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Numerical Investigation of Blood Flow in Stented Intracranial Aneurysm Models Numerische ... PDF

149 Pages·2011·15.61 MB·English
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Numerical Investigation of Blood Flow in Stented Intracranial Aneurysm Models Numerische Untersuchung der Blutströmung durch intrakranielle Aneurysmen mit Stents Der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Grades DOKTOR-INGENIEUR vorgelegt von Efraín López Ramírez Erlangen - 2011 Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg Tag der Einreichtung : 06.05.2010 Tag der Promotion : 15.02.2011 Dekan: Prof. Dr.-Ing. habil. R. German Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. A. Delgado Prof. Dr. rer. nat. habil. U. Rüde Acknowledgments The present dissertation thesis is the result of my research work carried out during my stay at the Institute of Fluid Mechanics (LSTM), Friedrich-Alexander University Erlangen- Nuremberg, Germany. This thesis would have not been possible without the financial sup- port awarded by the National Council on Science and Technology of Mexico (CONACYT) and the German Academic Exchange Service (DAAD) to conduct my doctoral studies, this support is highly acknowledged. I am heartily thankful to my Ph.D. supervisor Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado Rodriguezforgivingmetheopportunitytoworkinhisgroupandforhissupport,motivation andguidancethroughoutmyresearchwork. Histechnicalandeditorialadviceswereessential for the completion of my dissertation. Muchas gracias por todo el apoyo. I am very much grateful to Prof. Dr. Dr. h.c. F. Durst for supporting my application for the scholarship that gave me the opportunity to join the LSTM and during the early stages of my stay in Germany. I also thank Dr. Kamen Beronov, former head of the Medical application group for his guidance,helpfuldiscussionsandconstructivecriticism. Furthermore,Iwouldliketoextend my thanks to the members of the dissertation committee and the president of the jury for accepting this thesis. Moreover, I would like to thank all colleagues at LSTM for the nice working atmosphere. It was a also a big pleasure to share part of the doctoral studies and life with my friends Christoph Scheit and Elsy Arratia, and at this point I want to thank them for the lovely moments we lived together. IwouldalsoliketotakethisopportunitytothankmyfriendsImetinErlangenlikeEstefania, Saúl,Fabricio,Poliana,Hesdras,Bianca,Carmen,Ramón,Anke,JoséLuis,JoséandPaloma for the wonderful friendship they offered me, you were a real support. Quiero expresar mis más profundos y sinceros agradecimientos a mis padres por todos los años de apoyo, por todos sus consejos. Gracias por haberme impulsado siempre y por toda la dedicación puesta en mí. A mis hermanos Mirsa, Ardelia, Simón, Rosa y Cecilia y a mi cuñnada Cecilia Durán muchas gracias por tantos momentos inovidables que hemos pasado juntos, gracias por las inagotables anécdotas que nos unen fuertemente como hermanos a pesar de la distancia. A mis sobrinos Monse, Mirsita, Manolo, Ricky y Moni, muchas gracias por ser como son y hacer de nuestras cortas visitas enormes momentos. ¡Muchas gracias Familia! Quieroagradecermuyespecialmenteamisegundafamilia,FranciscoySilvia. Lesagradezco infinitamente el apoyo en todo momento desde que tuve el gusto de conocerlos. A Francisco Jr. por tan elocuentes charlas y buen humor que siempre se agradecen. A mi tío Joselito y mis primos. Sofía, gracias por estar siempre a mi lado, aún en la distancia que nos separó al inicio de esta etapa. Gracias por todo el amor y el apoyo en este tiempo que me llevó alcanzar esta meta. Tú hiciste que este tiempo del doctorado fuera maravilloso. Gracias por creer en mi y estar a mi lado. ¡Te amo!. Abstract The present work aims to further advance the understanding of blood flow at and in cere- bral aneurysms. It focuses, in particular, on hemodynamic parameters associated with the formation and rupture of lateral and terminal aneurysms. Aneurysms are abnormally wide or bulging parts of an artery. The work includes also a study of hemodynamic effects of stent-like implants for treatment of such aneurysms. It was carried out using computational tomographydatafrompatients, softwaretoolsformedicalvisualizationandvesselgeometry reconstruction for grid generation, and commercially available software for computational fluid dynamics (CFD). The kind of patient-specific results on mechanical and geometric parameters of the kind obtained here can be used to assist the estimation of aneurysm rupture risk as well as the medical planning of endovascular interventions for treating vessels at high risk. The present worktreats, inparticular, theeffectofstentplacementonhemodynamicparameterssuchas blood flow velocity and wall shear stress. To that end, “virtual stenting” is performed and its effects simulated, in synthetic but geometrically representative models of intracranial aneurysms. The effectiveness of stenting in reducing the intra-aneurysmalflow and lowering the mechanical loads on the weakened aneurysmal wall is quantified. Qualitative knowledge of hemodynamic changes in cerebral aneurysms after stenting is gained, including e.g. the strength and location of areas with low flow and shear rates or the considerable significance of mutual situation of vessel branches and aneurysm. The predictive capability of simplified numerical models of stents is estimated against representations of flow through detailed models of stents. The work carried out in this thesis allows an estimate of the technical effort of CFD modeling of real aneurysms, including their treatment with endovascular implants, as well as the kind, range, and predictive value of information to be gained from such modeling. Kurzfassung Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Vertiefung des Verständnisses für die Blutströmung in der Nähe und innerhalb von Gehirnaneurysmen, insbesondere für hämodynamische Pa- rameter, welche mit der Bildung und Ruptur von lateralen und terminalen Aneurysmen in Verbindung gesetzt werden. Aneurysmen sind krankhafte Erweiterungen von arteriellen Abschnitten. Die Arbeit beinhalten darüber hinaus Studien über die hämodynamischen Effekte, die durch Stent-ähnlichen Implantaten, welche zur endovaskulären Behandlung von Gehirnaneurysmen eingesetzt oder untersucht werden, herbeigeführt werden können. Die Arbeit wurde anhand von Computertomographie-Daten realer Patienten und mithilfe von Software für medizinische Bildgebung und Gefäßgeometrie-Rekonstruktion sowie für com- putational fluid dynamics (CFD) durchgeführt. Die Art von Informationen über mechanischen und geometrischen Parametern, die auch die Mehrheit der in dieser Arbeit entstandenen Ergebnisse umfasst, kann zur Unterstützung bei der Einschätzung des Ruptur-Risikos von gefährdeten Gefäßen sowie bei der medizinischen PlanungihrerendovaskulärenBehandlungherangezogenwerden. DievorliegendeArbeitbe- fasstsichinsbesonderemitderAuswirkungeinerStent-PlatzierungaufhämodynamischePa- rameter wie Blutstromgeschwindigkeit und Wandscherspannung. Dafür wird eine “virtuelle Stent-Implantation” in synthetischen aber geometrisch repräsentativen Gefäßgeometrien im Rechner modelliert und die dadurch veränderte Hämodynamik dann mit CFD simuliert. DabeiwirddieEffizienzdesImplantatshinsichtlichderReduzierungdes Blutflussesundder mechanischenWandbelastunginAneurysmenquantitativuntersucht. Eswerdenqualitative Einsichten in weitere Veränderungen der Hämodynamik nach Stent-Platzierung gewonnen, wie z.B. die Stärke und Lage von Flecken mit niedriger Fluß- bzw. Scherrate oder der oft beträchtliche Einfluss der Lage eines Aneurysmas bezüglich der Krümmung benachbarter Gefäßabschnitte. Vereinfachte numerische Modelle von Stents werden gegenüber detail- lierten Darstellungen der Stent-Durchströmung bezüglich ihrer Aussagekraft bewertet. Die Lehren aus dieser Arbeit, wenn betrachtet im Zusammenhang, erlauben eine gute Ein- schätzung des für die CFD Modellierung von realen Aneurysmen erforderlichen technischen Aufwands, sowie derArt, der Wertspanneund derAussagekraft von Informationen, dieeine solche Modellierung als Mehrwert zu bringen verspricht.

Description:
effort of CFD modeling of real aneurysms, including their treatment with endovascular . 4.4.1 Blood flow changes induced by stents . 6 Outlook. 111. 6.1 Perspectives of the CFD in planning aneurysm treatment . 3.25 Examples of small additional aneurysms missed on DSA, but perfectly de-.
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