the methodology developed in the Part 1 and 2 of this thesis, an elastic-growing material model was developed in the open source FEBio software suite to first examine the surgical patch reconstruction process for an idealized MPA anatomy as a benchmark model and then for the patient-specific pulmonary arteries of a newborn. Following patch reconstruction, high levels of stress and strain are compensated by growth on the arterial tissue. As the growth progresses, the arterial tissue is predicted to stiffen to limit elastic deformations. We simulated this arterial growth up to the age of 18 years, when somatic growth plateaus. Our research findings show that the non-growing patch material remains in a low strain state throughout the simulation timeline, while experiencing high stress hot-spots. This new computational approach is effective for the pre-surgical planning of complex patch surgeries to quantify the unbalanced growth of native arteries and artificial non-growing materials to develop optimal patch biomechanics for improved postoperative outcomes.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    434275

    Application of computational fluid dynamics to investigate hemodynamics of two types of cardiovascular diseases: Cerebral aneurysm and failure of fontan circulation

    Hesaplamalı akışkanlar dinamiğinin kardiyovasküler hastalıkların hemodinamik incelemesinde uygulanması: Serebral anevrizma ve fontan dolaşımında bozukluk

    GÖKÇE NUR OĞUZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    BiyomühendislikKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KEREM PEKKAN

  2. Tez No

    442521

    Urban growth simulations with agent-based modeling and cellular automata

    Hücresel özdevinim ve etmen tabanlı modeller ile kentsel büyüme simülasyonları

    CEMAL KORAY BİNGÖL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    MimarlıkYıldız Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MERYEM BİRGÜL ÇOLAKOĞLU

  3. Tez No

    355291

    Modeling and simulation of photobioreactors for biological hydrogen production

    Biyolojik hidrojen üretimi için fotobiyoreaktör modeleme ve sımulasyon

    DOMINIC DEO ANDROGA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    BiyoteknolojiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İNCİ EROĞLU

    YRD. DOÇ. DR. BAŞAR UYAR

  4. Tez No

    583755

    Computational inelasticity of fibrous biological tissues with a focus on viscoelasticity, damage and rupture

    Başlık çevirisi yok

    OSMAN GÜLTEKİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    BiyomühendislikGraz University of Technology

    Prof. Dr. GERHARD A. HOLZAPFEL

  5. Tez No

    444261

    Modeling and implementation of biological neural systems

    Biyolojik sinir sistemlerinin modellenmesi ve gerçeklenmesi

    ÖZGÜR ERDENER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ

Geri Dön