Geri Dön

Modeling of two-phase blood flow and fluid-structure interactions in cerebral aneurysms

Serebral anevrizmalarda iki-fazlı kan akışının ve bunun damar duvarları ile etkileşimlerinin modellenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 828264
  2. Yazar: HAMED PAHLAVANI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Biyomühendislik, Makine Mühendisliği, Science and Technology, Bioengineering, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 97

Özet

Bu tez, her biri serebral anevrizma bozukluğunun değerlendirilmesi ve tahmini için sayısal araçların (örneğin, CFD ve FSI) farklı yönleriyle ilgilenen 7 bölümden oluşmaktadır. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, yaygın bir şekilde risk değerlendirmelerinde tek fazlı kan modelinin etkisini araştırmak için kullanılmıştır, ancak iki fazlı kan modeli ve FSI'ın başka bir uygulaması mevcut değildir. Bu nedenle, hastalıkların daha iyi anlaşılması amacıyla ileri uygulamaların değerlendirilmesi için bu tez önerilmiştir. Yırtılma riski değerlendirmesi, (a) Akış özellikleri (örn. Sızıntı akışın nüfuz derinliği, akışın karmaşıklığı ve akışın vurma bölgeleri) ve (b) duvar kayma gerilimine dayalı hemodinamik indeksler (örn., OSI ve TAWSS) olarak sınıflandırılabilir. Bölüm 1 giriş niteliğindedir ve serebral anevrizmaları, hastalığa yol açan mekanizmaları ve anevrizmaya bağlı yırtılmayı tahmin etmek ve değerlendirmek için mevcut hesaplama araçlarını gözden geçirir, yapılan çalışmaların amacı, içerikleri ve birbirleri ile bağlantıları açıklanmış, getirilen yeniliklerden bahsedilmiştir. Bölüm 2, tek fazlı, iki fazlı akış ve FSI'ın arkasındaki matematiksel teori hakkında çok derin bir anlayış sağlar. Kanın Newtonyen olmayan doğası göz önüne alındığında, burada Newtonyen olmayan iki viskozite modeli (tek fazlı için Casson ve iki fazlı kan varsayımı için Carreau-Yasuda) tartışılır. Ardından, FSI yaklaşımının ve uyarlamasının değerlendirildiği, tek fazlı kan varsayımına ilişkin yönetim denklemlerinin ve deforme olabilen damar yapısının mekaniğinin ayrıntılı olarak tartışıldığı FSI konsepti ile ilerler. Bu tezin en önemli yönlerinden biri, sayısal uygulamalar için açık kaynaklı çözücüler kullanmaktır. Tek fazlı ve iki fazlı kan CFD analizinin uygulanmasına ilişkin, CFD için OpenFOAM Foundation'dan ücretsiz ve açık kaynaklı yazılım olan OpenFOAM kullanılmaktadır. Bir FSI probleminin uyarlanması adına, OpenFOAM (FVM CFD çözücü) ve CALCULIX'i (FEM yapı çözücü) birleştirmek için preCICE multifizik bağlaşım araç kiti kullanılır. Ayrıca, sayısal sonuçlardan yırtılma riski değerlendirmelerine bir köprü oluşturmak için kullanılabilecek iki duvar kesme gerilimi tabanlı hemodinamik indeks (TAWSS ve OSI) tanıtılmıştır. Birinci hastanın subaraknoid kanama ve sol frontobazal hematom ile birlikte anterior komünikan arter anevrizmanın eşlik ettiği 41 yaşında bir kadın olduğu, ikinci hastanın dolikoektatik karotis ve vertebral arterleri olan 62 yaşında bir kadın olduğu, iki hastaya serebral anevrizma 3. bölümde verilmiştir. Dijital görüntüleme ve tıp formatındaki iletişimlerdeki 3B görüntüler, STL formatında hastaya özel 3B geometrilere anatomik olarak yeniden modellendi. İki anevrizmanın CFD ve FSI analizi için kullanılan FVM çözüm ağı, sınır koşulları ve sayısal uygulamaları bu bölümde ayrıntılı olarak tartışılmaktadır. xxvi Bölüm 4, tek fazlı ve iki fazlı modeller kullanarak serebral anevrizmadaki kanın taşınımını araştırmaktadır. İki fazlı Euler-Euler yaklaşımında, kan, Newtonyen olmayan özelliklere sahip dağılmış kırmızı kan hücrelerinin sürekli Newton plazmasında askıya alındığı iki iç içe geçen süreklilikler ile temsil edilir. Kırmızı Kan Hücresi (KKH) fazının Carreau-Yasuda sıvısı olduğu varsayılan iki fazlı modelin sonuçları, deneysel verilere karşı doğrulanmıştır. İki fazlı model tarafından hesaplanan yüksek OSI değerlerinin, tek fazlı tahmin edilenden çok daha geniş bölgeleri kapsadığı açıktı. Bu bölgelerin tek fazlı yaklaşımın tahmin edebileceği eşiğin altındaki TAWSS değerleriyle çakışması da aynı derecede önemliydi. Görünüşe göre tek fazlı model, yüksek yırtılma riski olan yerleri tespit edemedi. Sonuçlar, örneğin, pıhtı oluşumunun öncüleri olarak olası kullanımları için, örneğin sakküler anevrizmalardaki içbükey yapılar ve dar yollar gibi RBC'lerin kümelenme bölgelerini tanımlamak için ayrıca kullanıldı. Beşinci bölüm, iki fazlı Euler-Euler yaklaşımı ve Carreau-Yasuda viskozite modeli kullanılarak iki serebral anevrizmada hematokrit seviyesindeki değişikliklerin kan akışı üzerindeki etkisini araştırmaktadır. Sonuçlar, maksimum jet girişinin en düşük hematokrit seviyesinde elde edildiğini ve buna anevrizma kesesinin derinliklerindeki dar köşelerde güçlü akış çarpmalarını ve girişten anevrizma kubbesine yayılan istenmeyen karmaşık akış paternlerinin eşlik ettiğini gösterdi. Ayrıca H seviyesindeki azalma kubbe içindeki hız profilinin karakterini tek tepe profilinden çift tepe profiline değiştirmiş ve bu da yavru anevrizma oluşma olasılığını artırmıştır. Ayrıca, TAWSS ve OSI göstergeleri, H değerlerinin düşürülmesinin başlangıçta düşük riskli bir durumu, çok yüksek bir yırtılma riski durumuna dönüştürebileceğini göstermiştir. İki evreli Euler-Euler yaklaşımı, iki serebral anevrizmadaki kan akışı sorununu iyileştirmek için hematokrit seviyesindeki değişikliklerin etkisini aydınlatmak için kullanıldı. İki fazlı Euler-Euler yaklaşımının kapsamlı bir açıklaması ve ilgili viskozite spesifikasyonları önceki bölümde açıklanmıştır. Aynı hastaya özgü anevrizmalar ve daha önce tartışılan iki fazlı modelin sayısal uygulamaları burada kullanılmıştır. Bununla birlikte, bu bölüm, değişen Hematokrit değerlerine dayalı olarak akış karmaşıklığı, içeri akış saptırma bölgesinin özellikleri, penetrasyon derinlikleri ve kesme gerilimi parametrelerinin yaklaşımı ve yorumlarının bir değerlendirmesini sunar. Bölüm 6, Newton tipi olmayan kan akışı ve deforme olabilen damarların etkileşimlerini kullanarak hastaya özel bir anevrizma kubbesinin duvar hareketlerinin dinamiklerini araştırır. Söz konusu hasta eşlik eden subaraknoid kanama ve sol frontonazal hematom ile birlikte anterior komünikan arter anevrizmasına sahipti. Kabaca 300000 hücre ve giriş, deforme olabilen duvarlar ve çıkışlar gibi üç sınır yamasından oluşan bir 3B çözüm ağı ile sonlu hacimli bir CFD çözücüsü kullanıldı. Anevrizma duvarının deformasyonu için doğrusal bir elastik malzeme modeli düşünüldü ve yapısal hesaplamalarda, yaklaşık 12000 elementten oluşan katı bir hesaplama alanı ile bir sonlu eleman çözücüsü kullanıldı. CFD ve sonlu eleman çözücüler arasındaki bağlantı için bir açık kaynak koddan yararlanıldı. Sonuçlar, zirve sistolde, anevrizma kubbesindeki akışın girdap yapısının karmaşık olduğunu gösterdi. Ayrıca, akış alanındaki kararsızlıklar, duvar malzemesinin olası bir zayıflamasının kesinlikle yırtılma ve kanama riskinde bir artışa yol açacağından dolayı yoğun kesme kuvvetleri üretti. Akış alanının düzensizliği, yüksek OSI ve düşük TAWSS değerleriyle eşleşen belirgin duvar yer değiştirmeleriyle sonuçlanan, von Mises gerilmelerinin büyük değerlerini elde etti. Maksimum yer değiştirmeler, çoğunlukla çarpma bölgesinde kalmasına rağmen, kubbenin her yerinde durağan olmayan bir hareket sergiledi. Son olarak, 7. bölüm sırasıyla sonuçları ve yorumları içermektedir.

Özet (Çeviri)

This thesis is composed of 7 chapters, each of them dealing with different aspects of numerical tools (e.g., CFD and FSI) for prediction and assessment of cerebral aneurysm rupture. Computation fluid dynamics has been widely used to investigate the effect of single-phase blood model in the risk assessments, but no further application of two-phase blood model and FSI were available. For this reason, the thesis was proposed to evaluate further applications, with the aim of better understanding of the diseases. Rupture risk assessment can be classified as (a) Flow properties (e.g., inflow penetration depth, flow complexity and flow impingement zones) and (b) wall shear stress based hemodynamic indexes (e.g., OSI and TAWSS). Chapter 1 is introductory and reviews the cerebral aneurysms, the mechanisms leading to the disease, and current computational tools in order to predict and assess of aneurysm rupture. Chapter 2 gives a very deep understanding about the mathematical theory behind the single-phase, two-phase flow and FSI. Considering the non-Newtonian nature of blood, two non-Newtonian viscosity models (Casson for single-phase and Carreau– Yasuda for two-phase blood assumption) are discussed here. Then it proceeds with FSI concept where an appraisal of the FSI approach and its implementation, the governing equations regarding the single-phase blood assumption and mechanics of deformable vessel structure are discussed in detail. One of the most important aspects of this thesis is to use open-source solvers for numerical implementations. Regarding the implementation of single-phase and two-phase blood CFD analysis, OpenFOAM is used which is free and open-source software for CFD from the OpenFOAM Foundation. For the implementation of an FSI problem, the preCICE multi-physic coupling toolkit is used in order to couple OpenFOAM (FVM CFD solver) and CALCULIX (FEM structure solver). Furthermore, two wall shear stress based hemodynamic indexes (TAWSS and OSI) are introduced which can be used in order to make a bridge from numerical results to rupture risk assessments. Two patient-specific cerebral aneurysms are given in chapter 3 where the first patient was a female of 41 years old, who had anterior communicating artery aneurysm with concomitant subarachnoid hemorrhage and left frontobasal hematoma, and the second patient was a female of 62 years old, who had dolichoectatic carotid and vertebral arteries. The 3D images in digital imaging and communications in medicine format were anatomically remodeled into patient-specific 3D geometries in the STL format. The FVM mesh, boundary conditions and numerical implementations used for CFD and FSI analysis of two aneurysms are discussed in detail in this chapter. Chapter 4 investigates the blood transport in the cerebral aneurysm using single-phase and two-phase models. In two-phase Euler-Euler approach, the blood is represented by two interpenetrating continua where the dispersed red blood cells of non-Newtonian characteristics are suspended in the continuous Newtonian plasma. The results of twophase model, where the RBCs phase is assumed to be Carreau–Yasuda fluid, are validated against the experimental data. Furthermore, comparative analyses were performed in two patient-specific aneurysms, which indicated that for a given pulsatile flow rate, the two-phase blood approach has vitally advantageous over the single-phase assumption, and revealed a deeper inflow penetration, more complex flow structures and denser flow diversion zones in the aneurysm sac. It was obvious that the high OSI values calculated by the two-phase model covered much wider regions than the singlephase predicted. It was equally crucial that these regions coincided with the TAWSS values lower than the threshold that the single-phase approach can predict. Apparently, the single-phase model failed to spot sites of high rupture risk. The results were further exploited to identify the RBCs aggregation regions as, for example, the concave structures and narrow paths in the saccular aneurysms, for their possible use as the precursors of the thrombus formation. Chapter 5 investigates the effect of variations in the haematocrit level on the blood flow in two cerebral aneurysms using the two-phase Euler-Euler approach and the Carreau–Yasuda viscosity model. The results showed that the maximum inflow jet penetration was achieved at the lowest haematocrit level, and this accompanied with strong flow impingements at the narrow corners deep inside the aneurysm sac and undesired complex flow patterns spreading from entrance to the aneurysm dome. The decrease in H level also changed the characteristics of the velocity profile inside the dome from a single- to a double-peak profile, which increased the likelihood of a daughter aneurysm formation. Furthermore, the TAWSS and OSI indicators showed that lowering the H values could change an initially low-risk case into a very high rupture risk situation. The two-phase Euler-Euler approach was used to enlighten the effect of variations in the haematocrit level to cure the blood flow issue in two cerebral aneurysms. A comprehensive description of the two-phase Euler-Euler approach and the relevant viscosity specifications were described in the previous chapter. The same patient specific aneurysms and the numerical implementations of the two-phase model discussed before were used here. However, this chapter presents an appraisal of the approach and interpretations of the flow complexity, features of the inflow diversion zone, penetration depths and the shear stress parameters based on varying Hematocrit values. Chapter 6 investigates dynamics of the wall movements of a patient-specific aneurysm dome using the interactions of the non-Newtonian blood flow and the deformable vessels. The patient under consideration had an anterior communicating artery aneurysm with a concomitant subarachnoid hemorrhage and left frontonasal hematoma. A finite volume CFD solver was used with a 3D mesh of roughly 300000 cells and three boundary patches; the inlet, deformable walls and outlets. A linear elastic material model was considered for the deformation of the aneurysm wall and, in the structural computations, a finite element solver was employed with a solid domain of approximately 12000 elements. An open-source code was exploited for the coupling between the CFD and finite element solvers. Results showed that at the peak systole, the vortical structure of the flow in the aneurysm dome was complicated. Furthermore, the instabilities in the flow field produced intense shear forces, due to which a possible weakening of the wall material will certainly lead to an increase in the risk of the rupture and bleeding. The non-uniformity of the flow field acquired large values of the von Mises stresses, resulting in prominent wall displacements, which also matched to the high OSI and low TAWSS values. The maximum displacements exhibited a non-stationery movement everywhere in the dome though mostly remained in the region of the impingement. And finally, chapter 7 covers conclusions and remarks respectively.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    909051

    Hemodynamic characterization of heart and venous valves based on multi-phase blood flow and FSI modelling

    Çok fazlı kan akışı ve FSI modellemesine dayalı kalp ve venöz kapakçıkların hemodinamik karakterizasyonu

    REZA DARYANI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ

  2. Tez No

    712131

    Aort kapağı kan akımının katı-sıvı etkileşim yöntemiyle sayısal incelenmesi

    Numerical investigation of the aortic valve blood flow using fluid-structure approach

    ARMİN AMİNDARİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KADİR KIRKKÖPRÜ

  3. Tez No

    520078

    Heteregeneous computing for multi-phase blood flow simulations

    Çok-fazlı kan akış simülasyonları için heterojen hesaplama

    MEYSAM ABOUTALEBI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ

  4. Tez No

    849862

    Patient-specific in-silico hemodynamic characterization of the AAOCA anomaly in left coronary artery network

    Sol koroner arter ağındaki AAOCA anomalisinin hastaya özel ın-sılıco hemodinamik karakterizasyonu

    HACER DUZMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ

  5. Tez No

    444433

    CFD modeling of multiphase blood flow under body acceleration

    Vücut ivmesi altında çok fazlı kan akışının HAD modellemesi

    SALMAN ABUBAKR M.AMIN M.AMIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Makine MühendisliğiGaziantep Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. FUAT YILMAZ

Geri Dön