Validação numérica de um ensaio de insuflação para tecidos

Abstract

As Doenças Cardiovasculares (DCV) continuam a ser a principal causa de morte e morbilidade no espetro mundial. Estas doenças afetam o coração e os vasos sanguíneos, podendo levar ao desenvolvimento de patologias como insuficiência cardíaca, acidente vascular cerebral e aneurismas. Os aneurismas ocorrem com maior frequência na aorta e consistem no enfraquecimento e insuflação da parede arterial, podendo resultar na rutura do saco aneurismático. Segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS), considera-se um aneurisma quando o diâmetro de uma artéria é em 50% maior que o de uma saudável e, a partir de um diâme- tro máximo da artéria superior a 55 mm, é aceitável uma intervenção cirúrgica. No caso de haver um aumento significante no diâmetro sem chegar aos valores recomendados para cirurgia, opta-se por um tratamento alternativo de modo a mitigar os progressos do aneurisma. Não obstante, este critério cirúrgico tem-se revelado pouco eficiente, visto que nem todos os casos clínicos são lineares, sendo necessária uma avaliação mais pre- cisa. Neste cenário, torna-se interessante estudar o impacto que a Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) em consonância com os métodos tomográficos de Ressonância Magnética Cardiovascular (RMC) e Tomografia Computadorizada (TAC) têm na avaliação e prevenção dos Aneurimas da Aorta Torácica (AAT). Na presente dissertação, pretende-se aliar os conhecimentos de DFC com Interação Fluido-Estrutura (IFS) de modo a estudar o comportamento da parede de uma Aorta Ascendente Aneurismática (AAA) através da recriação numérica de um modelo capaz de simular um ensaio de insuflação experimental. Foram criados dois modelos com espessura da parede diferente, de modo a poder validar os resultados com a literatura existente. Nas simulações, realizadas no software SimVascular, foi possível observar o comportamento da parede aneurismática quando submetida a uma pressão interna proveniente do fluido escolhido que, na presente dissertação, foi a água, um fluido Newtoniano, fazendo com que não fosse necessário realizar uma análise de influência dos modelos de viscosidade não-Newtonianos. Para aumentar a veracidade do estudo numérico, procedeu-se à análise da sensibilidade das diferentes malhas criadas a fim de avaliar o impacto que o tamanho dos elementos teve nos resultados obtidos. Por fim, fez-se o estudo da influência que os modelos constitutivos têm na parede aneurismática e comparou-se os resultados obtidos com ensaios realizados in vitro, disponíveis na literatura existente, concluindo-se que a diferença entre os modelos numéricos, em termos de deslocamento da parede, não foi muito significativa em relação aos modelos experimentais, porém a diferença entre a tensão na parede dos modelos numéricos para os experimentais demonstrou-se algo significativa, devido em grande parte à falta de informação fornecida pelo artigo de modo a replicar o modelo. Por esta razão, existe uma janela de oportunidade para trabalhos futuros onde haja uma análise prévia das propriedades biomecânicas do material com o objetivo de reduzir as divergências entre os modelos numéricos e experimentais.

Cardiovascular Diseases (CVD) remain the leading cause of death and morbidity across the entire globe. These diseases affect the heart and blood vessels, which can lead to the development of certain pathologies namely heart failure, stroke and aneurysms. Aneurysms most frequently occur in the aorta region and consist in the weakening and inflation of the arterial wall, and may lead to an aneurysm rupture. According to the World Health Organization (WHO), it is considered an aneurysm when the diameter of an artery is 50% greater than that of a healthy artery and, from a maximum diameter greater than 55 mm, surgical intervention is advised. If there is a significant increase in diameter without reaching the values recommended for surgery, alternative treatment is chosen in order to mitigate the progress of the aneurysm. Nev- ertheless, this surgical criterion has been shown to be inefficient, as not all clinical cases are linear, thus requiring a more precise assessment. In this scenario, it becomes interest- ing to study the impact that Computational Fluid Dynamics (CFD), in consonance with some tomographic methods such as Magnetic Resonance Imaging (MRI) and Computed Tomography (CT), have on the assessment and prevention of Thoracic Aortic Aneurysms (TAA). In the present dissertation, it is intended to combine the knowledge from CFD with Fluid-Structure Interaction (FSI) in order to study the behaviour of an Ascending Aortic Aneurysm (AAA) wall through the numerical recreation of a model capable of simulating an experimental bulge inflation test. Two models were created with different wall thickness with the intention of validating the results with the existing literature. In these simulation, performed in the software SimVascular, it was possible to observe the behaviour of the aneurysm wall when subjected to an internal pressure originated by the chosen fluid, which, in the present dissertation, was water, a Newtonian fluid, making it unnecessary to perform an analysis regarding the influence of non-Newtonian viscosity models. In order to enhance the accuracy of the numerical study, an analysis regarding the different created meshes sensitivity was made, in a way that it could evaluate the impact that element size had on the obtained results. At last, it was studied the influence that the constitutive models have in the aneurysm wall and the numerical results obtained were compared with in vitro tests performed in the available literature, concluding that the difference between the numerical models and the experimental models, in terms of wall displacement, was not very significant. In spite of that, the difference in terms of wall stress between the numerical and the experimental models was somewhat significant, largely due to the lack of information provided by the article used to replicate the model. For this reason, there is a window of opportunity for future projects where a prior analysis of the bio-mechanical properties of the material is made in order to reduce the divergences between the numerical and experimental models.