Εμβιομηχανική πειραματική μελέτη και υπολογιστική προσομοίωση της ανθρώπινης κοιλιακής αορτής

Εμβιομηχανική πειραματική μελέτη και υπολογιστική προσομοίωση της ανθρώπινης κοιλιακής αορτής (EL)

Bio engineering experimental study and computational simulation of human abdominal aorta (EN)

Πομάκη Πομακίδου, Σοφία

Θεοτόκογλου, Ευστάθιος

Χαριτίδης, Κωνσταντίνος

Κουρκουλής, Σταύρος

ntua (EL)

masterThesis

2019-11-06

2020-04-03T07:50:06Z

Οι παθογένειες της ανθρώπινης κοιλιακής αορτής αφορούν στο μεγαλύτερο μέρος του δυτικού κόσμου και μαζί με το κάπνισμα είναι η συχνότερη αιτία θανάτου στον ανεπτυγμένο κόσμο. Σκοπός της παρούσης εργασίας είναι η Εμβιομηχανική πειραματική μελέτη των κεντρικών αρτηριών της ανθρώπινης κοιλιακής αορτής, η μαθηματική προτυποποίηση του προβλήματος με καταστατικές εξισώσεις υπερελαστικών μοντέλων καθώς και η υπολογιστική προσομοίωση με τη βοήθεια του εμπορικού λογισμικού ANSYS, ώστε μελλοντικά να λαμβάνουμε περισσότερη και ποιοτικότερη πληροφορία από το προσομοίωμα μειώνοντας το κόστος, τον χρόνο και τους περιορισμούς που επιτάσσει η πειραματική προσέγγιση. Για την εργασία αυτή ελήφθησαν ανθρώπινα δοκίμια, με την τήρηση των κανόνων ηθικής και δεοντολογίας, από 20 δότες. Από αυτούς μελετήθηκαν οι δεξιά και αριστερή νεφρική αρτηρία, οι άνω και κάτω μεσεντέριες καθώς και οι εσωτερικές και εξωτερικές αριστερές και δεξιές λαγόνιες αρτηρίες (8 αρτηρίες από κάθε δότη). Στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε πείραμα ταυτόχρονης έκτασης και διόγκωσης μετρήθηκαν μεγέθη όπως εξωτερική διάμετρος του δοκιμίου, ενδοαυλική πίεση και αξονική δύναμη και κατόπιν μαθηματικής επεξεργασίας απεικονίσαμε τις τάσεις και παραμορφώσεις στην αξονική και αζιμουθιακή κατεύθυνση. Με τη βοήθεια της Μηχανικής του συνεχούς μέσου μελετήσαμε μοντέλα Συνάρτησης Πυκνότητας Τροπικής Ενέργειας ώστε να σχηματίσουμε άποψη για το πιο προβλέπει καλύτερα τις φορτίσεις του φυσικού προβλήματος. Στο τελευταίο στάδιο αναπτύξαμε μία εμπεριστατωμένη έρευνα για την υπολογιστική προσομοίωση των αρτηριών στα πλαίσια της οποίας χρειάστηκε να γράψουμε κώδικες προσδιορισμού σε πολλά σημεία της προσομοίωσης δεδομένου ότι το εμπορικό λογισμικό δεν έχει αναπτύξει βιβλιοθήκες και εργαλεία για την αντιμετώπιση υπερελαστικών βιολογικών υλικών. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν έδειξαν ότι 2 υπηρξε μεγάλη συμφωνία του προσομοιωτικού μοντέλου με το πειραμα και μάλιστα ακόμη και χωρίς την προσθήκη της αλληλεπίδρασης του ρευστού με το στερεό σώμα η κατανομή των τάσεων και παραμορφώσεων προσέγγισε άριστα τις πειραματικές μετρήσεις. Σε μελλοντική έρευνα επιθυμούμε να διερύνουμε την επικαιροποίηση του προσομοιωτικού μοντέλου επιλύοντας και άλλους συναφείς τύπους αρτηριών και να καταλήξουμε σε ένα γενικό μοντέλο που να περιγράφει τη συμπεριφορά των αρτηριών της κοιλιακής αορτής με επιδεχόμενες μικρομεταβολές κατάλληλες κάθε φορά για την πλήρη περιγραφή της φυσικής λειτουργίας του ιστού. (EL)

Cardiovascular diseases and pathogens of bearing aorta occupy with smoking main causes of mortality in the modern world. The scope of this study is to determine by Bio engineering experimental methods the stress and strain field, to formulate with strain energy functions stress and strain and finally to implement a computational simulation with ANSYS commercial software, suitable to approach physical problem. This way in the future we will be able with less time, money and experimental constrains to extract information about soft tissues which is critical for life. 12 For this study arteries where undertaken of 20 persons, respected the protocol for ethical issues and where examined to inflation extension Bio mechanical tests. We studied 8 items per person (left & right renal artery, superior & inferior mesenteric, left & right external &internal iliac artery). We collected data for lumen pressure, external diameter and axial force and with mathematical formulation we calculated stresses and strains for every axis of our polar coordination system. 3 With continuum mechanics formulation we applied strain energy functions to our experimental data to investigate the best model’s fit. At the final stage we developed new methods to simulate hyper elastic bio materials where definition codes were necessary to interface the physical problem with the commercial software. ANSYS had no libraries and specialized tools for Hyper elastic Bio materials and with the comparison of customized rubber like materials versus our hyper elastic biomaterial, showed that error was eliminated and convergence was accelerated. Furthermore, the simulated model had a great approximation to experimental data. In future research we intent to apply our results to other arteries of bearing aorta and find out if there is a generic model that can describe an overall of elastic arteries and can be modified to recognize similarities and differences aligned to physical loads. (EN)

Abdominal aorta, fluid dynamics, hyper elastic materials, strain energy functions, computational models for bio materials (EL)

Κοιλιακή αορτή, ρευστοδυναμική, υπερελαστικά υλικά, συναρτήσεις τροπικής ενέργειας, υπολογιστικά μοντέλα για βιο υλικά (EL)

Ελληνική γλώσσα

Laboratory of testing materials (EL)

Σχολή Χημικών Μηχανικών (EL)

Default License

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Ψηφιακό Αποθετήριο της Κεντρικής Βιβλιοθήκης του ΕΜΠ | Dspace@NTUA

Κεντρική Βιβλιοθήκη Ε.Μ.Π.

Ιδρυματικό Αποθετήριο

Μεταπτυχιακές Εργασίες