[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] A substituição de válvula aórtica por cateter (Transcatheter Aortic Valve Replacement, TAVR) tornou-se uma poderosa alternativa para pacientes com estenose aórtica e com alto risco de serem submetidos à cirurgia tradicional de peito aberto. O conhecimento da distribuição da pressão, bem como a tensão cisalhante na superfície da aorta podem ajudar a identificar regiões críticas, onde o processo de remodelamento da aorta pode ocorrer. O objetivo do presente trabalho é avaliar numericamente a influência do posicionamento do orifício da válvula protética no campo de escoamento. O estudo foi realizado com base em um paciente submetido a TAVR. Um modelo 3D foi gerado a partir de angiotomografia e de segmentação de imagens da aorta. Dados experimentais obtidos anteriormente na mesma geometria indicaram que o fluxo do jato através da válvula de entrada é de natureza turbulenta. O escoamento foi determinado numericamente com o software comercial FLUENT. A turbulência foi modelada com o modelo de dois equações k-omega SST. Para representar um fluxo pulsátil, foram impostos diferentes fluxo de massa na entrada da válvula. Para todas as vazões investigadas, obteve-se um padrão de escoamento semelhante. Mostrou-se que uma pequena variação dos ângulos de inclinação pode modificar a natureza do fluxo, deslocando a posição dos vórtices e alterando a localização das regiões de alta tensão de cisalhamento, assim como de alta pressão, na superfície interna da aorta. Mostrou-se também que um aumento da intensidade da turbulência na entrada diminui os valores de tensão cisalhante e de pressão nas paredes da aorta. Essas características hemodinâmicas podem ser relevantes no processo de remodelação aórtica e os estresses mecânicos podem influenciar na durabilidade da prótese valvular. / [en] Transcatheter Aortic Valve Replacement (TAVR) has become a powerful alternative for patients with aortic stenosis and a high surgical risk to face a traditional open chest surgery. The knowledge of the pressure distribution as well as shear stress at the aortic surface may help identify critical regions, where aortic remodeling process may occur. The purpose of the present work is to evaluate numerically the influence of the positioning of the prosthetic valve orifice in the flow field. The study was carried out on the basis of a particular patient who had undergone a TAVR. A 3D model was generated from computed tomography angiography and image segmentation of the aorta. Experimental data previously obtained in the same geometry indicated that the jet flow through the inlet valve is turbulent flow. The flow field was numerically determined with the commercial software Fluent. The turbulence was modeled with the two-equation k-omega SST model. To represent a pulsatile flow, different mass flow rates were imposed at the inlet valve. Similar flow pattern was observed for all flow rates investigated. It was shown that small variations of the tilt angle can modify the nature of the flow, displacing the position of the vortices and altering the location of high shear stress, as well as high pressure, at the aortic inner wall. It was also shown that an increase of the turbulent intensity at the entrance decreases the values of shear stress and pressure on the walls. These hemodynamic features may be relevant in the aortic remodeling process and the mechanical stresses may influence the durability of the valve prosthesis.

[pt] Com o objetivo de demonstrar as possibilidades oferecidas pelas tecnologias tridimensionais, no entendimento das doenças cardíacas e testar tratamentos inovadores, o presente estudo obteve imagens da região torácica de um paciente utilizando tomografia computadorizada multi-fatias. Essas imagens foram tratadas, para selecionar apenas a região de interesse, obtendo-se um modelo tridimensional digital da aorta torácica e tóraco-abdominal. A partir daí, foram confeccionados uma serie de modelos físicos, com a utilização da manufatura aditiva, e testados com diversos materiais para simular a estrutura elástica deste vaso. Após a construção dos modelos físicos, as imagens obtidas foram processadas e renderizadas e um modelo de simulação virtual foi criado para testar procedimentos minimamente invasivo. O uso de imagens da Tomografia Computadorizada, transformadas em modelos matemáticos virtuais e posteriormente em representação física, através da tecnologia aditiva, expande as possibilidades didáticas do ensino medico e possibilitam simular práticas e procedimentos cardiológicos minimamente invasivos. / [en] In order to demonstrate the possibilities provided by three-dimensional technologies, to understand disease states and test innovative treatments, this study obtained images of the thoracic region of a patient using multi-slice Computerized Tomography (CT). These images were handled to select only the region of interest, obtaining a three-dimensional digital model of thoraco-abdominal and thoracic aorta. Thereafter, a series of physical models were made using additive manufacturing and thoroughly tested on materials to simulate the elastic structure of the vessel. After building up physical models, the images were processed and rendered, and a virtual simulation model was created to test minimally invasive procedures. The CT s images transformed into virtual mathematical models and later in physical representation, by additive technology, expand educational opportunities and enable simulation of minimally invasive cardiological procedure.

[pt] Doenças cardiovasculares são responsáveis por um elevado número de óbitos em seres humanos. Muitas dessas patologias são dependentes do ciclo cardíaco e estão localizadas na aorta, a maior e principal artéria do nosso corpo. O conhecimento dos padrões de escoamento e distribuições de tensões nas paredes da aorta podem auxiliar no diagnóstico e prevenção de algumas dessas doenças. Dessa forma, estudou-se numericamente o escoamento do sangue, durante o ciclo cardíaco, em um modelo 3D da aorta de um paciente específico, após a implantação de TAVI (Transcatheter Aortic Valve Implantation). O ciclo cardíaco é formado por dois períodos chamados de sístole e diástole. Durante a sístole, sangue é bombeado do coração para a aorta, apresentado altos valores de vazão, resultando em escoamento turbulento. Por outro lado, na diástole, com o fechamento da válvula aórtica, o sangue escoa com baixas velocidades em regime laminar. Até hoje, cientistas enfrentam um desafio na modelagem da turbulência, pois não existe uma única modelagem que forneça previsibilidade para todas as situações envolvendo o regime turbulento, com esforço computacional razoável. Para seleção do modelo de turbulência mais adequado para análise do escoamento no interior da aorta, na presença da transição de regimes de escoamento durante o ciclo cardíaco, com um custo razoável, selecionou-se a metodologia baseada na Média de Reynolds. Diferentes modelos foram comparados com dados experimentais extraídos do mesmo modelo aórtico em escala real, porém em regime permanente, com vazão correspondente ao pico da sístole. Por fim, avaliou-se o impacto das condições de contorno e dos modelos de turbulência durante o ciclo cardíaco na distribuição e valores de tensões e grandezas turbulentas no endotélio vascular. Mostrou-se que a distribuição espacial das médias temporais de tensão foram qualitativamente e quantitativamente similares, para os dois ciclos cardíacos representativos de diferentes pacientes, porém com pequenas mudanças locais para cada caso. Em termos dos modelos de turbulência, observou-se que o modelo SAS (Scale Adaptive Simulation) foi capaz de representar a relaminarização do escoamento sanguíneo no período diastólico. / [en] Cardiovascular diseases are responsible for a high number of deaths in humans. Many of these pathologies are dependent on the cardiac cycle and are located in the aorta, the largest and main artery in our body. Knowledge of flow patterns and stress distributions in the walls of the aorta can help in the diagnosis and prevention of some of these diseases. Thus, the flow of blood during the cardiac cycle was numerically studied in a 3D model of the aorta of a specific patient, after TAVI (Transcatheter Aortic Valve Implantation) implantation. The cardiac cycle consists of two periods called systole and diastole. During the systole, blood is pumped from the heart to the aorta, presenting high flow rates, resulting in a turbulent flow. On the other hand, in diastole, with the closure of the aortic valve, the blood flows with low velocities in laminar regime. Until today, scientists face a challenge in turbulence modeling, as there is no single model that provides predictability for all situations involving the turbulent regime, with reasonable computational effort. In order to select the most suitable turbulence model for the analysis of the flow inside the aorta, in the presence of the transition of flow regimes during the cardiac cycle, with a reasonable cost, the methodology based on the Reynolds Average was selected. Different models were compared with experimental data extracted from the same real-scale aortic model, but a in steady state, with flow corresponding to the systolic peak. Finally, the impact of boundary conditions and turbulence models during the cardiac cycle on the distribution and values of stresses and turbulent quantities in the vascular endothelium were evaluated. It was shown that the spatial distribution of the temporal averages of tension was qualitatively and quantitatively similar, for the two cardiac cycles representative of different patients, but with small local changes for each case. In terms of turbulence models, it was observed that the SAS (Scale Adaptive Simulation) model was able to represent the relaminarization of blood flow in the diastolic period.

[pt] As patologias na valva aórtica representam umas das principais causas de óbito no mundo. Nos casos de estenose aórtica grave, a substituição da valva nativa é necessária. Existem dois mecanismos de substituição de valva aórtica: cirurgia convencional, através da toracotomia, ou o implante valvar aórtico percutâneo (TAVI, Transcatheter Aortic Valve Implantation). O posicionamento coaxial da prótese valvar em relação ao ânulo aórtico influência o fluxo sanguíneo transvalvar, podendo contribuir para o remodelamento aórtico, culminando em dilatações aneurismáticas, dissecção aórtica e processo aterosclerótico. O presente estudo avalia numericamente a influência do posicionamento coaxial da prótese valvar nas estruturas hemodinâmicas na região de aorta ascendente e início do arco aórtico, durante um ciclo cardíaco. A geometria anatômica avaliada corresponde a um modelo aórtico de um paciente que foi submetido ao implante valvar percutâneo. O escoamento foi obtido com o modelo de turbulência (K - W), utilizando o software ANSYS-Fluent. A interação entre a complacência aórtica e o fluxo sanguíneo durante o ciclo cardíaco foi obtida empregando simulações do tipo FSI (Fluid Structure Interaction). A metodologia numérica foi validada através de comparações com dados experimentais nobres do tipo PIV estereoscópico, com excelente concordância do campo de velocidade e tensões de Reynolds. Observou-se a importância do posicionamento coaxial da prótese valvar aórtica com relação ao direcionamento do jato e área de impacto na parede da aorta; influenciando na formação de regiões de recirculação na raiz da aorta e aorta ascendente; com diferentes estruturas coerentes (vórtices). Identificou-se as regiões de alta pressão e tensão de cisalhamento na parede da aorta, assim como de alta intensidade das grandezas turbulentas no volume interno da aorta. A partir da análise dos resultados foi possível sugerir que a posição coaxial ideal da prótese pode ser obtida quando é direcionada à parede esquerda da aorta com uma inclinação de 4 graus. / [en] Aortic valve pathologies are one of the leading causes of death in the world. In cases of severe aortic stenosis, replacement of the native valve is necessary. There are two mechanisms of aortic valve replacement: conventional surgery through thoracotomy or Transcatheter Aortic Valve Implantation (TAVI). Coaxial positioning of the valve prosthesis in relation to the aortic annulus influences on the transvalvar blood flow, which may contribute to aortic remodeling, culminating in aneurysmal dilations, aortic dissection and atherosclerotic process. The present thesis evaluates the influence of the coaxial positioning of the valve prosthesis on hemodynamic structures in the ascending aorta and the beginning of the aortic arch, during a cardiac cycle. The anatomical geometry evaluated was the aortic model of a specific patient after being submitted to percutaneous valve implantation procedure. The flow was obtained with the (K - W) turbulence model, using ANSYS-Fluent software. Interaction between aortic compliance and blood flow during the cardiac cycle was obtained using simulations FSI (Fluid Structure Interaction). The numerical methodology was validated through comparisons with noble experimental data obtained from stereoscopic PIV method, with excellent agreement of the velocity field and Reynolds stress. It was observed the importance of the coaxial positioning of the aortic valve prosthesis in relation to the jet direction and the impact area in the aortic wall, influencing the formation of recirculation regions in the aortic root and ascending aorta; with different coherent structures (vortices). The regions of high pressure and shear stress were identified in the aortic wall, as well as high intensity turbulent quantities in the internal aortic volume. From the results analysis it was possible to suggest that the ideal coaxial position of the prosthesis can be obtained when it is directed to the left wall of the aorta with an inclination of 4 degrees.