[pt] Esta tese tem por objetivo investigar numérica e experimentalmente a mecânica da formação dos aneurismas na aorta. A parte experimental foi realizada no Laboratório de Membranas e Biomembranas utilizando-se tubos cilíndricos de látex sob pressão hidrostática e tubos de silicone com geometria aproximada da aorta. Foi investigada a pressão necessária à formação dos aneurismas e o comportamento do material ensaiado. A parte numérica foi realizada por meio do método dos elementos finitos através do programa ABAQUS. Na análise numérica foi validada a análise experimental e realizados alguns estudos paramétricos. / [en] The objective of this work was to investigate numerical and experimentally the mechanics of aortic aneurisms. The experimental part was done in the Laboratory of Membranes and Biomenbranes using latex cylindrical tubes under hydrostatic pressure and rubber tubes with the approximate aortic geometry. The required pressure to formation of aneurisms was investigated as well the behavior of the material during the experiments. The numerical part was done with finite element method with the ABAQUS program. In the numerical analyses the experimental analyses was validated and some parametric studies was done.

[pt] Esta tese tem por objetivo investigar numérica e experimentalmente a mecânica da formação dos aneurismas na aorta abdominal. A parte experimental foi realizada no Laboratório de Membranas e Biomembranas utilizando-se tubos de silicone com a geometria aproximada da aorta sob pressão hidrostática. Foi investigada a pressão necessária à formação dos aneurismas e o comportamento do material ensaiado. A parte numérica foi realizada por meio do método dos elementos finitos através do programa ABAQUS (6.8.1). Com a análise numérica foi validada a análise experimental. Foram estudados casos de imperfeição geométrica e física do material, usando equações constitutivas propostas para o material da aorta. / [en] The aim of this work is to investigate numerically and experimentally the mechanics of aortic aneurisms. The experimental part was performed at the Laboratory of Membranes and Biomembranes using silicone tubes with the geometry of the aorta under hydrostatic pressure. We investigate the behavior of the material tested and the critical pressure, this is the pressure necessary for the formation of aneurysms. The numerical analysis is done using the finite element code ABAQUS (6.8.1), and is validated by the experimental analysis. Some studies of geometrical and physical imperfections are performed, as well as the ones with constitutive equations for the material of the aorta.

[pt] Aneurisma arterial é definido como uma dilatação excessiva do diâmetro normal de uma artéria. O aneurisma da aorta ascendente é geralmente assintomático, portanto, é frequentemente identificado acidentalmente durante exames de imagem de rotina. Após a identificação do aneurisma, caso não haja indicação cirúrgica, o paciente deve ser acompanhado de maneira adequada, pois a ruptura arterial pode ser fatal. A influência do fluxo sanguíneo no remodelamento aórtico é uma importante área de investigação. O objetivo deste estudo é identificar padrões hemodinâmicos em aneurismas de aorta ascendente que possam estar relacionados com o aumento do aneurisma. Cada paciente do estudo foi avaliado em dois momentos distintos. Um modelo tridimensional do aneurisma de aorta ascendente foi gerado para cada paciente a partir de exames de angiotomografia de aorta. O padrão de fluxo foi determinado numericamente com a utilização de um software comercial. Foi demonstrado que o ângulo entre a entrada do fluxo principal e o tronco braquiocefálico pode induzir a uma incidência de um jato incidente na parede da aorta, ocasionado áreas de recirculação na região posterior do jato, além de altos valores de pressão e tensão cisalhante. Os presentes achados hemodinâmicos podem estar relacionados com o remodelamento da aorta ascendente. / [en] Arterial aneurysmal is defined as an excessive dilation of the normal diameter of an artery. Ascending aortic aneurysm is generally asymptomatic, so it is often accidentally identified during routine imaging examinations. After the aneurysm has been identified, if there is no surgical indication, the patient should be followed adequately, since arterial rupture can be fatal. The influence of blood flow on aortic remodeling is an important area of investigation. The aim of this study is to identify hemodynamic patterns in ascending aortic aneurysms that may be related to aneurysm enlargement. Each patient in the study was evaluated at two different times. A three-dimensional model of the ascending aortic aneurysm was generated for each patient from aortic angiotomography examinations. The flow field was numerically determined with a commercial software. It has been shown that the angle between the entrance of the main flow and the brachiocephalic trunk can induce an incident jet on the aortic wall, causing areas of recirculation in the posterior region of the jet, besides high values of pressure and wall shear stress. The present hemodynamics findings may be related to remodeling of the ascending aorta.

[pt] Este estudo apresenta a validação de um modelo físico/numérico para prever o escoamento na aorta ascendente de um paciente saudável, com o objetivo de estender sua aplicação para analisar outros pacientes, especificamente, com aneurisma da aorta ascendente (AAoA). Aplicando o conceito paciente-específico (PSM), os resultados fornecidos pela técnica de Ressonância Magnética Quadridimensional (4D-Flow MRI) foram utilizados na simulação empregando a abordagem de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) com um modelo de turbulência capaz de prever transições entre regimes laminar/turbulento durante o ciclo cardíaco. Condição de contorno baseada na vazão medida foi imposta na entrada da aorta. Nas saídas, foram considerados os percentuais da vazão de entrada correspondentes à cada saída, bem como o modelo Windkessel de três elementos para estabelecer uma aproximação mais precisa da relação pressão-vazão. Os resultados favoráveis obtidos dos perfis de pressão, vazão e tensão de cisalhamento em várias posições ao longo da aorta e ao longo do ciclo cardíaco validaram a aplicação potencial do PSM a outros pacientes, em particular, pacientes com AAoA. O AAoA é uma doença silenciosa com alta mortalidade, e os fatores associados ao pior prognóstico ainda não são totalmente conhecidos. Com o objetivo de relacionar características da dinâmica do escoamento com a doença, modelos anatômicos personalizados foram obtidos a partir de angiotomografias de 30 pacientes em dois anos diferentes (com intervalos de um a três anos entre eles). Com base na diferença de volume da aorta ascendente de um ano para outro, dois grupos foram definidos: um com crescimento do aneurisma e outro sem crescimento. O escoamento durante o ciclo cardíaco e a geometria correspondente a cada grupo foram comparados para encontrar padrões que possam indicar o crescimento do aneurisma a partir do primeiro exame. Embora não tenha havido uma tendência clara entre os dois grupos de pacientes, foram observados valores mais altos da pressão média- temporal ( ) em pacientes com crescimento do aneurisma, bem como períodos mais longos durante o ciclo com a aorta submetida a altos valores de tensão de cisalhamento. O presente estudo explorou o processo de remodelação de pacientes com aneurisma e como a geometria pode impactar em seu crescimento, contribuindo para uma melhor compreensão da fisiopatologia aórtica. / [en] This study presents the validation of a physical/numerical model designed to predict the ascending aorta flow in a healthy patient, aiming to extend its application to analyze other patients, specifically, with ascending aortic aneurysm (AAoA). Applying the patient-specific model (PSM) concept, the results provided by the Four-dimensional Flow Magnetic Resonance Imaging (4D-Flow MRI) technique were used in the simulation employing the Computational Fluid Dynamics (CFD) approach, with a turbulence model capable of predicting laminar/turbulent regime transitions during the cardiac cycle. Boundary condition based on measured flow rate was imposed at the aorta s inlet. At the outlets, the physiological percentages of inlet flow rate corresponding to each output were considered, as well as the three-element Windkessel model to establish a more accurate approximation of the pressure-flow relationship. The favorable results obtained on pressure, flow rate and shear stress profiles at various positions along the aorta and throughout the cardiac cycle, validated the potential application of PSM to other patients, in particular patients with AAoA. AAoA is a silent disease with high mortality, and factors associated with a worse prognosis are not yet fully known. Aiming to relate flow dynamics characteristics with the disease, personalized anatomic models were obtained from angiotomography scans of 30 patients in two different years (with intervals of one to three years between them). Based on the volume difference of the ascending aorta from one year to another, two groups were defined: one with aneurysm growth and another without growth. The flow field during the cardiac cycle and the geometry corresponding to each group were compared to find patterns that may indicate the aneurysm growth from the first exam. Although there was no clear trend between the two patient groups, higher time-averaged pressure ( ) values were observed in patients with aneurysm growth, as well as longer time periods during the cycle with the aorta subjected to high values of shear stress. The present study explored the remodeling process of patients with aneurysm and how the geometry and flow pattern can impact its growth, contributing to a better understanding of aortic pathophysiology.