|
|
Stress-Strain Analysis of Aortic Aneurysms
Polzer, Stanislav ; Holeček, Miroslav (oponent) ; Horný, Lukáš (oponent) ; Burša, Jiří (vedoucí práce)
This thesis deals with abdominal aortic aneurysms and the possibility of using finite element method in assessment of their rupture risk. First part of the thesis is dedicated to an introduction into the problem, description of human cardiovascular system where the abdominal aorta, its anatomy, physiology and pathology is emphasized. There Processes leading to formationing of abdominal aortic aneurysms are also discussed. Risk factors contributing to creation of aneurysms are discussed next. Finally, an analysis of current clinical criteria which determine rupture risk of an abdominal aortic aneurysm is presented and compared with the new maximum stress criterion being currently in development. Main part of the thesis deals with the identification of relevant factors which affect stress and deformation of aneurysmal wall. This is connected with proposals of new approaches leading to predicting the rupture risk more accurately by using finite element stress-strain analysis. The impact of geometry is analyzed first with the conclusion that patient-specific geometry is a crucial input in the computational model. Therefore its routine reconstruction has been managed. Attention is then paid to the branching arteries which were neglected so far although they cause a stress concentration in arterial wall. The necessity of knowing the unloaded geometry of aneurysm is then emphasized. Therefore a macro has been written in order to be able to find the unloaded geometry for any patient-specific geometry of aneurysm. Mechanical properties of both aneurysmal wall and intraluminal thrombus were also experimentally tested and their results were fitted by an isotropic material model. The effect of the material model itself has been also investigated by comparing whole stress fields of several aneurysms. It has been shown that different models predict completely different stresses due to different stress gradients in the aneurysmal wall. The necessity of known collagen fiber distribution in arterial wall is also emphasized. A special program is then presented enabling us to obtain this information. Effect of intraluminal thrombus on the computed wall stress is analyzed in two perspectives. First the effect of its failure on wall stress is shown and also the impact of its poroelastic structure is analyzed. Finally the residual stresses were identified as an important factor influencing the computed wall stress in aneurysmal wall and they were included into patient-specific finite element analysis of aneurysms. Further possible regions of investigation are mentioned as the last part of the thesis.
|
|
|
Computational study of the impact of disorders in excitation propagation on left ventricular contraction
Vaverka, Jiří ; Rohan,, Eduard (oponent) ; Horný, Lukáš (oponent) ; Burša, Jiří (vedoucí práce)
This doctoral thesis deals with computational modeling of contraction of human left ventricle using finite element method. The primary goal is to determine the impact of the left bundle branch block on ventricular ejection fraction. Additionally, changes in ventricular motions, strains and stress distribution, resulting from the block, are also investigated. Electrical activation of left ventricle under healthy conditions and during the branch block is modeled by the monodomain equation coupled with an artificial ionic model designed to reduce the computational demands of the monodomain equation. Conduction velocity in myocardium is considered orthotropic. Calculated activation maps show that the left bundle branch block prolongs electrical activation by 50 % which agrees with clinically observed prolongation of the QRS complex on ECG. The activation maps are subsequently used in the simulations of ventricular mechanics to distribute the beginning of contraction throughout the finite-element mesh. Passive mechanical behavior of myocardium is described by an orthotropic hyperelastic model. Active stresses, induced by muscle contraction, are incorporated by means of the time-dependent active strain tensor. Contraction starts from a prestressed reference configuration representing the end-diastolic state of the ventricle. Pressure development during ejection phase is controlled by two-parametric Windkessel model. Results indicate that the left bundle branch block does not substantially reduce the pumping efficiency of the ventricle; ejection fraction in the diseased state decreased by only 2.3 % relative to the healthy conditions which agrees with some of the previously published clinical studies. Changes in displacements and strains, predicted by the model, correspond with clinical and experimental observations. Stress analyses revealed unexpectedly high stresses in the interventricular septum; further analyses with modified boundary conditions have been suggested in order to better assess these result.
|
|
|
Analysis of spontaneous collapse in elastic tubes
Netušil, Marek ; Maršík, František (vedoucí práce) ; Horný, Lukáš (oponent)
Interakce tekutiny s elastickou trubicí je komplikovaný problém, kterému se věnuje mnoho vědeckých pracovišť po celém světě. Tato práce se věnuje analýze zjednodušeného jednorozměrného modelu. Nejprve je uvedeno shrnutí použitých bilančních rovnic a základů teorie hyper-elasticity. Poté jsou uvedeny tři hlavní materiály hojně užívané pro popis cévních stěn. Pro tyto je prezentován postup pro odvození vztahu mezi deformací trubice a rozdílem vnějšího a vnitřního tlaku. V matematické části jsou uvedeny základní poznatky z teorie nelineárních hyperbolických rovnic a současné výsledky v oblasti existence a jednoznačnosti řešení jednorozměrných hyperbolických systémů. Je popsána analytická metoda řešení tzv. Riemannova problému, tj. řešení systému hyperbolických rovnic s po částech konstantní počáteční podmínkou. Tato metoda je poté aplikována na zkoumaný problém. Kvalitativní vlastnosti výsledných řešení jsou dány do souvislostí se zmíněnými modely používanými pro popis cévních stěn.
|
|
|
Mikroskopická stavba a mechanické vlastnosti aorty a plicnice
Kubíková, Tereza ; Tonar, Zbyněk (vedoucí práce) ; Kučera, Tomáš (oponent) ; Horný, Lukáš (oponent)
Úvod: Předkládaná dizertace je souborem sedmi studií, jejichž společným cílem byl popis funkční histologie aorty a jejích některých větví, popř. popis plicnice. Práce se zaměřuje na analýzu mikroskopického složení různých segmentů celé prasečí aorty během ontogeneze jako často užívaného experimentálního modelu, lidských kryoprezervovaných vzorků aorty, plicnice a jejich chlopní, dále na hodnocení poškození renální tepny při její katetrizační denervaci a na hodnocení osídlení umělých cévních náhrad po implantaci štěpu do myší břišní aorty. Úvod podává přehled o stavbě aorty a plicnice a jejich chlopní, o vybraných onemocněních postihující velké tepny a o histologických a biomechanických metodách používaných pro jejich charakterizaci. Metody: V práci jsme využili metody parafinových řezů s histologickým barvením, imunohistochemickým průkazem antigenů (α-hladký svalový aktin, desmin, vimentin, chondroitinsulfát, von Willebrandův faktor, neurofilamentový protein, tyrosin hydroxyláza) a biomechanické testy (jednoosé tahové zkoušky) k určení meze pevnosti, mezní deformace a Youngova modulu pružnosti. Ke kvantifikaci plošných podílů jednotlivých složek a k určení délkové hustoty elastinu v cévní stěně jsme použili stereologické metody založené na interakci testovacích mřížek o známých geometrických...
|
|
|
Mikroskopická stavba a mechanické vlastnosti aorty a plicnice
Kubíková, Tereza ; Tonar, Zbyněk (vedoucí práce) ; Kučera, Tomáš (oponent) ; Horný, Lukáš (oponent)
Úvod: Předkládaná dizertace je souborem sedmi studií, jejichž společným cílem byl popis funkční histologie aorty a jejích některých větví, popř. popis plicnice. Práce se zaměřuje na analýzu mikroskopického složení různých segmentů celé prasečí aorty během ontogeneze jako často užívaného experimentálního modelu, lidských kryoprezervovaných vzorků aorty, plicnice a jejich chlopní, dále na hodnocení poškození renální tepny při její katetrizační denervaci a na hodnocení osídlení umělých cévních náhrad po implantaci štěpu do myší břišní aorty. Úvod podává přehled o stavbě aorty a plicnice a jejich chlopní, o vybraných onemocněních postihující velké tepny a o histologických a biomechanických metodách používaných pro jejich charakterizaci. Metody: V práci jsme využili metody parafinových řezů s histologickým barvením, imunohistochemickým průkazem antigenů (α-hladký svalový aktin, desmin, vimentin, chondroitinsulfát, von Willebrandův faktor, neurofilamentový protein, tyrosin hydroxyláza) a biomechanické testy (jednoosé tahové zkoušky) k určení meze pevnosti, mezní deformace a Youngova modulu pružnosti. Ke kvantifikaci plošných podílů jednotlivých složek a k určení délkové hustoty elastinu v cévní stěně jsme použili stereologické metody založené na interakci testovacích mřížek o známých geometrických...
|
|
|
Analysis of spontaneous collapse in elastic tubes
Netušil, Marek ; Maršík, František (vedoucí práce) ; Horný, Lukáš (oponent)
Interakce tekutiny s elastickou trubicí je komplikovaný problém, kterému se věnuje mnoho vědeckých pracovišť po celém světě. Tato práce se věnuje analýze zjednodušeného jednorozměrného modelu. Nejprve je uvedeno shrnutí použitých bilančních rovnic a základů teorie hyper-elasticity. Poté jsou uvedeny tři hlavní materiály hojně užívané pro popis cévních stěn. Pro tyto je prezentován postup pro odvození vztahu mezi deformací trubice a rozdílem vnějšího a vnitřního tlaku. V matematické části jsou uvedeny základní poznatky z teorie nelineárních hyperbolických rovnic a současné výsledky v oblasti existence a jednoznačnosti řešení jednorozměrných hyperbolických systémů. Je popsána analytická metoda řešení tzv. Riemannova problému, tj. řešení systému hyperbolických rovnic s po částech konstantní počáteční podmínkou. Tato metoda je poté aplikována na zkoumaný problém. Kvalitativní vlastnosti výsledných řešení jsou dány do souvislostí se zmíněnými modely používanými pro popis cévních stěn.
|
|
|
Stress-Strain Analysis of Aortic Aneurysms
Polzer, Stanislav ; Holeček, Miroslav (oponent) ; Horný, Lukáš (oponent) ; Burša, Jiří (vedoucí práce)
This thesis deals with abdominal aortic aneurysms and the possibility of using finite element method in assessment of their rupture risk. First part of the thesis is dedicated to an introduction into the problem, description of human cardiovascular system where the abdominal aorta, its anatomy, physiology and pathology is emphasized. There Processes leading to formationing of abdominal aortic aneurysms are also discussed. Risk factors contributing to creation of aneurysms are discussed next. Finally, an analysis of current clinical criteria which determine rupture risk of an abdominal aortic aneurysm is presented and compared with the new maximum stress criterion being currently in development. Main part of the thesis deals with the identification of relevant factors which affect stress and deformation of aneurysmal wall. This is connected with proposals of new approaches leading to predicting the rupture risk more accurately by using finite element stress-strain analysis. The impact of geometry is analyzed first with the conclusion that patient-specific geometry is a crucial input in the computational model. Therefore its routine reconstruction has been managed. Attention is then paid to the branching arteries which were neglected so far although they cause a stress concentration in arterial wall. The necessity of knowing the unloaded geometry of aneurysm is then emphasized. Therefore a macro has been written in order to be able to find the unloaded geometry for any patient-specific geometry of aneurysm. Mechanical properties of both aneurysmal wall and intraluminal thrombus were also experimentally tested and their results were fitted by an isotropic material model. The effect of the material model itself has been also investigated by comparing whole stress fields of several aneurysms. It has been shown that different models predict completely different stresses due to different stress gradients in the aneurysmal wall. The necessity of known collagen fiber distribution in arterial wall is also emphasized. A special program is then presented enabling us to obtain this information. Effect of intraluminal thrombus on the computed wall stress is analyzed in two perspectives. First the effect of its failure on wall stress is shown and also the impact of its poroelastic structure is analyzed. Finally the residual stresses were identified as an important factor influencing the computed wall stress in aneurysmal wall and they were included into patient-specific finite element analysis of aneurysms. Further possible regions of investigation are mentioned as the last part of the thesis.
|
host ::
