Blood flow modelling in arteries with deformable walls

Abstract

This thesis deals with blood flow modelling in arteries with rigid or deformable walls. Its primary scope is to investigate the influence of the arterial wall on blood flow modelling and in particular, on important hemodynamic parameters such as intravascular pressures and wall shear stress. In this direction, finite element simulations are performed on patient-specific 3-dimensional coronary arterial models using real patient-specific boundary conditions in order to validate the efficacy of both methods (i.e. rigid or deformable walls). The subsequent scope of the thesis is to establish new computational methods for the functional assessment of coronary stenoses utilizing non-invasive or invasive coronary imaging modalities, with emphasis given on non-invasive techniques. The final aim of this thesis is to create integrated software suites of 3D reconstruction and functional assessment of coronary arteries that will aid the clinician in every day clinical practice. The main contributions of this thesis can be summarized as: (i) the validation of the accuracy of blood flow simulations regarding important hemodynamic factors such as intravascular pressures, (ii) the thorough comparison between blood flow simulations in coronary arteries using rigid or deformable arterial walls, (iii) the application and establishment of indices (i.e. vFAI and smartFFR) for the functional assessment of coronary stenoses using either non-invasive (i.e. CCTA) or invasive coronary imaging modalities (i.e. IVUS or IVUS-ICA fusion), (iv) their comparison to already established techniques such as FFR and stress MBF and (v) the development of integrated systems for 3D coronary reconstruction, functional assessment and multiscale modelling.

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τη μοντελοποίηση της ροής αίματος σε αρτηρίες με παλλόμενα τοιχώματα. Βασικός της στόχος είναι η μελέτη της επίδρασης του αρτηριακού τοιχώματος στη μοντελοποίηση της ροής αίματος και πιο συγκεκριμένα, σε σημαντικές αιμοδυναμικές παραμέτρους όπως είναι οι ενδοαγγειακές πιέσεις και οι διατμητικές τάσεις που δημιουργούνται στο τοίχωμα. Σε αυτή την κατεύθυνση λοιπόν, έχουν πραγματοποιηθεί προσομοιώσεις με τη χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων σε τρισδιάστατα μοντέλα στεφανιαίων αρτηριών με τη χρήση πραγματικών συνοριακών συνθηκών για την επαλήθευση της αποτελεσματικότητας των δύο μεθόδων (χρήση άκαμπτου τοιχώματος ή παραμορφώσιμου τοιχώματος). Επόμενος στόχος της διατριβής είναι η εγκαθίδρυση νέων υπολογιστικών μεθόδων για την εκτίμηση λειτουργικότητας στεφανιαίων βλαβών με τη χρήση μη επεμβατικών ή επεμβατικών μεθόδων στεφανιαίας απεικόνισης, με μεγαλύτερη έμφαση να δίνεται στις μη επεμβατικές τεχνικές. Τελικός σκοπός της διατριβής είναι η δημιουργία λογισμικού για την τρισδιάστατη ανακατασκευή αγγείων και την εκτίμηση της λειτουργικότητας στεφανιαίων αρτηριών, το οποίο θα μπορεί να βοηθά τον καρδιολόγο στην καθημερινή του εργασία. Η συμβολή της παρούσας διδακτορικής διατριβής συνοψίζεται στους παρακάτω παράγοντες: (i) επαλήθευση της ακρίβειας της μοντελοποίησης ροής αίματος σε ό,τι σχετίζεται με τον υπολογισμό σημαντικών αιμοδυναμικών παραμέτρων, (ii) η εκτενής σύγκριση προσομοιώσεων ροής αίματος με τη χρήση άκαμπτων ή παραμορφώσιμων τοιχωμάτων, (iii) η εφαρμογή και η εγκαθίδρυση δεικτών για την εκτίμηση της λειτουργικότητας στεφανιαίων αρτηριών, (iv) η σύγκρισή τους με ήδη αποδεκτές τεχνικές όπως η FFR και το MBF και (v) η δημιουργία συστημάτων για την τρισδιάστατη ανακατασκευή αγγείων και την εκτίμηση της λειτουργικότητας στεφανιαίων αγγείων.