Advanced structural finite element modeling of arterial walls for patient-specific geometries [Elektronische Ressource] / Moritz A. Frenzel

Moritz A. Frenzel

Description

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
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Extrait

TECHNISCHEUNIVERSIT?rgnenwPr?ferTeiM?NCHENUniv.-Prof.LehrstuhlA.f?rsenNumerischedurchMechanikrtation.AEwdvancedUniv.-Prof.StructuralUniv.-Prof.FiniteDuiElementamMoUniversit?tdelingf?rof10.2009ArterialoWmont.allsWfoDissertation:rWPallatient-Sphabil.ecicder,GeometriesburMoDissertationr009iTtzeingereichtA.FFcrenzelamVeollst?ndigerVAbrsitzender:druckDr.derhabil.vonaldderernerFderakult?t1.f?rDr.-Ing.MaschinenwolfgangesenWder2.TDr.-Ing.echniJ?sSchr?cUniversit?thensUniversit?tg-EsM?nchenDiezurwurdeErlangung03.06.2debsderakechnischenademischenM?nchenGradesundeinesdieDoktoakult?tr-IngenieursMas(Dr.-Ing.)hi-genehmigtenesenDi08.ssangenommen.ZusammenfassungGef??erkrankungen,darunadesebter8-knotigeAdeling-Ans?tzetheroskleroseendeundeAneurysmen,rz?hlendellzuvdenElh?ugstenvTdeoderdesursacd?nnhensicinsisdenErwwer?nderlestlicthenhlie?licIndustrienationedesn.king-Ph?nomeneMecdieserha-de,niscinenheeiEinompressiblenwirkungenandigeaufdieserdiewArterienAnisotropiewetablierteandmotiviertesspielenerksf?rediedesEnbtstehundungcundzudendiscVunderlaufunddieserUmKrankheitenen,einehiedlicgro?eerdenRolle;diebiomecEnhancedhomaezien-nerf?gungiBerescandheerlaubFspragestellungensoimte.Kanhandontiert.textescdertlicBlutgef??eelastizit?tstellenesdaherdelleeinr-TvoniNeelbetten,eacVihhlussteeinetesimFtierungorsctigen.hwungsgebietanhanddar.t;DieeinfacArterienbwgef??vanddieistdreidimensionalejedoanspruccinnerhalbht?u?erstBiegedeformationklie-omplexLoaufgebaut.bIhreeinemecunha-Ans?tzen.nisceithenAssumedEigenscStrain-MethohaftenStrainsindwiedurcsumedhunderheblicumhevNicElemenhzurt-Linearit?tstellen,gekkennzeichnhnet,nvgen,erursacwhHierzutunddurcd?nnhariangro?e6-kno-DeformationeandigenLeistungsf?higkundteDehninscungen,hmark-BeispielesoerwieMaterialgesetzematerielleen,Inho-hinsicmogenit?t,InkAnisotropieViskundMoViskteriengewoHierzuelastizit?t.eZuddereonmeinistesdienABasisrzteonrwieiterungenkwImanderdenleborgestellt,en-derdesebGeweinerebhene,FdksicaeshiedenesicimplemenhLeistungsf?higkkBeispieleonsttinBeispieleuierlicvhidealisiertenandeseinesphomplexerenysiologisceigungen.hewUmgebungdreianpasst;ndiesezienAnpasttecsungsph?nomeneollewdeling-An-erdeninstitutseigenenalsumWterialacdominierenderhstumunzufriedenstellundErgebnisseRemofern.delingdiesebcezuzeicehebhexistierenneReihet.onDieterscvhenorliegeInndArbewArbdieeitNaturblescde,h?ftigtDiscretesicGap-MethohsomitdieeinemAs-Finite-ElemenStrain-Methoteausgef?hrtAnsatzkzurbiniert,MoedellieSatzruonngtendtenrVArtzuedierienneworrekteandcmitungalld?n-ihrenwkiomplexeninkEigenscArterienhaften,andsoen.wiez?hlenmitHexaederderderenSimezielleulationwpatSolid-Shell-Vite,enwietensptigeeziscwhePrismenelemenrDieArterien-Geometrien.eitInElemenderwirdneuerenebiomechl?gigehaniscBenchendokumenFDar?borschinausherdenungbwirdhriebvdieermehrthanhsolchhenompressibilit?t,patienundtenspoezi-zurscdellierunghen,Ar-durcebheignen.mz?hlenediziniscanisotropheMoBildgebungauferhaltenenBa-GeometrienvgearbStruktueitet,ensoren,ummikrostrukturellwanisotropeitereKErkti-ennuums-MotnisseaufzumeinesEinusstinwterindividuellervMerkmaleMolek?lkaufsovdieaskei-ulauf?resErkrankungenozulastizit?t.erlangen.AnscDiesewSimRemoulationenvsinddiejedoAnpassungcMikrostrukturhGewaufgrundesderSinneKvom-icplexit?tOrienderderGeometrieasernuner?cdhderZwArterieniwerscandstrAns?tzeukturerden?u?ersttiertansprucihrehseitvmehrereroll.geBeimeEinsatzederdieseFinite-Elemenrei-te-MethohendeonmhenussGewbemoer?cllenkisihinckhBlut-tigterzwwScerden,hdasserdenklassiscsehemethovheerscAns?tze,hiee-bteungsbasieemenrhnologie,tehsvElemenMaterialgesetzeteRemoins?tze,F?llendesmitCoinkzusammengesetzt,ompressiblemdamiMa-pa-iitientenspeziscerzwersprechlagenehewGeometrienergibtzuonsanalysieren.ezienDiexGeometrieabzubilden.derhesArterienomplexerwbanderempatienussKhierzderartigeuGef??erkrankungjedovcrealhdell.zun?canhandhstezisc?beereinerewirdineinExtrusioneinederSimWanhandandobkliniscer?cDatenheheinerzeugtVworanzutreiberden,mitdaRemodiehWiandwselbstvnicdellierungheiertten-durcBeispielehrbildgebAendesoValenerfahrenDadurcerfassbarAnsatzist.mitDieStudienExtrusionWwirdvdahingehendeziscoptimiert,durcdasskzus?tzlicsicheationenInformationenundauserimenderlassen.sogenanneisetenvielCenumterlinevdereiterGef??ehvZusammenerwdemeorgestelltenndeling-Ansatzdesicteinwisterden.scDadurcArterienhandmokDieannorgescdieMophwirdysiologisczwhkvpatienariablespWheranddicdemktrieet,ininemAbh?ngigkorteneitogendeswiejewiliakeilsVlokeigung.alenhGef??-eindurcbhmessersitgestellt,erzeugtdemwzuk?nftigenerden;aufzudemtewirdeisedieReiheOonritenspenhentierungulationenderhgef?hrtFerdenaseran?nnen,tedererilehborrelez?glicmithhendereCenpterlinetellenangesetzt,ermittelnumEinedieHerangehenswenersctlangtdesvGef??vhend,erlaufsdasgewun-erst?ndnisdenenonFwaserstrukturenvrealistiscen.SummaryCardiovexamplestoatuascularndiseasestheincludingenatherosclerosisandanderaneurysmarearephthetlendingsad-lainganisotropiccause.oftedhelemenumansmortalitdelingydiameterinithebifurcatiwcoesterncomwtheiorld.likTheallinmicrostructurallyterrelationeofapprthewonsetsandthesedeveelopmenarettoofvsucthehnessdiseaseserwithremomecishanicaltheforcesvactingt-onwiandthewithinulartheearterialInwconsiderallyrepresenfortsin-aonresearcConhmoeldtoofteminenintareinapproacterest.inThezedartamemethorial,wremoallourisanalyzeaallhighlythecomplexhtissuedicalcyharacterizeterlinedwbtheywindingaalongsophisticatedbinedmicrostructure.,Itswstructuralmonsrespcoonsandewithexhibitsosedstrongmnonlinearitulations.ythen,andreectedofbascularyPlargeencdeformationspresenandtostrains,pmaterialconstitutivinhomowhicgeneitharacyincompressibil-,anisotropanisotropelasticityarterialandexamined.viscopelasticitwsytensors,.atedMoreuumowvander,tensioitelasticitisreceadelivingcstructureofwhicta-hted.pdierenermanenaretlyevadaptseraltofromitsvpheysicalFinallyenrevironmenadvt,tecphenomenacatedknows,wnapproacasbinedgrosoftwthorkatndecicremoThedeling.geometriesThenerationpresenalltnotthesisfromisEnhancingconcernedarewithbasedaessels'nitegenerateelemenvtthicapproacbhcthataisthesuit-teablevto.mosubsequendelnthecarterialrealisticwmoallaswithballoi-tsarcciomplexities.eacAhirecenThethadvtoancefurtherinecicbiresultingomeclhaniecalhresearcerimenhtheisdeeptheofmecandhanicalbined.simop-ulationbofhmarkpatienaret-stpdecicdemonstrategeo-rmetricerformance.moaddition,delseacquiredwsbhycmedicalteristicsimageetecithnology,withytheviscoaimyofthestudyingwinareter-individualThisdierencescludestoopularflaurtherbasedunderstandstructuralvaascularmotivdiseases.anisotropicThetinsimChaiu-Netlationorkofdel,sucthehxpatiennt-spviscoecicyarterialNext,wnallremostructureslingisoachesomputationallytermshighlybdemanding.reorienChallengestionstempresenfromTtheoinevitablytthree-dimensionalhesmoimplemendelingandandaluatedthesevaexampledrangingvidealiancedarterialmaterialesselscbifurcationharacteristicsxofples.the,wthall.eStandarddologies,three-dimensionalancedelementtshnologyaresophisti-knoconstitutivwnlatoandreectdelingphesocomorwithinpin-houseerformancewwithinframewincompressibletoandpatienb-ending-dominatedpproblems.wAstructures.setapplicationoftheseerequiresciengetofandwaccuratewhicelemenistsaisailablepropmeosed,imaging.includingmohexahedrons,strategies8-noemplodeedsolid-shellsonandvwcenedge-shaptoedasysiologicallyoaryinglid-shells,allwhick-hdeterminedtakyelothealtandhirealisticn-wofalledbshappaternandtheincompressibil-asculitreyComofwiththetarterialdeliwgallainonstoderablyaccounarterialt.allTdeloobtainedtacdekletratedvyariouswloexamplescnkingtainingpaortichehnomena,themeth-liacoon,dshlikbrancengtheessels.ApropsapproacsumeisdvisionedNaturalenableStrainultiplemethopatiend,spthesimDiscreteTheStraindataGapumethodd,bandcorrelatedthetEnhancedclinicalAssexpumetaldwithStrainaimmethofurtherdeningareunderstandingreviewveddiseases.ivAcknowledgementecallbtsDr.AhnhoumhingbGitterleerComputationalofcp.eoplemehaBurkhardvtin-eKl?ppconthetributedattoenjothisernerwtheorProf.kManfredandteacsuppelemenorted,meforinnonlineardierenmectComerford,wandaproys.uscript,IrwInstituteouldhanicslikableeWtoforthankhairingthemexaminationhereoard,andDrm-Ing.ostBisccordially:forProf.hingDr.-Ing.niteWtolfganghnologyWDr.aBornemannllteacformesupconervisinguumme,hanics,Prof.AndrewDr.-Ing.ThomasJ?rgelScMarkushr?forderofreadingformanbandeingothesecondcolleaguesreferee,theProf.forDr.Mecmonfort.yEwluncaldhours.viContents..Elemenvii.Con.ten42tsPrinciplesGlossaryofxi.1.In.tro.duction.to.ArterialorkW.all.Mec.hanics3.2.41Elemen1.140ConstitutionLargeof.thDiscretee.Artery.and.RelatedofDiseasesDiscretization.....t...king...c....1.1.1.1IssueArterialDilemmaW.all.La.ykingers3.4.1.....Strain.t...25.......ork...irtu...Lo.....34.king.....3.2.22.1.1.2.Common.ArterialTW.all.Diseases..c.....39.y.y.tibilit...Mesh.....Lo.ation...to4.1.2.StructuraltraiCharacteristics.of.thedArterial.W3.4.3all............V..........53.1.21.3VirtualReview.of.Computational28Mtheoldeling.in.V30ascularkingMecElemenh.a.n.i.csV.Lo......7.1.3.1.P.atienLot-Sp.ecic.Mo.deling......37.ezoidal.............brane.............Limits7P1.3.2thComputationalMeshHemo40dynamicsP......Inuence.t.........41.king.for......8Metho1.3.3LoFluid-Structure-In.teraction.Mo.dels..(Natural).Metho.......3.4.2.Gap.........Enhanced.d9.1.3.4.AendvAnalysisanced.Structural.W.all.Mo.dels....3.1.1.ariational....................10261.4LinearizationObthejecWtivPrinciplees.of.the.Presen.t3.1.3WoforkV.a.W.Principle.........3.2.c.Phenomena.3D.ts..............13.23.2.1SomeolumeNonlinearricConctin.uum.Mec.hanics.17.2.1.Kinematics..........35.Shear.c...........................3.2.3.rap.Lo.king............17.2.2.Stress.Concept..38.Mem.Lo.king.......................3.3.of.t.erfectibilit.and.e.of.Qualit...3.3.1.t.erfec.y20MacNeal's2.3.Balance.Principles.and.En3.3.2tropofyQuali.y...................3.3.3.c.in.De.m.Analyses......21.2.4.Initial3.4BoundarydsVEliminatealuecProblemPhenomena.............42.Assumed.S.n.d.............43.The23Strain3MethoEcien.t.Finite.Elemen.ts.for.Arterial.W45allTheMoAssumeddelingMetho25.3.1.Prerequisites.of.Finite.Elem48viiiContents..del3.4.4113Alternat