Please use this identifier to cite or link to this item:
https://olympias.lib.uoi.gr/jspui/handle/123456789/29295Full metadata record
| DC Field | Value | Language |
|---|---|---|
| dc.contributor.author | Καρανάσιου, Γεωργία | el |
| dc.date.accessioned | 2019-03-06T09:54:17Z | - |
| dc.date.available | 2019-03-06T09:54:17Z | - |
| dc.identifier.uri | https://olympias.lib.uoi.gr/jspui/handle/123456789/29295 | - |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.26268/heal.uoi.2979 | - |
| dc.rights | Default License | - |
| dc.subject | Υπολογιστική μοντελοποίηση | el |
| dc.subject | Στεφανιαία ενδοπρόθεση | el |
| dc.subject | Παραμετρική ανάλυση | el |
| dc.subject | Πεπερασμένα στοιχεία | el |
| dc.subject | Computational moddelling | en |
| dc.subject | Finite element analysis | en |
| dc.subject | Pavametric analysis | en |
| dc.title | Υπολογιστική παραμετρική μοντελοποίση έκπτυξης ενδοπρόθετης σε πραγματικές αρτηρίες | el |
| dc.title | Computational modeling of parametric stent desing in human atherosclerotic arteries | en |
| heal.type | masterThesis | - |
| heal.type.en | Master thesis | en |
| heal.type.el | Μεταπτυχιακή εργασία | el |
| heal.classification | Computational modeling | en |
| heal.dateAvailable | 2019-03-06T09:55:17Z | - |
| heal.language | en | - |
| heal.access | free | - |
| heal.recordProvider | Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών | el |
| heal.publicationDate | 2018 | - |
| heal.bibliographicCitation | Βιβλιογραφία: σ. 129-141 | el |
| heal.abstract | Η συμπεριφορά που παρουσιάζουν τα στεντ κατα την διάρκεια της έκπτυξης τους αλλά και κατά την παραμονή τους εσωτερικά του ενδοαγγειακού τοιχώματος έχει αποτελέσει αντικείμενο μελέτης και έρευνας τα τελευταία χρόνια και έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον των επεμβατικών καρδιολόγων αλλά και των ερευνητών. Αυτό οφείλεται κυριώς στο γεγονός οτι η διαδικασία έκπτυξης αλλά και η εν δυνάμει τοποθέτηση του στεντ δύναται να συνοδεύεται από ανεπιθύμητες βλάβες, όπως η επαναστένωση του αυλού. Το φαινόμενο αυτό προκαλείται και είναι αποτέλεσμα πολλών παραγόντων που δρούν αθροιστικά όπως το υλικό του στεντ καθώς και λοιπά σχεδιαστικά χαρακτηριστικά, όπως το μήκος του στεντ, το πάχος του συνδέσμου, κλπ. Η ανάπτυξη του τομέα της τεχνολογίας οδήγησε στην ανάδειξη και χρήση υπολογιστικών μεθόδων, μέσω των οποίων παρέχεται η δυνατότητα μελέτης και ανάλυσης πλήθους προβλημάτων. Κατά αυτόν τον τρόπο, πολλές ερευνητικές ομάδες βασιζόμενες στην μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και χρησιμοποιώντας κατάλληλα υπολογιστικά εργαλεία μελέτησαν την συμπεριφορά του στεντ κατά την έκπτυξη του. Αρχικά το ενδιαφέρον των ερευνητών επικεντρώθηκε στην ανάλυση της συμπεριφοράς του στεντ θεωρώντας οτι δεν έρχεται σε επαφή με τον αυλό (ελεύθερη έκπτυξη). Οι παράμετροι που μελετήθηκαν ήταν η μείωση του μήκους του στεντ, η διάμετρος του και η «υποχώρηση» απο την αρχική του παραμορφωμένη κατάσταση [1], [2]. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση των σχεδιαστικών λεπτομερειών, όπως ο αριθμός, το πάχος και το μήκος κάθε «κελιού» του στεντ [1], [3], [4]. Αργότερα, στις μελέτες που έγιναν, ενσωματώθηκε και το αρτηριακό τοίχωμα δεδομένου οτι υπήρχε η ανάγκη να μελετηθεί η επίδραση που έχει το στεντ στο εσωτερικό του αυλού αλλά και στο αρτηριακό τοίχωμα γενικότερα. Σε αυτές τις μελέτες, το αρτηριακό τοίχωμα προσομοιαζόταν με έναν ομοιογενή κύλινδρο με συγκεκριμένο πάχος ο οποίος εφερε εσωτερικά μια παραβολικής μορφής τρισδιάστατη μορφολογία, την αθηρωματική πλάκα. Αν και οι ανωτέρω παραδοχές εξιδανίκευαν την πραγματικότητα, παρήχαν ταυτόχρονα την δυνατότητα να έχουμε μια ποιοτική εκτίμηση για τις τάσεις και τις παραμορφώσεις που δεχόταν το τοίχωμα κατά την διάρκεια της έκπτυξης του στεντ αλλά και κατά την παραμονή του εσωτερικά του τοιχώματος [6], [138], [7]. Στις διάφορες μελέτες που έγιναν χρησιμοποιήθηκαν διαφορερικά υλικά για τα στεντ με στόχο την σύγκριση των επαγόμενων τάσεων και παραμορφώσεων [8], [9], [10], [11]. Επίσης διερευνήθηκε η επίδραση που επιφέρει ο διαφορετικός σχεδιασμός του στεντ, όπως η διάμετρος [12], η γεωμετρία των γεφυρών [13] η απόσταση του ορθοστάτη [14] το πάχος [15],η γωνία και το μήκος του στεντ [2], [16], [17]. Μολονότι οι ανωτέρω απλοποιημένες προσεγγίσεις συνέβαλαν στην κατανόηση της μηχανικής στεντ, υπήρξε επιτακτική ανάγκη να μοντελοποιηθεί η τρισδιάστατη αρτηριακή μορφολογία με πιο ρεαλιστικό τρόπο και να ενσωματωθούν στα υπολογιστικά μοντέλα τα ειδικά χαρακτηριστικά του κάθε ασθενή. Για να επιτευχθεί αυτό, χρησιμοποιήθηκαν πληροφορίες από διαφορετικές απεικονιστικές εξετάσεις (MRI, angio, IVUS, OCT) [217]. Κατά αυτόν τον τρόπο δόθηκε η δυνατότητα να συμπεριληφθούν τα συστατικά του αρτηριακού τοιχώματος και οι διάφοροι τύποι της αθηρωματικής πλάκας [185], [183], [101]. Η τρισδιάστατη ανακατασκευή του αρτηριακού τοιχώματος από την σύξευξη διαφόρων απεικονιστικών εξετάσεων προσέδωσε στα μοντέλα μια προσωποποιημένη προσέγγιση, ενσωματώνοντας εξατομικευμένα μορφολογικά χαρακτηριστικά, θεωρώντας όλα τα στρώματα του αρτηριακού τοιχωματος, και λειτουργώντας ως δίαυλος για την προώθηση και ανάδειξη της προσέγγισης της εξατομικευμένης ιατρικής [18]. Σε αυτές τις μελέτες, μελετήθηκε η επίδραση διαφόρων παραγόντων, όπως το υλικό του στεντ [21], τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά του στεντ [18], [22] και η μορφολογία του τοιχώματος [23]. Αυτή η εργασία αποσκοπεί στη διερεύνηση και αξιολόγηση της επίδρασης του υλικού και των σχεδιαστικών χαρακτηριστικών του στεντ κάνοντας χρήση τρισδιάστατων αρτηριών ανακατασκευασμένων από απεικονιστικές εξετάσεις. Η εργασία περιλαμβάνει 8 κεφάλαια. Το 1ο Κεφάλαιο παρουσιάζει μια ανασκόπηση σχετικά με την κλινική προσέγγιση και πιο συγκεκριμένα την αιτία ανάπτυξης της καρδιαγγειακής νόσου, των παραγόντων που συντελούν στην δημιουργία της αθηροσκλήρωσης, στις διαθέσιμες θεραπευτικές μεθόδους, εστιάζοντας στην τοθέτηση του στεντ και στους μηχανισμούς και την παθοφυσιολογία που εμπλέκονται στην επαναστένωση του στεντ και την δημιουργία θρόμβωσης. Το 2ο Κεφάλαιο εστιάζει στην ανάλυση της αγοράς στεντ αλλά και στις προβλέψεις που υπάρχουν για την δυναμική της αγοράς για τα επόμενα χρόνια. Στο 3ο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι διαφορετικοί τύποι στεντ που υπάρχουν, η κατηγοριοποίηση τους, καθώς και τα επιθυμητά χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες τους. Το 4ο Κεφάλαιο παρουσιάζει την διαδικασία που ακολουθείται απο τον σχεδιασμό του στεντ μέχρι την προώθηση του στην αγορά, περιγράφοντας το υπάρχον ρυθμιστικό πλαίσιο, τις διαδικασίες αξιολόγησης και έγκρισης, τις in vitro μηχανικές δοκιμές που πραγματοποιούνται στα στεντ, τις μέλέτες που γίνονται στα ζώα και τις κλινικές μελέτες. Στο 5ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται μια αναλυτική βιβλιογραφική ανασκόπηση των υπολογιστικών προσεγγίσεων στη μοντελοποίηση των στεντ. Το 6ο Κεφάλαιο περιγράφει τα κύρια βήματα που ακολουθήθηκαν για τη δημιουργία των Μοντέλων Πεπερασμένων Στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν στην συγκεκριμένη εργασία. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται πληροφορίες σχετικά με το σχεδιασμό των στεντ και την τρισδιάστατη αρτηριακή ανακατασκευή, τις συνοριακές συνθήκες και την φόρτιση για την έκπυξη του στεντ καθώς και τις εξισώσεις που επιλύθηκαν. Στη συνέχεια, αναλύεται η επίδραση του υλικού αλλά και των σχεδιαστικών χαρακτηριστικών των στεντ και συγκρίνονται οι παραμορφώσεις και οι τάσεις στα στεντ και στον αρτηριακό τοίχωμα. Το 7ο Κεφάλαιο παρουσιάζει την ανάλυση των αποτελεσμάτων και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την σύγκριση τριών στεντ με διαφορετικά υλικά (Μοντέλο Α, Μοντέλο Β και Μοντέλο C) και δύο στεντ με διαφορετικά σχεδιαστικά χαρακτηριστικά (Μοντέλο D και Μοντέλο Ε). Η ανάλυση επικεντρώνεται στην εκτίμηση της επίδρασης των σχεδιαστικών χαρακτηριστικών και του υλικού του στεντ, κατά την διάρκεια της έκπτυξης του, στην κατανομή των επαγόμενων τάσεων και παραμορφώσεων τόσο στο στεντ όσο και στο αρτηριακό τοίχωμα. Τα αποτελέσματα δείχνουν οτι το στεντ του Μοντέλου Α προκαλεί υψηλότερες αρτηριακές τάσεις στο αρτηριακό τοίχωμα σε σχέση με το Μοντέλο Β και το Μοντέλο C. Για όλα τα Μοντέλα (Μοντέλο Α, Μοντέλο Β, Μοντέλο C), η έκπτυξη του στεντ επηρεάζει την εσωτερική επιφάνεια του αρτηριακού τοιχώματος. Όσον αφορά την κατανομή της αρτηριακής τάσης σε διαφορετικές περιοχές τάσεων, αποδεικνύεται ότι: (α) το ποσοστό αρτηριακής τάσης στην περιοχή τάσεων 0-0.15 ΜΡα είναι υψηλότερο για το αρτηριακό τοίχωμα του Μοντέλου Β, (β) το ποσοστό αρτηριακής πίεσης στο εύρος τάσης 0,15-0,30MPa είναι ελαφρώς υψηλότερο για το αρτηριακό τοίχωμα του μοντέλου C, (γ) το ποσοστό αρτηριακής τάσης στην περιοχή τάσεων πάνω από 0,3 είναι υψηλότερο για το μοντέλο Α. Επιπλέον, το ποσοστό των επαγόμενων τάσεων: (α) για το στεντ του Μοντέλου Β διάστημα 0-200ΜΡα είναι υψηλότερο σε σύγκριση με το Μοντέλο Α και το Μοντέλο C, (β) για το στεντ του Μοντέλου C στο διάστημα 200-400MPa είναι υψηλότερο σε σχέση με το Μοντέλο Β και το Μοντέλο Α, (γ) για το στεντ του Μοντέλου Α για τάσεις πάνω από 400 ΜΡα είναι υψηλότερο σε σύγκριση με το στεντ του Μοντέλου Β και το στεντ του Μοντέλου C. Τα μοντέλα D (Model_thin) και Model E (Model_thick) έχουν σχεδιαστεί με πάχος αντηρίδας 0.0702 mm και 0.0774 mm αντίστοιχα. Η ανάλυση δείχνει οτι παρουσιάζονται υψηλότερες αρτηριακές τάσεις πίσω από την περιοχή όπου εκπτυχθηκε το στεντ και πιο συγκεκριμένα στην περιοχή της στένωσης. Οι ελαφρώς υψηλότερες τάσεις στο αρτηριακό τοίχωμα παρατηρούνται για το Model_thick σε σύγκριση με το Model_thick. Επίσης για το μοντέλο με το μεγαλύτερο πάχος αντηρίδας έχουμε μεγαλύτερο ποσοστό υψηλών τάσεων. Συγκεκριμένα, αποδεικνύεται ότι: (α) το ποσοστό της βασικής αρτηριακής τάσης στην περιοχή τάσεων 0-0,3 MPa είναι υψηλότερο για το Μοντέλο D (67,5%) σε σύγκριση με το Μοντέλο Ε (66,5%), ενώ το ποσοστό των κύριων αρτηριακών τάσεων στο εύρος τάσης πάνω από 0,3MPa είναι υψηλότερο για το Μοντέλο Ε με τις παχύτερες αντηρίδες σε σύγκριση με το Μοντέλο D με τις λεπτότερες αντηρίδες. Και τα δύο μοντέλα στεντ ακολουθούν το ίδιο μοτίβο παραμόρφωσης, ενώ για όλες τις πιέσεις, στο Μοντέλο D εμφανίζονται υψηλότερες τάσεις von Mises σε σύγκριση με το Μοντέλο Ε. Αναφορικά με τον ποσοστιαίο όγκο κάθε μοντέλου στεντ που ανήκει σε διαφορετικές περιοχές τάσεων: (α) ποσοστό 62,5% της συνολικής τάσης von Mises ανήκει στην περιοχή τάσεων 0-200MPa για το Μοντέλο D και 71,28% για το Μοντέλο Ε αντίστοιχα, (β) το υψηλότερο ποσοστό στην περιοχή στρες πάνω από 200MPa ανήκει στο μοντέλο D (37,5%). Το 8ο Κεφάλαιο παρουσιάζει τις παραδοχές που λάβαμε υπόψιν για την εκπόνηση της συγκεκριμένης μελέτης σχετικά με τις ιδιότητες των υλικών, την ομοιογένεια του αρτηριακού τοιχώματος και την μη δυνατότητα επικύρωσης των αποτελεσμάτων και σύγκρισης τους με πειραματικά αποτελέσματα και παρουσιάζει τα πεδία στα οποία θα επικεντρωθεί η μελέτη μας στο μέλλον με στόχο την περαιτέρω εμβάθυνση και κατανόηση των μηχανισμών που δημιουργούνται κατά την έκπτυξη του στεντ και την συσχέτιση εκείνων των χαρακτηριστικών του στεντ που θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν κατά την φάση του σχεδιασμού και δημιουργίας του. | el |
| heal.abstract | The biomechanical behaviour of coronary stents after their implantation is of great interest to interventional cardiologists and biomedical engineers, since in-stent restenosis (ISR), which is related to the arterial wall injury, is a serious adverse event. Several factors can affect ISR, such as the stent design and the materials used for the stent scaffold, therefore various research teams have been investigating the mechanical performance of stents through the utilisation of computational approaches. The interest of the researchers has been initially focused on examining the free-stent expansion, investigating the stent behavior during and after deployment, ignoring the presence of other components, such as the surrounding arterial wall. Among the parameters, which were examined, were the stent foreshortening, the dogboning, the recoil and the stent diameter [1], [2]. The effect of stent design was also examined, in terms of number, width and length of individual stent cells for different commercially available stent designs [1], [3], [4]. Later, the arterial wall was also included in the analysis towards investigating the stent and arterial wall response. However, those studies have been mostly accounted on the utilisation of idealised geometries for the arterial wall. These studies have analysed the mechanical behavior of the stent, in terms of deformation, stress and strain, while for the new generation of stents, additional parameters were included, such as the behavior of the stent coating [5], the drug-release and degradation mechanisms. The arterial wall was modelled as an idealised cylindrical vessel, while the plaque had a parabola-shape. The arterial wall was assumed to be straight or curved, while stent expansion was achieved either as a pressure- or a displacement driven approach [6], [138], [7]. Different types of stent materials were used in the computational analysis and were compared in terms of stresses and strain [8], [9], [10], [11]. The effect of stent design was also investigated. Specifically, the stent diameter [12], the geometry of the bridges [13], the strut spacing [14] and the thickness [15], the stent angle and length [2], [16], the shape of the circumferential rings and links [17] were examined. Even if those simplified approaches have assisted in understanding the stenting mechanics, there was an imperative need in modeling the 3D arterial morphology in a more realistic way and including the patient-specific characteristics. To accomplish this, information from different imaging modalities (MRI, angio, IVUS, OCT) of a particular patient’s vasculature were used [18]. Those studies shed the light on the importance of representing the arterial wall and plaque components, not as a single layer structures [14], [19], [20], but taking into consideration the composition of the tissue. In such studies, different parameters were investigated, such as the stent material properties [21], the stent design [18], [22], the stent-balloon interaction [23], stent design and the tissue material properties. To achive stent implantation success, scientific discoveries and technologies should be translated into practical applications. It is evident that in interventional cardiology, percutaneous cardiovascular intervention has been transformed from a quirky experimental procedure to a therapeutic approach for patients with cardiovascular disease. Inherent in the application of stent technology is the preclinical testing using animal and the clinical testing with humans. However, a further understanding could be achieved through the complementary information from in silico experiments. This thesis aims to investigate and evaluate the effect of stent design and materials through the utilization of realistic and patient specific arterial geometries. It is an attempt to provide insight on the key factors that could affect the success of the interventional process through the analysis of the design and material parameters that play a significant role. This is achived through the creation of five different in silico models that are compared in terms of stress and deformation distribution in the arterial wall and stent components. Three different materials for the stent scaffold (CoCr, SS316L, PtCr) and two stent designs (stent with thick vs stent with thin struts) are used in the in silico experiments. The innovation of the current study lays on the inclusion and incorporation of patient specific characteristics and arterial morphology that enables the replication and reproduction real clinical scenarios. In detail, eight chapters are included: Chapter 1 provides an overview of cardiovascular disease, atherosclerosis and treatment options focusing on stenting. The evolution of coronary stenting and the main considerations during this interventional procedure, the mechanisms and the pathophysiology implicated in ISR and thrombosis are described. Chapter 2 presents an analysis of the stent market, the key players in the coronary stent industry as well as the predictions for the market potential. Details on the stents desirable characteristics and on the properties from the materials perspective are provided in Chapter 3. A categorization of the stents based on the geometry and the two main categories of stents available in the market are also presented. Chapter 4 presents the process of stent evaluation, that is currently followed, describing the regulatory framework, the approval process, the in vitro mechanical testing, the animal and the finally the clinical studies. Chapter 5 provides a comprehensive literature review of the computational approaches in coronary stent modeling. More specifically, modeling studies on stent free expansion and expansion in idealized and patient specific arterials segments are analysed. Chapter 6 describes the main steps that were followed to create the Finite Element Models (FEM) that were used in the current analysis. Specifically, information on the stent design and the 3D arterial reconstruction are presented accompanied with the method for the meshing approach. The boundary conditions and the loading which are used as well as the governing equations are presented. Then the two main approaches; the creation of the FEM models with different stent design and materials is performed and the relevant results are presented in terms of deformation and stress distribution in the stent scaffold and in the vascular tissue. Chapter 7 presents the conclusions obtained from the analysis and the comparison of the representative stent materials (Model A, Model B and Model C) and the representative stent designs (Model D and Model E). The analysis focuses on assessing the effect of design and material on stent expansion, stress distribution and occurred arterial stresses during the deployment process inside a reconstructed diseased arterial segment. It is revealed that the stent of Model A exhibits higher arterial stresses in the arterial wall followed by Model B and Model C. For all models (Model A, Model B, Model C), stent expansion affects the inner arterial layer. As far as the distribution of the arterial stress in different stress ranges is concerned, it is demonstrated that: (i) the percentage of arterial stress in the stress range of 0-0.15MPa is higher for the arterial wall of Model B, (ii) the percentage of arterial stress in the stress range of 0.15-0.30MPa is slightly higher for the arterial wall of Model C, (iii) the percentage of arterial stress in the stress range over 0.3 is higher for Model A. In addition: (i) the percentage of the von Mises stress for the stent of Model B in the stress range of 0-200MPa is higher compared to Μodel A and Μodel C, (ii) the percentage of the von Mises stress for the stent of Model C in the stress range of 200-400MPa is higher followed by the stent of Model B and the stent of Model A, (iii) the percentage of the von Mises stress for the stent of Model A in the stress range over 400MPa is higher compared to the stent of Model B and the stent of Model C. Model D (Model_thin) and Model E (Model_thick) have been designed with a strut thickness of 0.0702 mm and 0.0774 mm respectively. The Principal stresses for the inner arterial wall are depicted for Model_thin and Model_thick in different views. Higher arterial stresses are located behind the region where the stent was expanded and more specifically in the region of stenosis. The slightly highest stresses in the arterial wall are observed for Model_thick compared to Model_thick. However, from the different views, it is evident that the areas of the inner arterial wall affected from higher stresses are more in the model with the thick struts. Specifically, it is demonstrated that: (i) the percentage of arterial principal stress in the stress range of 0-0.3 MPa is higher for Model D (67.5%) compared to Model E (66.5%), whereas the percentage of arterial principal stress in the stress range over 0.3MPa is higher for Model E with the thicker struts compared to Model D with the thinner struts. Both stent models follow the same deformation pattern, while for all pressures, in Model D (thin struts) higher von Mises stresses occur compared to Model E (thick struts). Regarding the percentage volume of each stent model belonging to different stress ranges: (i) 62.5% percentage of the total von Mises stress belongs to the stress range of 0-200MPa for Model D and 71.28% for Model E respectively, (ii) the highest percentage in the stress range over 200MPa belongs to Model D (37.5%). Chapter 8 provides an overview of the limitations of the current thesis in terms of the materials properties used, the assumption of the homogeneity of the arterial wall and the lack of the direct experimental validation of the computational results. | en |
| heal.advisorName | Φωτιάδης, Δημήτριος | el |
| heal.committeeMemberName | Φωτιάδης, Δημήτριος | el |
| heal.committeeMemberName | Γεργίδης, Λεωνίδας | el |
| heal.committeeMemberName | Μιχάλης, Λάμπρος | el |
| heal.academicPublisher | Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών | el |
| heal.academicPublisherID | uoi | - |
| heal.numberOfPages | 180 σ. | - |
| heal.fullTextAvailability | true | - |
| Appears in Collections: | Διατριβές Μεταπτυχιακής Έρευνας (Masters) - ΜΕΥ | |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Μ.Ε. ΚΑΡΑΝΑΣΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΑ 2018.pdf | 8.28 MB | Adobe PDF | View/Open |
This item is licensed under a Creative Commons License
