Geri Dön

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

  1. Tez No: 909051
  2. Yazar: REZA DARYANI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 208

Özet

Bu tez, karmaşık biyolojik koşulları taklit etmede ve belirli hayati parametreleri ölçmede genellikle sınırlamalarla karşılaşan geleneksel in-vitro ve in-vivo çalışmaları tamamlayan bir teknik olan in-silico modelleme merceğinden fizyolojik olayları ve patolojik koşulları araştırmaktadır. Yüksek performanslı bilgi işlem alanındaki gelişmeler, in-silico modellerin kapasitesini önemli ölçüde artırmış ve geleneksel deneysel kurulumlarla elde edilmesi zor olan, dinlenmeden strese kadar çok çeşitli fizyolojik durumların simülasyonuna izin vermiştir. Bu araştırma, Akışkan-Yapı Etkileşimi (FSI) modellerini entegre ederek, insan vücudundaki karmaşık fizyolojik süreçleri etkili bir şekilde simüle etmek için hem akışkanlar mekaniğinden hem de yapısal dinamiklerden yararlanmakta, venöz kapak işlevini, Derin Ven Trombozu (DVT) ve aort darlığı gibi potansiyel riskleri ele alarak kan akışı dinamiklerinin anlaşılmasına katkıda bulunmakta ve terapötik stratejilerdeki potansiyel gelişmelere rehberlik etmektedir. Özellikle biyolojik kapakçıkların dinamiklerine odaklanan araştırma, bu kapakçıkların önemli rolünü ve genellikle ciddi kardiyovasküler durumlarla bağlantılı olan işlev bozukluklarının içerdiği karmaşıklıkları vurgulamaktadır. Tez, venöz kapakçıkların basit tek fazlı modellerinin simülasyonundan, kanın çok fazlı doğasının karmaşıklıklarını yakalamak için metodolojiler kullanarak daha sofistike çok fazlı modellere doğru ilerlemektedir. Immersed Boundary-Finite Element (IBFE) yöntemi ve Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formülasyonu gibi gelişmiş teknikler kullanan tez, çeşitli patolojik durumlar altında kapak dinamikleri anlayışımızı geliştirmekte ve gelecekteki kardiyovasküler hastalık araştırmaları ve potansiyel terapötik gelişmeler için değerli bilgiler sunmaktadır. Bu tezin önemli bir yönü, venöz ve aort kapakçıklarını çevreleyen biyomekanik ortamın daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlayan FSI simülasyonlarından elde edilen çeşitli hesaplama endekslerinin ve tanımlayıcıların kullanılmasıdır. Tezin kapsamına ilişkin bu genel açıklamanın ve kullanılan metodolojilerin kısa bir tanımının ardından, her bir bölümün kısa bir özeti aşağıda sunulmuştur. Geometri modelleme bölümü, venöz ve aort kapakçıklarının, hesaplamalı çalışmalarda dinamiklerini simüle etmek için kritik olan karmaşık yapılarını incelemektedir. Aort kapağına kıyasla nispeten basit olduğu için seçilen venöz kapakçığın modellenmesini detaylandırarak başlamakta ve hem tek fazlı hem de iki fazlı FSI simülasyonlarının gereksinimlerini karşılamak için sentetik geometrilerde yapılan değişiklikleri açıklamaktadır. Aort kapakları için bu bölümde, Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) çerçevelerinden uyarlanan sentetik geometrilerin, kapak işlevselliğini önemli ölçüde etkileyen kalsifikasyon temsillerini içerecek şekilde nasıl daha da değiştirildiği tartışılmaktadır. Kalsifikasyonun şiddeti kategorize edilmiş ve modeller farklı dereceleri yansıtacak şekilde ayarlanarak kapak hemodinamiği üzerindeki etkisinin analizi kolaylaştırılmıştır. Bu ayrıntılı geometrik modelleme, gelişmiş simülasyonlar için temel oluşturarak çeşitli patolojik koşullar altında bu kapakların mekanik davranışına dair daha derin bir kavrayış sağlar. Bir sonraki bölümde, akışkanlar mekaniği ve yapısal dinamikler arasındaki karmaşık etkileşimleri modellemek için IBM kullanılarak tek fazlı FSI simülasyonlarının geliştirilmesi ve uygulanması üzerinde durulmaktadır. Odak noktası, yapılar için Lagrangian tanımlamalarını ve akışkan dinamikleri için Eulerian tanımlamalarını entegre eden bir hesaplama çerçevesi kullanarak akışkan-yapı sistemlerindeki önemli yer değiştirmeleri ele almada Daldırılmış Sınır Yönteminin (IBM) uygulanmasıdır. IBM'in metodolojisi, Eulerian ve Lagrangian değişkenlerini birleştirmek için delta fonksiyonu çekirdekleri ile integral dönüşümleri kullanarak akışkan ve yapı alanları içinde kuvvetlerin ve gerilmelerin nasıl hesaplandığını ve etkileşime girdiğini göstererek ayrıntılı bir şekilde açıklanmaktadır. Simülasyon ayrıca biyolojik dokuların elastik özelliklerini doğru bir şekilde tasvir etmek için aort kapağı için bir Neo-Hookean hiperelastik modeli de dahil olmak üzere malzeme davranışı için kurucu yasalar kullanmaktadır. Bu bölümde ayrıca, sıvı-yapı etkileşimlerinin fiziğini yakalamak için kritik olan sayısal şemalar ve sınır koşulları tartışılmaktadır. Simülasyonda yüksek doğruluk sağlamak için hem akışkan hem de yapı alanları için gelişmiş ayrıklaştırma teknikleri kullanılmaktadır. İki fazlı FSI modeli geliştirme bölümü, hem Kırmızı Kan Hücrelerini (RBC'ler) hem de plazmayı içeren kan akışı dinamiklerini doğru bir şekilde simüle etmek için çok önemli olan tek fazlı kan akışı modelinden daha karmaşık iki fazlı modele geçişi incelemektedir. ALE yöntemini kullanan ANSYS\textsuperscript\textregistered Fluent-Structural coupled modülü, iki farklı karışabilir fazı ele alma kabiliyeti nedeniyle kullanılmakta ve fazların hacim oranlarının bire toplandığı kan dinamiklerinin daha gerçekçi bir temsilini sağlayarak kütle ve momentumun korunmasını sağlamaktadır. Hacim kesri denklemlerinin, korunum yasalarının ve RBC ve plazma fazlarının momentumuna yönelik özel denklemlerin entegrasyonu, kan içindeki etkileşimlerin ayrıntılı bir şekilde modellenmesine olanak tanır. Bu yöntem, kan akışındaki karmaşık etkileşimleri anlamak için gerekli olan sürüklenme gibi kuvvetleri de hesaba katmaktadır. FSI modelleri için ANSYS\textsuperscript\textregistered yazılımının kullanılması, akışkan-yapı etkileşimlerinde yer alan fiziğin doğru bir şekilde modellenmesini sağlarken hesaplama verimliliğini koruyan bölümlenmiş bağlantı tekniklerinin uygulanmasını göstermektedir. Bu kurulum, gerçekçi fizyolojik koşullar altında derin damarlar gibi kardiyovasküler yapıların mekanik ve hemodinamik davranışını anlamak için hayati önem taşımaktadır. Altıncı bölüm, kapakçıkların işlevini incelemek için gerekli olan hemodinamik karakterizasyon parametrelerini sunmaktadır. Bu ölçütler arasında transvalvüler, Duvar Kesme Gerilimi (WSS) tabanlı endeksler ve helisite tanımlayıcıları yer almakta ve kapakçıkların sağlıklı ve patolojik koşullar altındaki davranışlarına ilişkin değerli bilgiler sunmaktadır. Transvalvüler endeksler Geometrik Orifis Alanı (GOA), maksimum jet hızı, kinetik enerji, enerji dağılımı ve vortisite yoğunluğunu kapsar ve bunlar özellikle aort darlığı bağlamında kapak performansını değerlendirmek için kritik öneme sahiptir. Bu indeksler, kapak işlevini etkileyen enerji taşınımı ve akış modellerinin ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasını sağlar. Transvalvüler indekslere ek olarak, Zaman Ortalamalı Duvar Kesme Gerilimi (TAWSS), Salınımlı Kesme İndeksi (OSI) ve Göreceli Kalma Süresi (RRT) gibi WSS tabanlı indeksler incelenmiştir. Bunlar kan akışı ve vasküler endotel arasındaki etkileşimleri ölçmeye yardımcı olarak kayma ortamlarının endotel sağlığına ve kardiyovasküler hastalık ilerlemesine nasıl katkıda bulunduğuna ışık tutmaktadır. Bu bölümde ayrıca aortik alandaki kan akışının rotasyonel yönlerine bir bakış açısı sağlayan helisite tabanlı tanımlayıcılar da tanıtılmaktadır. Sıvı akışındaki sarmal hareketin skaler bir ölçüsü olan sarmallık, kan naklinin verimliliğini değerlendirmek ve potansiyel patolojik gelişmeleri tanımlamak için çok önemlidir. Her biri, özellikle aort kapak kalsifikasyonlarının varlığında, akış topolojisi ve sarmal yapının çeşitli yönlerini ölçen altı toplu akış sarmallığı tanımlayıcısı tartışılmaktadır. Bu tanımlayıcılar, hem sağlıklı hem de kalsifiye koşullar altında aort kapak performansını ve ilgili hemodinamik sonuçları anlamada helikal akış modellerinin önemini vurgulamaktadır. Son bölümde tek fazlı ve iki fazlı FSI simülasyonlarından elde edilen kritik bulgular sunulmaktadır. Venöz valfler için sonuçlar, özellikle yüksek basınç koşulları altında artan akış hızları ile akış bozuklukları potansiyeli arasındaki ilişkiyi vurgulamaktadır. Bu, tromboz riski ile ilişkili olabilecek resirkülasyona eğilimli bölgelerin tanımlanmasını içerir. Temel transvalvüler endeksler ve WSS tabanlı ölçümler, kapak yaprakçıkları üzerinde uygulanan mekanik stresler hakkında daha fazla bilgi sağlar. Aort kapakları söz konusu olduğunda, sonuçlar kalsifikasyonun hemodinamik modeller üzerindeki etkisini göstermektedir. Simülasyonlar, değişen kalsifikasyon derecelerinin enerji dağılımını ve sarmallığı nasıl etkilediğini ortaya koyarak kapakçık içindeki değişen akış dinamiklerine dair ayrıntılı bir perspektif sunuyor. Bu bulgular, patolojik koşulların hem venöz hem de aort kapakçıklarının biyomekanik ortamını nasıl etkilediğine dair kapsamlı bir anlayış sağlamaktadır. İki fazlı FSI simülasyonları, değişen akış hızları altında plazma ve RBC'ler arasındaki farklı akış davranışlarını ortaya koymaktadır. Daha yüksek hızlar vorteks oluşumuna, basınç dalgalanmalarına ve özellikle düşük kayma bölgelerinde kapakçıkların yakınında RBC birikimine yol açmaktadır. TAWSS ve OSI gibi WSS tabanlı endeksler, akış bozukluklarına ve tromboz riskine eğilimli alanları vurgulamaktadır. Bu bulgular, venöz fonksiyon ve trombüs oluşumunun anlaşılmasında iki fazlı modellemenin değerinin altını çizmektedir.

Özet (Çeviri)

This thesis explores physiological phenomena and pathological conditions through the lens of in-silico modeling, a technique that complements traditional in-vitro and in-vivo studies, which often face limitations in replicating complex biological conditions and measuring certain vital parameters. Advances in high-performance computing have significantly enhanced the capability of in-silico models, allowing for the simulation of a wide range of physiological states from rest to stress, which are challenging to achieve through conventional experimental setups. By integrating Fluid-Structure Interaction (FSI) models, this research leverages both fluid mechanics and structural dynamics to effectively simulate intricate physiological processes within the human body, addressing venous valve function, potential risks such as Deep Vein Thrombosis (DVT), and aortic stenosis, contributing to the understanding of blood flow dynamics and guiding potential advancements in therapeutic strategies. Focusing specifically on the dynamics of biological valves, the research highlights their pivotal role and the complexities involved in their dysfunction, which are often linked to severe cardiovascular conditions. The thesis progresses from simulating simple single-phase models of venous valves to more sophisticated multi-phase models, utilizing methodologies to capture the complexities of the multi-phase nature of blood. Employing advanced techniques such as the Immersed Boundary-Finite Element (IBFE) method and the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formulation, the thesis enhances our understanding of valve dynamics under various pathological states and contributes valuable insights for future cardiovascular disease research and potential therapeutic developments. A key aspect of this thesis is the utilization of various computational indices and descriptors derived from FSI simulations, which allows for a more comprehensive understanding of the biomechanical environment surrounding venous and aortic valves. After this general explanation of the thesis scope and a brief description of the methodologies utilized, a concise summary of the individual chapters is presented below. The chapter on geometry modeling explores the complex structures of venous and aortic valves, which are critical for simulating their dynamics in computational studies. It begins by detailing the modeling of the venous valve, chosen for its relative simplicity compared to the aortic valve, and describes the modifications made to synthetic geometries to meet the requirements of both single-phase and two-phase FSI simulations. For aortic valves, the chapter discusses how synthetic geometries, adapted from Computer-Aided Design (CAD) frameworks, are further modified to incorporate representations of calcification, which significantly affects valve functionality. The severity of calcification is categorized, and the models are adjusted to reflect different grades, facilitating the analysis of its impact on valve hemodynamics. This detailed geometric modeling forms the foundation for advanced simulations, providing a deeper insight into the mechanical behavior of these valves under various pathological conditions. The next chapter elaborates on the development and implementation of single-phase FSI simulations using the IBM to model the complex interactions between fluid mechanics and structural dynamics. The focus is on Immersed Boundary Method's (IBM) application in addressing significant displacements in fluid-structure systems, utilizing a computational framework that integrates Lagrangian descriptions for structures and Eulerian descriptions for fluid dynamics. The IBM's methodology is detailed, showcasing how forces and stresses are calculated and interact within the fluid and structure domains using integral transforms with delta function kernels to couple Eulerian and Lagrangian variables. The simulation also employs constitutive laws for material behavior, including a Neo-Hookean hyperelastic model for the aortic valve, to accurately depict the elastic properties of biological tissues. Additionally, the chapter discusses the numerical schemes and boundary conditions critical for capturing the physics of fluid-structure interactions. Advanced discretization techniques for both the fluid and structure domains are employed to ensure high fidelity in the simulation. The chapter on two-phase FSI model development investigates the transition from single-phase blood flow model to more complex two-phase model, crucial for accurately simulating the dynamics of blood flow involving both Red Blood Cells (RBCs) and plasma. The ANSYS Fluent-Structural coupled module, utilizing the ALE method, is employed due to its capability for handling two distinct miscible phases, providing a more realistic representation of blood dynamics where the volume fractions of phases sum to one, ensuring the conservation of mass and momentum. Significantly, the integration of volume fraction equations, conservation laws, and specific equations for the momentum of RBC and plasma phases allow for detailed modeling of interactions within the blood. This method accounts for forces such as drag, which is essential for understanding the complex interactions in blood flow. The use of the ANSYS software for FSI models demonstrates the application of partitioned coupling techniques, maintaining computational efficiency while ensuring accurate modeling of the physics involved in fluid-structure interactions. This setup is vital for understanding the mechanical and hemodynamic behavior of cardiovascular structures like deep veins under realistic physiological conditions. Chapter six presents the hemodynamic characterization parameters, which are essential in studying the valves' function. These metrics include transvalvular, Wall Shear Stress (WSS)-based indices, and the helicity descriptors, offering valuable insights into the behavior of valves under healthy and pathological conditions. The transvalvular indices encompass Geometric Orifice Area (GOA), maximum jet velocity, kinetic energy, energy dissipation, and vorticity intensity, which are critical for assessing valve performance, particularly in the context of aortic stenosis. These indices provide a detailed understanding of the energy transport and flow patterns that influence valve function. In addition to transvalvular indices, WSS-based indices such as Time-Averaged Wall Shear Stress (TAWSS), Oscillatory Shear Index (OSI), and Relative Residence Time (RRT) are examined. They help quantify the interactions between blood flow and the vascular endothelium, shedding light on how shear environments contribute to endothelial health and cardiovascular disease progression. The chapter also introduces helicity-based descriptors, which provide a perspective on the rotational aspects of blood flow in the aortic domain. Helicity, a scalar measure of helical motion in fluid flow, is crucial for evaluating the efficiency of blood transport and identifying potential pathological developments. Six bulk flow helicity descriptors are discussed, each quantifying various aspects of flow topology and helical structure, particularly in the presence of aortic valve calcifications. These descriptors highlight the importance of helical flow patterns in understanding aortic valve performance and the associated hemodynamic consequences under both healthy and calcified conditions. Last chapter presents the critical findings from the single-phase and two-phase FSI simulations. For venous valves, the results highlight the relationship between increased flow rates and the potential for flow disturbances, particularly under conditions of elevated pressure. This includes the identification of regions prone to recirculation, which may correlate with thrombosis risk. Key transvalvular indices and WSS-based metrics provide further insights into the mechanical stresses exerted on the valve leaflets. In the case of aortic valves, the results demonstrate the impact of calcification on hemodynamic patterns. The simulations reveal how varying degrees of calcification influence energy dissipation and helicity, offering a detailed perspective on the altered flow dynamics within the valve. These findings provide a comprehensive understanding of how pathological conditions affect the biomechanical environment of both venous and aortic valves. The two-phase FSI simulations reveal distinct flow behaviors between plasma and RBCs under varying flow rates. Higher velocities lead to vortex formation, pressure fluctuations, and RBC accumulation near valve cusps, especially in low shear regions. WSS-based indices like TAWSS and OSI highlight areas prone to flow disturbances and thrombosis risk. These findings underscore the value of two-phase modeling in understanding venous function and thrombus formation.

Benzer Tezler

  1. 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

  2. Tez No

    872505

    Design process, manufacturing and material characterization of a prosthetic polymer aortic heart valve

    Protez polimer aort kalp kapağının tasarım süreci, üretimi ve malzeme karakterizasyonu

    MÜGE YAREN YAŞARTÜRK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ

  3. Tez No

    895477

    Development and characterization of surgical locally oxidised regenerated cellulose hemostats

    Cerrahi lokal olarak oksitlenmiş rejenere selüloz hemostatların geliştirilmesi ve karakterizasyonu

    BEYZA ŞEREMET

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İKİLEM GÖCEK

  4. Tez No

    115827

    Dinamik manyetik rezonans görüntüleme ve ultrason kontrast ajanlı power doppler ultrasonografi ile meme lezyonlarında benign ve malign ayrımı

    Başlık çevirisi yok

    FAİK SUNGURLU

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    OnkolojiMarmara Üniversitesi

    Radyodiagnostik Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. ERKİN ARIBAL

  5. Tez No

    315325

    Sistem parametrelerinin ultrasonik medikal görüntüler üzerindeki etkilerinin incelenmesi

    Analysis of the system parameters effects on medical ultrasound images

    GERÇEK SUNMAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İNCİ ÇİLESİZ

Geri Dön