Badania ex vivo oraz modelowanie analityczne i numeryczne tętnic mózgowych

Adam Piechna

Abstract

The following PhD thesis describes an unique experimental investigations performed on human cerebral arteries. In total 33 brains, 51 cerebral arteries, 17 adventitias of cerebral arteries and 5 carotid arteries were investigated. The research was conducted on a specially designed and build measurement station. Rupture pressure and ultimate strains values of cerebral arteries were measured. Negative correlation between strain and age was found and evaluated. It has a substantial clinical implications such as planning of an angioplasty. Also material characteristics (stress-strain curves) of cerebral and carotid arteries were obtained. They are a crucial element in performing numerical analysis. In addition to the experiments conducted on the intact artery wall, an experiment on the separated adventitia was also investigated. The main role of adventitia in the artery mechanical strength was highlighted. The adventitia can stand 65% (standard deviation (SD) 13%) of intact wall rupture pressure, despite its thickness is only about 1/3 of intact wall. The presented results have a direct reference to angioplasty, where during mechanical widening of narrowed artery its internal layers are destroyed and adventitia takes its major mechanical role. Ultimate stress of adventitia of cerebral arteries was evaluated. The obtained results are in agreement with the ones presented earlier in the literature for different types of arteries. The experimental results were combined with complementary numerical and mathematical modeling. The analytical model of two layer artery with residual stresses was developed. It enables of precise computation of residual stresses and assessment of stresses during pressure loading. Also numerical modeling was conducted. Its aim was to investigate residual stress phenomenon, which is commonly brought up in the literature but with various conclusions. The method of experimental validation of numerical model was proposed. The series of experiments was performed and influence of residual stresses on the pressure-strain characteristics was confirmed. The obtained results could be also used to validate different numerical models and for testing artificial tissues. Experimental data was fitted to the structural model described by Wuyts et al [102].Waviness values of collagen fibers of the carotid arteries were calculated. Recapitulating, the thesis concluded six year of experimental and theoretical investigation of the mechanical properties of arteries. The obtained results are largely unique and were not found in the literature before.
Rodzaj dyplomuPraca doktorska
Autor Adam Piechna (WM / IAR)
Adam Piechna
- Instytut Automatyki i Robotyki
Językpl polski
Jednostka dyplomującaWydział Mechatroniki (WM)
Dyscyplina naukibiocybernetyka i inżynieria biomedyczna / dziedzina nauk technicznych / obszar nauk technicznych
Data obrony15-04-2015
Data zakończenia 22-04-2015
Promotor Krzysztof Maria Cieślicki (WM / IAR)
Krzysztof Maria Cieślicki
- Instytut Automatyki i Robotyki
Recenzenci wewnętrzni Wiktor Gambin (WM / IMiF)
Wiktor Gambin
- Instytut Mikromechaniki i Fotoniki
Recenzenci zewnętrzni Jan Marciniak, prof. - [Wydział Inżynierii Biomedycznej (WIB) [Politechnika Śląska (PolSL)]]
Jan Marciniak, prof.
-
- Wydział Inżynierii Biomedycznej

Zenon Mariak, prof. n. med. - [Klinika Neurochirurgii UM]
Zenon Mariak, prof. n. med.
-
- Klinika Neurochirurgii UM
Paginacja 126
Słowa kluczowe w języku polskimtetnice mózgowe, przydanka, eksperyment ex vivo, charakterystyka materiałowa, modelowanie tkanek biologicznych
Słowa kluczowe w języku angielskimcerebral arteries, adventitia, ex vivo, material characteristic, modeling of biological tissues
Streszczenie w języku polskimW ramach niniejszej rozprawy doktorskiej przeprowadzono unikalne w skali swiatowej badania eksperymentalne na ludzkich tetnicach mózgowych. Przebadano łacznie 33 mózgowia, 51 preparatów tetnic wewnatrzmózgowych, 17 przydanek tetnic mózgowych i 5 preparatów tetnic szyjnych. Eksperymenty przeprowadzono na specjalnie do tego celu zaprojektowanym i zbudowanym stanowisku pomiarowym.Wyznaczono eksperymentalnie zakres cisnienia pekania oraz odkształcenia krytycznego tetnic mózgowych. Stwierdzono wyrazna ujemna korelacje odkształcen krytycznych z wiekiem. Ma ona istotne implikacje kliniczne. Pomoze ona w planowaniu zabiegów angioplastyki na tetnicach mózgowych. Analizujac obraz fotograficzny skorelowany z pomiarem cisnienia uzyskano charakterystyki materiałowe tetnic mózgowych oraz szyjnych, które sa niezbedne przy tworzeniu modeli numerycznych. Przeprowadzono równiez badania wyekstrahowanej warstwy przydanki. Stwierdzono główna role przydanki w budowaniu wytrzymałosci całej tetnicy. Sama przydanka jest w stanie przeniesc srednio 65% obciazenia pełnej sciany tetnicy pomimo, ze stanowi zaledwie około jednej trzeciej jej grubosci. Uzyskane wyniki maja bezposrednie odniesienie kliniczne w kontekscie niszczenia warstwy wewnetrznej i srodkowej w zabiegach powiekszania swiatła tetnicy i usuwania złogów miazdzycowych, gdzie przydanka przejmuje na siebie funkcje całej tetnicy. Analiza wyników eksperymentu została połaczona z komplementarnym modelowaniem matematycznym i numerycznym. Opracowano model analitycznej dwuwarstwowej tetnicy uwzgledniajacy fenomen naprezen resztkowych. Pozwala on na dokładne obliczenie rozkładu naprezen resztkowych i oszacowanie naprezen fizjologicznych. Przeprowadzone zostało równiez modelowanie numeryczne majace na celu zbadanie fenomenu naprezen resztkowych, tematu poruszanego czesto w literaturze, jednak róznie konkludowanego. Zaproponowano metode walidacji modelu numerycznego eksperymentem ex vivo na tetnicach szyjnych. Potwierdzona została postawiona hipoteza dotyczaca wpływu naprezen resztkowych na charakterystyke cisnieniowo-odkształceniowa tetnic. Do uzyskanych charakterystyk cisnieniowo-odkształceniowych tetnic szyjnych dopasowano model literaturowy zaproponowany przez Wuyts’a et al [102]. Praca jako całosc podsumowuje szescioletnie badania modelowe i eksperymentalne prowadzone na tetnicach mózgowych i szyjnych. Przedstawione wyniki badan w duzej mierze sa unikalne i dotad niepublikowane przez nikogo w czasopismach naukowych.
Plik pracy
AdamPiechna_doktorat_150914_v3.pdf 49.45 MB
Liczba cytowań*1 (2019-02-22)

Pobierz odnośnik do tego rekordu

Powrót