Blood flow modeling at the left atrium

Přispěvatelé: Φωτιάδης, Δημήτριος Ι., Νάκα, Αικατερίνη Κ., Γεργίδης, Λεωνίδας Ν.
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Popis: Το καρδιαγγειακό σύστημα είναι ένα πολύπλοκο σύστημα που εκτελεί αδιάπαυστα απαιτητικά καθήκοντα απαραίτητα για την ζωή. Πολλοί θάνατοι ευθύνονται σε καρδιαγγειακές παθήσεις που προκύπτουν ως αποτέλεσμα καρδιακής προσβολής, στεφανιαίας νόσου ή εγκεφαλικού επεισοδίου. Η στεφανιαία νόσος και τα εγκεφαλικά επεισόδιά έχουν το υψηλότερο ποσοστό θνησιμότητας από οποιαδήποτε άλλη ασθένεια. Ωστόσο, οι τεχνολογικές εξελίξεις με εφαρμογή στην ιατρική, έχουν αναπτυχθεί ραγδαία με αποτέλεσμα την υποβοήθηση των κλινικών για ακριβέστερη διάγνωση. Πλέον είναι διαθέσιμες λεπτομερής απεικονιστικές τεχνικές, οι οποίες προσφέρουν πληροφορίες σχετικά με την καρδιακή λειτουργικότητα και την ανατομία. Ο αριστερός κόλπος είναι μια δομή με πολλαπλές εισόδους (πνευμονικές φλέβες) και μια έξοδο (μιτροειδής βαλβίδα). Επίσης, προσκολλημένο στο πρόσθιο-πλευρικό τοίχωμα του αριστερού κόλπου βρίσκεται το αριστερό ωτίο, μια δύσμορφη κοιλότητα η οποία ευθύνεται για την δημιουργία θρόμβων. Ιδιαιτέρως έχει αποδειχθεί πως σε περιπτώσεις κολπικής μαρμαρυγής τα ποσοστά δημιουργίας θρόμβου αυξάνονται καθώς επηρεάζεται η συσταλτικότητα και η ροή του αίματος δυσχεραίνει. Η παρούσα μεταπτυχιακή μελέτη εστιάζει στην ανάπτυξη ενός αλγορίθμου για την ημι-αυτόματη τμηματοποίηση του αριστερού κόλπου. Στη συνέχεια, θα ανακατασκευαστούν οι τρισδιάστατες γεωμετρίες οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν για την διερεύνηση των αιμοδυναμικών παραμέτρων του αριστερού κόλπου, χρησιμοποιώντας την μέθοδο της υπολογιστικής ρευστομηχανικής. Για τον σκοπό της τμηματοποίησης και της ανακατασκευής θα χρησιμοποιηθούν δεδομένα αξονικής τομογραφίας, τα οποία θα επεξεργαστούν με κλασικές μεθόδους επεξεργασίας εικόνας. Σκοπός είναι η επίτευξη ακρίβειας στις γεωμετρίες, έτσι ώστε να αναπαριστούν σε ρεαλιστικό επίπεδο τους ασθενείς. Σε αυτή τη μεταπτυχιακή διατριβή, αναπτύξαμε και μελετήσαμε 13 διαφορετικές ανατομικές μορφολογίες του αριστερού ωτίου, για συγκεκριμένους ασθενείς. Η μελέτη των αιμοδυναμικών παραμέτρων είναι σε θέση να ρίξει φως στην λειτουργικότητα του ωτίου. Πιο συγκεκριμένα εστιάσαμε στην επίδραση των διαφορετικών μορφολογιών στις ταχύτητες ροής του αίματος και κατ’ επέκταση στην δημιουργία θρόμβου. Για συνοριακές συνθήκες και παραμετροποίηση των προσομοιώσεων χρησιμοποιήθηκαν κλινικά δεδομένα των ασθενών. Πιο συγκεκριμένα δεδομένα διοισοφάγειου υπερηχογραφήματος ψηφιοποιήθηκαν έτσι ώστε να εξαχθούν τα προφίλ ταχύτητας. Εφαρμόστηκαν πέντε διαφορετικά προφίλ ταχύτητας, τα οποία αναπαριστούν μια κανονική κατάσταση και 4 παθολογικές. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων διέφεραν σημαντικά ανάλογα με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του κόλπου αλλά και της μορφολογίας του ωτίου. Πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί ταχυτήτων, διατμητικών επιφανειακών τάσεων, προκειμένου να συσχετιστούν με την δημιουργία θρόμβωσης. Ο μελλοντικός σκοπός αυτής της έρευνας είναι να προφέρει δυνητικά βοήθεια και ταχύτητα στη λήψη αποφάσεων των κλινικών. The cardiovascular system is a complex system which performs inextinguishable powerful tasks essential for life. Many deaths from cardiovascular diseases would occur as the result of heart attack, coronary artery disease or stroke. Coronary heart disease and strokes have the highest mortality rate than any other disease. Moreover, the technological advancements in medical imaging technologies, have helped to detect both anatomical and physiological abnormalities. Detailed information about the cardiac functionality have become faster and more feasible, providing a variety of outcomes with functional and anatomical information. Although in this study we focus to use mostly blood flow patterns to investigate blood flow and CT images to obtain the computational domains. At the upper left side of the heart the left atrium and left atrial appendage are interlinked cardiac cavities. The atrium is a structure with multiple inlets at the insertion of the pulmonary veins, a single outlet at the mitral valve orifice and the presence of the left atrium appendage, a highly complex blind-ended structure on the anterior-lateral wall of the left atrium whose anatomical shape is highly variable. The significance of the atrium and appendage in several clinical conditions, such as atrial fibrillation or valvular disease is critical. Studies have constituted the appendage as one of the most significant sources of cardioembolic events, predominantly in patients with atrial fibrillation but also in other types of cardiac dysfunctionalities. In this thesis, we developed and analyzed 13 different patient-specific 3D anatomical models of the left atrium, which will be used to analyze the blood flow through In-silico simulations. The study of the blood’s hemodynamic parameters will be able to shed light into atrium’s and appendage’s functionality. Specially we focused on appendage’s impact on thrombus formation by implementing local hemodynamics at the left atrium and the left atrial appendage using computational fluid dynamics. The aim of this thesis is to describe a novel approach using computational fluid dynamics, to analyze/describe the hemodynamic behavior at the left atrium and left atrium appendage, according to different anatomical morphologies and fluid velocities. This thesis focuses to study the blood flow inside the atrium and the velocity distribution at the appendage cavity. A 3D semi-automated reconstruction approach used to segment and reconstruct left atrium 3D geometries and obtain the computational domain. This aspect of coupling computational fluid dynamics with medical imaging makes it possible to reconstruct patient-specific models. Cardiac computed tomography scans used from 13 different patients. The target is to obtain as much as possible reliable and accurate 3D models for reliable visual representations. We applied boundary conditions extracted from patients-specific clinical data. Mostly, velocity data used as inputs to parameterize the models and validate them. In-vitro patient-specific velocity data obtained from Transesophageal Echocardiography (TEE) used, to be digitized and obtain the appropriate profiles. Five different velocity profiles simulated to each patient case, representing one normal condition and four abnormal. Simulations varied significantly according to left atrium Appendage. Wall Shear Stress (WSS) calculations were performed, in order to correlate the velocities with wall shear stress and the resulting thrombus formation inside the appendage cavity. A further goal of this thesis is to provide subject-specific models with potential effort to professional clinicians in decision-making. 129 σ.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: