Pulsatile flow in coronary bifurcations for different stenting techniques

The objective of this work is to analyze the local hem odynamic changes caused in a coronary bifurcation by three different stenting techniques: simple stenting of the main vessel, simple stenting of the main vessel with kissing balloon in the side branch and culotte. To carry out this study an idealized geometry of a coronary bifurcation is used, and two bifurcation angles, 45º and 90º, are chosen as representative of the wide variety of re al configurations. In order to quantify the influence of the stenting technique on the local blood flow, both numeri- cal simulations and experimental measurements are performed. First, steady simulations are carried out with the commercial code ANSYS-Fluent, and then, experimental measurements with PIV (Particle Image Velocimetry) obtained in the laboratory are used to validate the numerical simulation. The steady computational simulations show a good overall agreement with the experimental data. Second, pulsatile flow is considered to take into account the tran- sient effects. The time averaged wall shear stress, scillatory shear index and pressure drop obtained numerically are used to compare the behavior of the stenting techniques.

Pulsatile blood flow-split in aortic arch dissection

Abnormalities of the aortic arch, as the most proximal site of the cardiovascular system, are of great interest due to its major role in blood distribution to all downstream members. Wall dissection is one of the disorders that an aorta may suffer due to hypertension or degradation of aortic wall properties. A geometrical change of the aortic arch caused by the dissected wall, and consequently the blood flow path, makes the time-varying flow curves to be different in comparison to the healthy aortic arch. This phenomenon modifies wall shear stress (WSS) history during the cardiac cycle. In the current work, the pulsatile blood flow in a typical Stanford A (DeBakey II) dissected aorta is simulated by CFD technique, STAR-CCM+. The boundary conditions are calculated based on a combination of the impedance boundary condition and the auto-regulation concept in the cardiovascular system.

Terapias auditivas para acúfenos (tinnitus)

Un acúfeno (tinnitus) es la percepción de un sonido en ausencia de estimulación acústica externa, es decir, la experiencia consciente de un sonido que se origina en la propia cabeza del paciente. En colaboración con el departamento de acústica (CAEND) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), se pretende revertir (de forma paliativa) las molestias, con ayuda de terapias sonoras que estimulan el sistema auditivo. Primero, se analizan los tratamientos existentes que se utilizan para atender a los pacientes diagnosticados. Por último, se diseñan dos aplicaciones informáticas referentes a las terapias: Auditory Discrimination Training (ADT) y Enriched Acoustic Environment (EAE). Abstract Tinnitus is the perception of sound in the absence of external acoustic stimulation, in addition, the conscious experience a sound originating from the patient’s own head. In collaboration with the department of acoustic (CAEND) of the Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), is to reverse (for palliation) discomfort, using sound therapies that stimulate the auditory system. First, we analyze the existing treatments are used to treat patients diagnosed. Finally, two applications are designed regarding therapies: Auditory Discrimination Training (ADT) and Enriched Acoustic Environment (EAE).

Pulsatile blood flow interaction with arterial walls of aorta : autoregulation and impedance pressure boundary condition and its biomedical applications

Para las decisiones urgentes sobre intervenciones quirúrgicas en el sistema cardiovascular se necesitan simulaciones computacionales con resultados fiables y que consuman un tiempo de cálculo razonable. Durante años los investigadores han trabajado en diversos métodos numéricos de cálculo que resulten atractivos para los cirujanos. Estos métodos, precisos pero costosos desde el punto de vista del coste computacional, crean un desajuste entre la oferta de los ingenieros que realizan las simulaciones y los médicos que operan en el quirófano. Por otra parte, los métodos de cálculo más simplificados reducen el tiempo de cálculo pero pueden proporcionar resultados no realistas. El objetivo de esta tesis es combinar los conceptos de autorregulación e impedancia del sistema circulatorio, la interacción flujo sanguíneo-pared arterial y modelos geométricos idealizados tridimensionales de las arterias pero sin pérdida de realismo, con objeto de proponer una metodología de simulación que proporcione resultados correctos y completos, con tiempos de cálculo moderados. En las simulaciones numéricas, las condiciones de contorno basadas en historias de presión presentan inconvenientes por ser difícil conocerlas con detalle, y porque los resultados son muy sensibles ante pequeñas variaciones de dichas historias. La metodología propuesta se basa en los conceptos de autorregulación, para imponer la demanda de flujo aguas abajo del modelo en el ciclo cardiaco, y la impedancia, para representar el efecto que ejerce el flujo en el resto del sistema circulatorio sobre las arterias modeladas. De este modo las historias de presión en el contorno son resultados del cálculo, que se obtienen de manera iterativa. El método propuesto se aplica en una geometría idealizada del arco aórtico sin patologías y en otra geometría correspondiente a una disección Stanford de tipo A, considerando la interacción del flujo pulsátil con las paredes arteriales. El efecto de los tejidos circundantes también se incorpora en los modelos. También se hacen aplicaciones considerando la interacción en una geometría especifica de un paciente anciano que proviene de una tomografía computarizada. Finalmente se analiza una disección Stanford tipo B con tres modelos que incluyen la fenestración del saco. Clinicians demand fast and reliable numerical results of cardiovascular biomechanic simulations for their urgent pre-surgery decissions. Researchers during many years have work on different numerical methods in order to attract the clinicians' confidence to their colorful contours. Though precise but expensive and time-consuming methodologies create a gap between numerical biomechanics and hospital personnel. On the other hand, simulation simplifications with the aim of reduction in computational time may cause in production of unrealistic outcomes. The main objective of the current investigation is to combine ideas such as autoregulation, impedance, fluid-solid interaction and idealized geometries in order to propose a computationally cheap methodology without excessive or unrealistic simplifications. The pressure boundary conditions are critical and polemic in numerical simulations of cardiovascular system, in which a specific arterial site is of interest and the rest of the netwrok is neglected but represented by a boundary condition. The proposed methodology is a pressure boundary condition which takes advantage of numerical simplicity of application of an imposed pressure boundary condition on outlets, while it includes more sophisticated concepts such as autoregulation and impedance to gain more realistic results. Incorporation of autoregulation and impedance converts the pressure boundary conditions to an active and dynamic boundary conditions, receiving feedback from the results during the numerical calculations and comparing them with the physiological requirements. On the other hand, the impedance boundary condition defines the shapes of the pressure history curves applied at outlets. The applications of the proposed method are seen on idealized geometry of the healthy arotic arch as well as idealized Stanford type A dissection, considering the interaction of the arterial walls with the pulsatile blood flow. The effect of surrounding tissues is incorporated and studied in the models. The simulations continue with FSI analysis of a patient-specific CT scanned geometry of an old individual. Finally, inspiring of the statistic results of mortality rates in Stanford type B dissection, three models of fenestrated dissection sac is studied and discussed. Applying the developed boundary condition, an alternative hypothesis is proposed by the author with respect to the decrease in mortality rates in patients with fenestrations.

The effect of acoustic screens on orchestra musicians

La Directiva 2003/10/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, del 6 de febrero de 2003, específica con arreglo al apartado 1 del artículo 16 de la Directiva 89/391/CEE las disposiciones mínimas de seguridad y de salud relativas a la exposición de los trabajadores a los riesgos derivados de los agentes físicos (ruido). En la industria musical, y en concreto en los músicos de orquesta, una exposición de más de ocho horas al día a un nivel de presión sonora de 80dB(A) o más es algo muy común. Esta situación puede causar a los trabajadores daños auditivos como la hiperacusia, hipoacusia, tinitus o ruptura de la membrana basilar entre otros. Esto significa que deben tomarse medidas para implementar las regulaciones de la forma más razonable posible para que la interpretación del músico, la dinámica y el concepto musical que se quiere transmitir al público se vea lo menos afectada posible. Para reducir la carga auditiva de los músicos de orquesta frente a fuertes impactos sonoros provenientes de los instrumentos vecinos, se está investigando sobre el uso de unos paneles acústicos que colocados en puntos estratégicos de la orquesta pueden llegar a reducir el impacto sonoro sobre el oído hasta 20dB. Los instrumentos de viento metal y de percusión son los responsables de la mayor emisión de presión sonora. Para proteger el oído de los músicos frente a estos impactos, se colocan los paneles en forma de barrera entre dichos instrumentos y los músicos colocados frente a ellos. De esta forma se protege el oído de los músicos más afectados. Para ver el efecto práctico que producen estos paneles en un conjunto orquestal, se realizan varias grabaciones en los ensayos y conciertos de varias orquestas. Los micrófonos se sitúan a la altura del oído y a una distancia de no más de 10cm de la oreja de varios de los músicos más afectados y de los músicos responsables de la fuerte emisión sonora. De este modo se puede hacer una comparación de los niveles de presión sonora que percibe cada músico y evaluar las diferencias de nivel existentes entre ambos. Así mismo se utilizan configuraciones variables de los paneles para comparar las diferencias de presión sonora que existen entre las distintas posibilidades de colocarlos y decidir así sobre la mejor ubicación y configuración de los mismos. A continuación, una vez obtenidos las muestras de audio y los diferentes archivos de datos medidos con un analizador de audio en distintas posiciones de la orquesta, todo ello se calibra y analiza utilizando un programa desarrollado en Matlab, para evaluar el efecto de los paneles sobre la percepción auditiva de los músicos, haciendo especial hincapié en el análisis de las diferencias de nivel de presión sonora (SPL). Mediante el cálculo de la envolvente de las diferencias de nivel, se evalúa de un modo estadístico el efecto de atenuación de los paneles acústicos en los músicos de orquesta. El método está basado en la probabilidad estadística de varias muestras musicales ya que al tratarse de música tocada en directo, la dinámica y la sincronización entre los músicos varía según el momento en que se toque. Estos factores junto con el hecho de que la partitura de cada músico es diferente dificulta la comparación entre dos señales grabadas en diferentes puntos de la orquesta. Se necesita por lo tanto de varias muestras musicales para evaluar el efecto de atenuación de los paneles en las distintas configuraciones mencionadas anteriormente. El estudio completo del efecto de los paneles como entorno que influye en los músicos de orquesta cuando están sobre el escenario, tiene como objetivo la mejora de sus condiciones de trabajo. Abstract For several years, the European Union has been adopting many laws and regulations to protect and give more security to people who are exposed to some risk in their job. Being exposed to a loud sound pressure level during many hours in the job runs the risk of hearing damage. Particularly in the field of music, the ear is the most important working tool. Not taking care of the ear can cause some damage such as hearing loss, tinnitus, hyperacusis, diplacusis, etc. This could have an impact on the efficiency and satisfaction of the musicians when they are playing, which could also cause stress problems. Orchestra musicians, as many other workers in this sector, are usually exposed to a sound level of 80dB(A) or more during more than eight hours per day. It means that they must satisfy the law and their legal obligations to avoid health problems proceeding from their job. Putting into practice the new regulations is a challenge for orchestras. They must make sure that the repertoire, with its dynamic, balance and feeling, is not affected by the reduction of sound levels imposed by the law. This study tries to investigate the benefits and disadvantages of using shields as a hearing protector during rehearsals and orchestral concerts.

Let's Gain More Confidence Of Clinicians With Our Colorful Contours: Blood Flow Simulation In Arteries Using Abaqus & STAR-CCM+

The objective of the current work is to present the results of several numerical simulations of pulsatile blood flow in healthy and diseased arteries and compare with clinical expectations. Different realistic and physiological aspects such as blood flow interaction with arterial walls, effect of heart movement, cardiovascular autoregulation, arterial walls' hyperelasticity and cardiovascular disorders have been incorporated in the models thanks to a direct coupling of Abaqus and STAR-CCM+. Comparisons of implicit and explicit coupling methods in cardiovascular simulations have been discussed. An in-house methodology combined with explicit FSI coupling has reduced considerably calculation time while the simulations stay realistic and reliable for clinicians

Comparison of implicit and explicit FSI coupling strategies in cardiovascular system = Comparación de las estrategias implícitas y explícitas de acoplamiento FSI en el sistema cardiovascular

Comparación de los esquemas de integración temporal explícito e implícito, en la simulación del flujo sanguíneo y su interacción con la pared arterial. There are two major strategies in FSI coupling techniques: implicit and explicit. The general difference between these methodologies is how many times the data is exchanged between the fluid and solid domains at each FSI time-step. In both coupling strategies, the pressure values coming from fluid domain calculations at each time-step are exported to the solid domain, and consequently, the solid domain is analyzed with these imported forces. In contrast to the explicit coupling, in the implicit approach the fluid and solid domain’s data is exchanged several times until the convergence is achieved. Although this method may boost the numerical stabilization, it increases the computational cost due to the extra data exchanges. In cardiovascular simulations, depending on the analysis objectives, one may choose an explicit or implicit approach. In the current work, the advantage of an explicit coupling strategy is highlighted when simulation of pulsatile blood flow in elastic arteries is desired.

Estudio del flujo sanguíneo para diferentes técnicas de implantación de stents en bifurcaciones coronarias

Las enfermedades arteriales vienen presididas por la aterosclerosis, que es un proceso crónico de degeneración, que evoluciona hacia la obstrucción de la luz arterial. La pared de la arteria se engrosa debido al depósito de elementos grasos tales como el colesterol. Los stents intraluminales son diminutas estructuras tubulares autoexpandibles de malla de metal, que se colocan dentro de la arteria coronaria después de una angioplastia con balón para prevenir el cierre de dicha arteria. A pesar de estar diseñados para ser compatibles con el tejido humano, a menudo se da una reacción en cadena de consecuencias indeseables. La reestenosis intra-stent es un problema creciente debido al importante incremento que se ha producido en la utilización del stent intracoronario como forma de revascularización percutánea. Se habla de una incidencia global del 28%, siendo la causa principal de su aparición la proliferación neointimal a través de una compleja cascada de sucesos que pueden tardar meses en desarrollarse. Una de las reacciones más importantes es la trombosis o la formación de una fina capa de coágulo como respuesta a la presencia de un material extraño. Este proceso es multifactorial, y en él intervienen la regresión de la pared como consecuencia del estiramiento previo, la denudación endotelial, lo que permite la agregación plaquetaria, la proliferación neointimal, lo que facilita a los receptores de membrana desencadenar un proceso de agregación posterior y, por último, el remodelado negativo inadecuado de la pared, lo que produce pérdida de luz arterial. Se ha observado frecuentemente que el depósito de ateroma en la pared arterial está relacionado con el valor de los esfuerzos cortantes en la misma. Hay mayores probabilidades de engrosamiento de la pared en las zonas donde son bajos los esfuerzos cortantes, quizá por el mayor tiempo de residencia de las partículas circulantes por el torrente sanguíneo. Si nos centramos en la afirmación anterior, el siguiente paso sería buscar las zonas susceptibles de presentar un valor bajo de dichos esfuerzos. Las zonas potencialmente peligrosas son los codos y bifurcaciones, entre otras. Nos hemos centrado en una bifurcación coronaria, ya que los patrones de flujo que se suelen presentar, tales como recirculación y desprendimiento de vórtices están íntimamente relacionados con las técnicas de implantación de stents en esta zona. Proyectamos nuestros esfuerzos en el estudio de dos técnicas de implante, utilizando un único stent y una tercera a través de una configuración de culotte con el uso de dos stents. El primer caso trata de una bifurcación con un único stent en la rama principal cuyos struts cierran el orificio lateral que da salida a la rama secundaria de la bifurcación, es decir sería un stent sin orificio. El segundo consiste en un único stent también, pero con la diferencia de que éste presenta un orificio de comunicación con la rama lateral. Todas estas técnicas se aplicaron a bifurcaciones de 45º y de 90º. Introdujimos las geometrías -una vez confeccionadas con el código comercial Gambit- en el programa Ansys-Fluent contemplando régimen estacionario. Los resultados obtenidos fueron cotejados con los experimentales, que se realizaron paralelamente, con el fin de corroborarlos. Una vez validados, el estudio computacional ya contó con la fiabilidad suficiente como para abordar el régimen no estacionario, tanto en la versión de reposo como en la de ejercicio –hiperemia- El comportamiento reológico de la sangre para régimen no estacionario en estado de reposo es otra de las tareas abordadas, realizando una comparativa de los modelos Newtoniano, Carreau y Ley de Potencias. Finalmente, en una última etapa, debido a la reciente incursión de los stents diseñados específicamente frente a los convencionales, se aborda el comportamiento hemodinámico de los mismos. Concretamente, se comparó el patrón de flujo en un modelo de bifurcación coronaria con los nuevos stents (Stentys) y los convencionales. Se estudiaron cuatro modelos, a saber, stent simple en la rama principal, stent simple en la rama secundaria, culotte desplegando el primer stent en la rama principal y culotte desplegando el primer stent en la rama secundaria. La bifurcación estudiada presenta un ángulo de apertura de 45º y la relación de diámetros de las ramas hija se ajustaron de acuerdo a la ley de Finet. Se recogieron resultados experimentales en el laboratorio y se corrieron simulaciones numéricas con Ansys Fluent paralelamente. Las magnitudes que se tuvieron en cuenta con el fin de ubicar las regiones potencialmente ateroscleróticas fueron los esfuerzos cortantes, vorticidad y caída de presión. ABSTRACT Nowadays, restenosis after percutaneous dilation is the major drawback of coronary angioplasty. It represents a special form of atherosclerosis due to the healing process secondary to extensive vessel trauma induced after intracoronary balloon inflation. The use of coronary stents may decrease the incidence of this phenomenon. Unfortunately, intra-stent restenosis still occurs in 20-30% of the cases following the stent implantation. Most experiments suggest a correlation between low wall shear stress and wall thickness. The preferential locations for the atherosclerotic plaque are bifurcations. The objective of this work is to analyze the local hemodynamic changes caused in a coronary bifurcation by three different stenting techniques: simple stenting of the main vessel, simple stenting of the main vessel with kissing balloon in the side branch and culotte. To carry out this study an idealized geometry of a coronary bifurcation is used, and two bifurcation angles, 45º and 90º, are chosen as representative of the wide variety of real configurations. Both numerical simulations and experimental measurements are performed. First, steady simulations are carried out with the commercial code Ansys-Fluent, then, experimental measurements with PIV (Particle Image Velocimetry), obtained in the laboratory, are used to validate the numerical simulations. The steady computational simulations show a good overall agreement with the experimental data. Then, pulsatile flow is considered to take into account the transient effects. The time averaged wall shear stress, oscillatory shear index and pressure drop obtained numerically are used to compare the behavior of the stenting techniques. In a second step, the rheologic behavior of blood was considered comparing Newtonian, Carreau and Power Law models. Finally, as a result of previous investigations with conventional stents and after the recent emergence of several devices specifically designed for coronary bifurcations angioplasty, the hemodynamic performance of these new devices (Stentys) was compared to conventional ones and techniques in a coronary bifurcation model. Four different stenting techniques: simple stenting of the main vessel, simple stenting of the side vessel, culotte deploying the first stent in the main vessel and culotte deploying the first stent in the side vessel have been considered. To carry out this study an idealized geometry of a coronary bifurcation is used. A 45 degrees bifurcation angle is considered and the daughter branches diameters are obtained according to the Finet law. Both experiments in the laboratory and numerical simulations were used , focusing on important factors for the atherosclerosis development, like the wall shear stress, the oscillation shear index, the pressure loss and the vorticity.

Fluid-solid interaction in arteries incorporating the autoregulation concept in boundary conditions

In pre-surgery decisions in hospital emergency cases, fast and reliable results of the solid and fluid mechanics problems are of great interest to clinicians. In the current investigation, an iterative process based on a pressure-type boundary condition is proposed in order to reduce the computational costs of blood flow simulations in arteries, without losing control of the important clinical parameters. The incorporation of cardiovascular autoregulation, together with the well-known impedance boundary condition, forms the basis of the proposed methodology. With autoregulation, the instabilities associated with conventional pressure-type or impedance boundary conditions are avoided without an excessive increase in computational costs. The general behaviour of pulsatile blood flow in arteries, which is important from the clinical point of view, is well reproduced through this new methodology. In addition, the interaction between the blood and the arterial walls occurs via a modified weak coupling, which makes the simulation more stable and computationally efficient. Based on in vitro experiments, the hyperelastic behaviour of the wall is characterised and modelled. The applications and benefits of the proposed pressure-type boundary condition are shown in a model of an idealised aortic arch with and without an ascending aorta dissection, which is a common cardiovascular disorder.