No description available.

No description available.

Endothelial dysfunction is an early stage in atherosclerosis and is associated with oxidative stress, which occurs when reactive oxygen species are not fully compensated by cellular antioxidants. This study investigated the effects of hydrogen peroxide in a human endothelial cell model. EA.hy926 cells incubated for 1 hour at 37°C with increasing concentrations of hydrogen peroxide were investigated for DNA damage ('Comet' assay), changes in mitochondrial activity (MTT assay), apoptosis and necrosis (Annexin V assay), cell growth and senescence (changes in morphology, cell size, pH6 specific B-galactosidase (S-Gal) and telomere shortening). Changes in the expression of mRNA transcripts of thrombotic (tissue factor); fibrinolytic (tissue phasminogen activator and plasminogen activator inhibitor-1) and adhesion (ICAM-1) proteins were investigated using RT-PCR. Low (&le;50muM) concentrations of hydrogen peroxide induced detectable, but reversible, DNA damage; which was accompanied only by a small decrease in mitochondrial activity. Intermediate levels of oxidative stress (<200muM H2O2) resulted in a dose-dependent effect on DNA damage and mitochondrial function. Exposure to hydrogen peroxide concentrations equal to or above 200muM caused immediate changes in a sub-set of the cells, including apoptosis (n=4). In the surviving cells proliferative ability was reduced, and senescent-like cells developed; indicated by an increase in S-Gal positive cells, a skewed increase in cell size and the appearance of 'giant' cells, but not by changes in telomere length. Tissue Factor and ICAM-1 mRNA levels increased with a corresponding increase in surface ICAM-1 protein expression, but there was no effect on either of the fibrinolytic factor transcripts (n=3). This study demonstrated that endothelial cells surviving an oxidative insult showed an altered phenotype becoming more adhesive and possibly more thrombogenic in parallel with the appearance of senescence. In vivo, these changes would accelerate the progression of atherosclerothrombosis and lead to an impaired ability to repair further injury to the endothelium.

MRI offers a non invasive method of quantifying physiological parameters related to the such as perfusion (F), blood volume (vf,) and capillary permeability surface area product {PS) in vivo. Changes in such parameters are present in a wide range of diseases ranging from psychological disorders to cancer. Quantification of such parameters is therefore of major benefit in both the diagnosis and understanding of such disease as well as for assessment of potential therapies.

This thesis develops mathematical models for the flow through shunts in the human body in two particular parameter regimes: flows of large Womersley number, i.e. ones dominated by high-frequency terms, and flows of low Reynolds number, e.g. of high viscosity. The first regime can be extended to flows with the properties that the Womersley number is of order bigger than the square root of the Reynolds number. The geometries that are considered in this work are idealised and therefore enable for the mathematical understanding of some fascinating, complicated, and not-very- well-understood problems in fluid dynamics. Analytical solutions are derived for high-frequency flow in three different idealised geometries. These rely on solving Laplaces equation for all linearly independent steady solutions in each particular geometry, and providing a suitable time-dependent behaviour through the choice of boundary conditions. The analysis uses complex potential theory, Schwarz- Christoffel transformations, conformal mappings and Fourier series. The solutions are applied to study the hemodynamics in the vicinity of a patent ductus arteriosus (PDA): a shunt between the aorta and pulmonary artery in some adults. Of particular interest are the distributions of velocity and pressure in the two arteries, as well as the shear stress at the cardiovascular walls, during a cardiac cycle in asymptomatic patients. Different hypotheses are tested by introducing different boundary conditions. The main results are based on the assumption that the flow in asymptomatic PDA patients is similar to the flow in healthy adults. The thesis also considers the low-Reynolds-number flow in a two-dimensional geometry of a shunt between two vessels. An analytical solution is derived by constructing piece-wise continuous functions that solve the biharmonic equation. The method uses the orthogonality properties of Papkovich- Fadle eigenfunctions. This work is applied to model the flow distribution in a side-to-side anastomosis.

No description available.

The wall properties of the arteries play an important role in cardiovascular function. Stiffness of large artery is predictive of cardiovascular events. To understand the function of the cardiovascular system, special attention should be paid to the understanding of pulse wave propagation, because pulse waves carry information of the cardiovascular function, and provide information which can be useful for the prevention and diagnosis of diseases. This thesis presents a series of in vitro experimental studies of wave propagation, wave reflection and determination of mechanical properties of flexible vessels. In this thesis, several studies have been included: 1) applied and compared foot-to-foot, PU-loop and lnDU-loop methods for determination of wave speed in flexible tubes and calf aortas; 2) investigated the variation of local wave speed determined by PU-loop with proximity to the reflection site; 3) investigated using wave intensity analysis (WIA) as the analytical technique to determine the reflection coefficient; 4) developed a new technique which based on one-point simultaneous measurements of diameter and velocity to determine the mechanical properties of flexible tubes and calf aortas. In the first study, it is found wave speeds determined by PU-loop and lnDU-loop methods are very similar, and smaller than those determined by foot-to-foot method. The timing of arrival time of reflected wave based on diameter and velocity technique highly agreed with the corresponding timing based on pressure and velocity technique. The shapes of forward and backward non-invasive wave intensities based on diameter and velocity are very similar with the corresponding shapes based on pressure and velocity. Although the density term is not part of the equation, the lnDU-loop method for determining local wave speed is sensitive to the fluid density. In the second study, it is found wave speed measured by PU-loop is varied with proximity to the reflection site. The closer the measurement site to the reflection site, the greater the effect upon measured wave speed; a positive reflection caused an increase in measured wave speed; a negative reflection caused a decrease in measured wave speed. Correction iteration process was also considered to correct the affected measured wave speed. In the third study, it is found, reflection coefficient determined by pressure, square roots of wave intensity and wave energy are very close, but they are different from reflection coefficient determined by wave intensity and wave energy. Due to wave dissipation, the closer the measurement site to the reflection site, the greater is the value of the local reflection coefficient. The local reflection coefficient near the reflection site determined by wave intensity and wave energy are very close to the theoretical value of reflection coefficient. In the last study I found that distensibility determined by the new technique which utilising lnDU-loop is in agreement with that determined from the pressure and area which obtained from tensile test in flexible tubes; distensibility determined by the new technique is similar to those determined in the static and dynamic distensibility tests in calf aortas; Young’s modulus determined by the new technique are in agreement with that those determined by tensile tests in both flexible tubes and calf aortas. In conclusion, wave speed determined by PU-loop and lnDU-loop methods are very similar, the new technique lnDU-loop provides an integrated noninvasive system for studying wave propagation; wave speed determined by PU-loop is affected by the reflection, the closer the measurement site to the reflection site, the greater the change in measured wave speed; WIA could be used to determine local reflection coefficient when the measurement site is close to the reflection site; the new technique using measurements of diameter and velocity at one point for determination of mechanical properties of arterial wall could potentially be non-invasive and hence may have advantage in the clinical setting.

The study of pulsatile flow through a stenosis is motivated by the need to obtain a better understanding of the impact of flow phenomena on atherosclerosis and stroke. MRI techniques have been employed to characterize flow emerging from a stenosis and non-stenotic tube. Detection and quantification of stenosis, serve as the basis for surgical intervention. In the future, the study of arterial blood flow will lead to the prediction of individual hemodynamic flows in any patient, the development of diagnostic tools to quantify disease, and the design of devices that mimic or alter blood flow. Blood flow and pressure are unsteady. The cyclic nature of the heart pump creates pulsatile conditions in all arteries. The heart ejects and fills with blood in alternating cycles called systole and diastole. Blood is pumped out of the heart during systole. The heart rests during diastole, and no blood is ejected. Pressure and flow have characteristic pulsatile shapes that vary in different parts of the arterial system. The experiments demonstrate that stenotic pulsatile flow exhibit flow disturbance phenomena which deviate the flow from the laminar behavior. In vitro measurements can simulate blood flow to a satisfactory degree, under various assumptions for flow. In this study, estimation of various hemodynamic parameters, are achieved by means of a flow phantom. The phantom can simulate pulsatile blood flow in arterial system, in our case blood flow in carotid artery. The phantom consists of an one-headed positive displacement diaphragm pump, driven by an electrocardiogram (ECG) generator, with the tube, creating a closed circuit. Within the circuit, water (as blood mimicking fluid) is driven, simulating blood flow. We studied the flow using velocity-encoded MR phase contrast sequences. Phase contrast angiography relies on dephasing the moving spins submitted to a bipolar gradient. For a bipolar gradient of a given intensity and time, the moving spins will dephase in proportion to their velocity. Similar to spatial encoding in the phase direction, the possible phase values range from – π to + π. Beyond this range of values, aliasing occurs, causing poor velocity encoding. The encoding gradient characteristics are thus defined in order to encode flows within a certain velocity range from -Venc to +Venc to be determined by the user. Any velocity outside this range will be poorly encoded (similar to what happens in pulsed and color Doppler with PRF). The present work refers to blood flow estimation by means of Magnetic Resonance Imaging. The MR imaging system used, is a 1.5 Tesla scanner (Intera 1.5T, Philips Medical Systems, Best, the Netherlands) of Attikon Hospital (Second Department of Radiology). CT imaging system is a Philips Brilliance 64, used to assess the percentage of the stenosis. The experimental set up consists of a flow phantom, simulating blood flow through blood vessels under chosen conditions. Gradient echo (phase contrast) sequences used, precisely: SQ flow and QFP sequences. MR phasecontrast technique quantifies and displays flow velocities in real times. The sequence uses a two-dimensional selective radiofrequency pulse followed by flow-sensitizing gradients with an echo planar readout. It provides the simultaneous display in real time of both an anatomic image for positioning and the through plane flow-velocity data. By controlling scan position and orientation interactively, one can optimize flow signal. The retrospective search of measurements is carried out with the database of a software used, called EVORAD. The software of the workstation automatically provided the following parameters: ROI area (cm2), vessel lumen diameter (cm), blood volume flow (ml/s), mean and maximum blood flow velocities (cm/s). The LOIs in respective, used for velocity profiles determination, were acquired by ImageJ software, by similar procedure at vertical and horizontal direction on the lumens’ plane perpendicular to the flow. Two different geometries were used: a PVC tube mimicking a healthy carotid artery of 6mm internal diameter and a stenotic glass tube to simulate arterial pathology, of 8mm internal diameter. Considering the non-stenotic PVC tube, VFR values are estimated volumetrically (for various bpm and pump output values) and via MRI (for straight and inclined position). VFR values are then compared. MR maximum velocity values are estimated too, and velocity profiles are plotted. The procedure is similar in the case of the stenotic glass tube, for various (bpm and PO; pump output) and at intervals of 1cm across the stenosis reaching 4cm upstream and downstream. In the sequence of estimation, percentage of stenosis follows; estimated from both MRI and CT scans. Finally, variation of pressure and SNR in order to assess the signal loss due to stenosis are estimated. Accounting for the non stenotic tube: The first significant issue to mention, is the greatest cv (correlation of variation) values at lower VFR values (measured at 10%pump output and pressure of 2,5b), among all VFR values for both 60 and 75 bpm, and the greatest std values noticed at the greatest VFRs (60%, 4.6b). VFR values are indeed greater at 75 bpm compared to those at 60 bpm, as expected. Values show no stable relevance between VFR and pump output. There are differences in VFR values from the inclined position, statistically significant, in cases of 5% for both 60,75bpm. Statistical differences (at 5% statistical significance), are noticed between volumetric measurements versus MRI extracted values as compared above, between SQflow and QFP sequences (60/20). VFR values comparison between volumetric and MRI measurements, show statistical differences. Concerning Vmax values from ROIs and LOIs V,H: there are statistical differences in 5, 10%PO, for both 60, 75bpm, indicating higher values in straight position. Concerning Vmax values extracted from MRI ROIs and LOIs V&H: there are statistically significant differences in cases of 5,10% PO, at both 60,75bpm, leading to greater values at straight position. In the case of stenotic tube: Comparison, of VFR values at 75, 120 bpm, result in higher flow at the exit of the stenosis (49.16%, 80.14%). In the vicinity of stenosis (± 1cm), VFR is almost stable in the case of 120 bpm (0,74%), whereas the highest variation is noted at 75 bpm (133,9%). The highest VFR value intrastenotic is noted at 120 bpm (2,06ml/s). As flow increases, VFR variation is noted more distal to the stenosis. Percentage comparison indicate that greater variations for 60,75, 120bpm are noted in the vicinity of stenosis (±1cm), whereas for 100bpm at ±3cm. Considering Vmax extracted values at 4cm post stenosis in all cases of pulsatility are higher than the respective values 4cm pre stenosis. At the neck of the stenosis extracted values are indeed high as expected, since laminar flow persists across the stenosis. The highest Vmax value among all intra-stenotic values, appears at 60 bpm. As pump flow rate increases, maximum value occurs most post along stenosis. Post stenosis variations are expected to be higher at higher pulsatility. Vertical LOIs result in higher R squared values. In lower flow (corresponding to lower pulsatility 60,75bpm as mentioned above), parabolic profiles as noted pre and post stenosis (2cm,1cm pre and 4cm post). For higher flow, (100,120bpm), parabolic profiles are depicted post stenosis (2-4cm) and in the neck of stenosis for 100bpm. Severity of stenosis is calculated as the percentage rate of Vmax upstream or downstream the stenosis to the intrastenotic Vmax, minus the unity. The pump output is set up to 10%, flow rate ranges from 60 to 120 bpm. Calculations account for Vmax values from both ROIs and LOIs (V,H). Measurements from CT scan are also acquired (gold standard) for comparison. Due to turbulence, Xpre values are considered as more reliable. Better agreement for stenosis estimations to ROIs are acquired: in low flow from LOIsV, whereas at higher flow by LOIsH. Overall, values extracted by MR at 60 bpm imply a stenosis of 46% (LOIsH), 98% (LOIsV) and 93% (ROIs), whereas CT scans estimations lead to 90.2% using diameter stenosis and 99% using area stenosis. The LOIsH expectedly underestimate the percentage of stenosis. CT value of 99% is the exact value, that result by the relationship described in Ota et al.(2005) study: A=D*[2-(D/100)], where D=0,902 is the “diameter stenosis”. ΔP values at 60 and 100bpm, exceed the respective at 75, 120 bpm. In Vmax values, higher intrastenotic values were noted at those pulsatilities, indicating higher pressure energy loss converted to kinetic energy. Calculations of ΔP, a value of 4 is used for K factor and Vmax values are calculated in m/s in the neck of the stenosis. Calculations from linear and elliptical ROIs were made. By the same reasoning as before, we assume that the value of 15.92mmHg found at 60bpm from ROIs is the most reliable. A second calculation of ΔP by means of K=4.9 lead to higher values of 5.1%. Signal to noise ratio as indicative of the loss of signal as fluid flows along the stenosis. Rectangular ROIs are designed upstream and downstream the stenosis, thus SNR values: upstream the stenosis, are higher in contrast to all respective values downstream. Calculations lead to values of: 54.15% (60bpm), 71.08% (75bpm), 68.7% (100bpm) and 72.63% for 120 bpm. The highest loss is depicted at 120 bpm, and in descending order at 75, 100 and 60 bpm. There are certain factors that are limiting when it comes to comparing the executed study to clinical flow measurements, many of which are connected to properties of the pump and phantom used. At very low pump output as used, there was instability at several times. On the other hand at high PO the pressure reached maximum value (manometer) and was thus avoided. The PO values of 5, 10, 20% are quite lower than that usually found in patients. Thus, a direct comparison to in vivo values would be invalid. The tube in the phantom differs from that of a blood vessel as it is rigid, tube wall consists of PVC or glass, and BMF has different relaxation properties than those found in vivo. Furthermore, the size of the phantom used is much smaller than that of an actual patient, which can lead to a significant divergence in susceptibility variations in scanned material. Consequently, optimal future projects should include scanning faster flow, higher PO, higher magnitude of 3T, different sequences and modalities (various stenoses, oblique positions, blood mimicking fluids, different vessel walls; to more closely mimic in vivo conditions and to reduce the influence of partial volume effects) and a comparison among different techniques as ultrasound, computed tomography CT. Turbulence in flow is crucial for comprehension and interpretation of the flow across a stenosis. Hence, complete understanding of the interrelationship between pressure, flow, and symptoms for cardiovascular stenoses is a critical problem. New devices to repair stenotic arteries are continuously being developed. Thus fluid mechanics will continue to play an important role in the future diagnosis, understanding, and treatment of cardiovascular diseases. / Η μελέτη της παλμικής ροής μέσω στένωσης, υπαγορεύεται υπό την ανάγκη να υπάρξει βαθύτερη κατανόηση των επιπτώσεων των φαινομένων ροής σε περιπτώσεις αθηροσκλήρωσης και εγκεφαλικού επεισοδίου. Οι τεχνικές μαγνητικής τομογραφίας χρησιμοποιούνται για να χαρακτηρισθεί η ροή που εξέρχεται από μια στένωση και από μη στενωμένα αγγεία. Η ανίχνευση και η ποσοτικοποίηση της στένωσης χρησιμεύουν ως βάση στις επεμβατικές θεραπείες. Μελλοντικά, η μελέτη της αρτηριακής ροής του αίματος θα οδηγήσει στην πρόβλεψη των μεμονωμένων αιμοδυναμικών παραμετρων ροής για κάθε ασθενή, την ανάπτυξη διαγνωστικών εργαλείων για την ποσοτικοποίηση της νόσου, και τη σχεδίαση συσκευών που μιμούνται και δύναται να τροποποιήσουν τη ροή του αίματος. Η ροή του αίματος και η πίεση του είναι ασταθείς. Η κυκλική φύση της άντλησης αίματος μέσω της καρδιάς μεταδίδει παλμικές συνθήκες ροής σε όλες τις αρτηρίες. Η καρδιά εξωθεί και γεμίζει με αίμα σε εναλλασσόμενους κύκλους που ονομάζονται συστολή και διαστολή αντίστοιχα. Αίμα αντλείται από την καρδιά κατά τη διάρκεια της συστολής. Η καρδιά αδρανεί κατά τη διαστολή, και δεν εξωθεί αίμα. Η πίεση και η ροή έχουν χαρακτηριστικές παλμικού σχήματος κυματομορφές που διαφέρουν στα διάφορα τμήματα του αρτηριακού συστήματος. Μελέτες υποδεικνύουν ότι η παλμική ροή μέσω στένωσης, παρουσιάζει φαινόμενα διαταραχής, ώστε η ροή τελικά να αποκλίνει από τη στρωτής συμπεριφοράς ροή. In vitro μετρησεις μπορούν να προσομοιάσουν τη ροή του αίματος σε ικανοποιητικό βαθμό, υπό την προυπόθεση διαφόρων προσεγγίσεων. Στην παρούσα εργασία η εκτίμηση των παραμέτρων ρόης γίνεται μέσω ομοιώματος. Το ομοίωμα μπορεί να προσομοιώσει την παλμική ροή αίματος στο αρτηριακό σύστημα, στην περίπτωσή μας στην καρωτιδική αρτηρία. Το ομοίωμα αποτελείται από μία βάση με αντλία διαφράγματος, “οδηγούμενη” από μία γεννήτρια συσκεύη ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ), δημιουργώντας ένα κλειστό κύκλωμα διαμέσω σωλήνα. Εντός του κυκλώματος, το νερό (όπως το αίμα), οδηγείται, προσομοιώνοντας την αιματική ροή. Μελετήσαμε τη ροή χρησιμοποιώντας ακολουθίες MR αντίθεσης φάσης. Η αγγειογραφία αντίθεσης βασίζεται σε αποσυμφασικοποίηση των κινούμενων spin, τα οποία υποβάλλονται σε διπολικό gradient (βαθμίδωση). Για μια διπολική βαθμίδωση δεδομένης έντασης και χρόνου, τα κινούμενα spin θα αποσυμφασικοποιούνται σε αναλογία με την ταχύτητά τους. Παρόμοιως με τη διαδικασία χωρικής κωδικοποίησης στην κατεύθυνση φάσεως, οι πιθανές τιμές φάσης κυμαίνονται μεταξύ - π και + π. Εκτός αυτού του εύρους τιμών, συμβαίνει aliasing, προκαλώντας κακή κωδικοποίηση ταχύτητας. Τα χαρακτηριστικά βαθμίδας κωδικοποίησης, καθορίζονται επομένως προκειμένου να κωδικοποιηθούν οι ροές εντός μίας ορισμένης περιοχής ταχύτητος από -Venc έως +Venc, όπως θα καθοριστούν από τον χειριστή. Κάθε ταχύτητα εκτός αυτού του εύρους θα κωδικοποιείται λανθασμένα (όπως συμβαίνει σε παλμικό και έγχρωμο Doppler με PRF). Η παρούσα εργασία, αναφέρεται στην εκτίμηση της ροής του αίματος με τη βοήθεια της μαγνητικής τομογραφίας. Το MR σύστημα απεικόνισης που χρησιμοποιείται, είναι το 1,5 Tesla (Intera 1.5T, Philips Medical Systems, Best) του Αττικού Νοσοκομείου (Β’ Τμήμα Ακτινολογίας). Το CT σύστημα απεικόνισης είναι το 64 Brilliance Philips, το οποίο χρησιμοποιείται για να εκτιμηθεί το ποσοστό της στένωσης. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από ένα ομοίωμα ροής, που μιμείται τη ροή του αίματος μέσω των αγγείων κάτω από επιλεγείσες συνθήκες. Οι ακολουθίες (αντίθεσης φάσης) που χρησιμοποιούνται, είναι οι: SQ ροής και η ακολουθία QFP. Η MR τεχνική αντίθεσης φάσης ποσοτικοποιεί και παρουσιάζει ταχύτητες ροής σε πραγματικούς χρόνους. Η αλληλουχία χρησιμοποιεί ένα δισδιάστατο παλμό ραδιοσυχνότητας επιλογής, ακολουθούμενο από κλίσεις ευαισθητοποίησης ροής με μία ηχώ κατά το επίπεδο αναγνώσης. Παρέχει ταυτόχρονη απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο μίας ανατομικής εικόνας αλλά και επίπεδο (εικόνα) δεδομένων ταχύτητας ροής. Με τη ρύθμιση της θέσης και του προσανατολισμού σάρωσης διαδραστικά, μπορεί κανείς να βελτιστοποιήσει το σήμα ροής. Η αναδρομική αναζήτηση των μετρήσεων πραγματοποιείται από τη βάση δεδομένων ενός λογισμικού, ονόματι EVORAD. Το λογισμικό του σταθμού εργασίας παρέχει αυτόματα τις ακόλουθες παραμέτρους: εμβαδόν περιοχής ενδιαφέροντος ROI (cm2), εμβαδόν διατομής αγγείου (cm), παροχή (ml / s), μέσες και μέγιστες ταχύτητες ροής του αίματος (cm / s). Οι γραμμές ενδιαφέροντος LOIs ,προς εκτίμηση των προφιλ ταχύτητας, αντίστοιχα σχεδιάστηκαν στο ImageJ λογισμικό, (κατά την κατακόρυφη και οριζόντια κατεύθυνση, στο επίπεδο του αυλού κάθετα προς τη ροή), και οι μετρήσεις εξάχθηκαν με παρόμοια διαδικασία. Δύο διαφορετικές γεωμετρίες χρησιμοποιήθηκαν: ένα αγγείο από PVC που μιμείται μία υγιή καρωτιδική αρτηρία και ένα στενωμένο γυάλινο αγγείο για την προσομοίωση αρτηριακής παθογένειας. ‘Oσον αφορά το μη στενωμένο PVC αγγείο, η παροχή εκτιμάται ογκομετρικά (για διάφορες τιμές παλμικότητας και τιμές κλάσματος εξόδου της αντλίας) αλλά και μέσω μαγνητικής τομογραφίας (σε ευθεία και κεκλιμένη θέση). Οι VFR τιμές έπειτα συγκρίνονται. Οι MR τιμές μέγιστης ταχύτητας εκτιμήθηκαν επίσης, και απεικονίζονται με προφίλ ταχύτητας. Η διαδικασία είναι παρόμοια για την στενωτικό γυάλινο αγγείο (για διάφορες τιμές παλμικότητας και τιμές κλάσματος εξόδου της αντλίας),σε διαστήματα του 1 εκατοστού, φθάνοντας 4 εκατοστά εκατέρωθεν της στένωσης. Στην σειρά εκτιμήσεων ακολουθεί το ποσοστό της στένωσης. Εκτιμάται τόσο από μαγνητική όσο και αξονική τομογραφία. Τέλος, η μεταβολή της πιέσεως και το κλάσμα σήματος προς θόρυβο, προκειμένου να αξιολογηθεί η απώλεια σήματος λόγω στένωσης. Αναφορικά με το μη στενωμένο αγγείο: Το πρώτο σημαντικό ζήτημα να αναφέρουμε, είναι οι μεγαλύτερες τιμές του συντελεστή συσχέτισης σε χαμηλά VFRs (Κ.Ε 10% και πίεση 2,5 b), σε 5% ΚΕ, τόσο για 60 όσο και 75 bpm,αλλά και οι μεγαλύτερες τιμές τυπικής απόκλισης στις μεγαλύτερες τιμές VFR (60%, 4.6b). Οι VFR τιμές είναι πράγματι μεγαλύτερες σε 75 bpm σε σύγκριση με εκείνες στις 60 bpm, όπως αναμενόταν. Οι τιμές, δεν δείχνουν σταθερή σχέση μεταξύ VFR και εξόδου της αντλίας (Κ.Ε). Υπάρχουν στατιστικά σημαντικές διαφορές στις τιμές VFR από την κεκλιμένη θέση, στις περιπτώσεις σύγκρισης με οριζόντια θέση. Σημαντικές στατιστικές διαφορές (στο 5% στατιστικής σημασίας), παρατηρούνται και μεταξύ ογκομετρικών και MRI μετρήσεων, αλλά και μεταξύ των SQflow και QFP ακολουθιών (60/20). Οι VFR τιμές δεν συσχετίζονται κατ 'ανάγκην με τις τιμές Vmax, αλλά με τις Vmean. Όσον αφορά τις τιμές Vmax που προέρχονται από τα MRI ROIs και LΟΙs V&Η: υπάρχουν στατιστικά σημαντικές διαφορές στις περιπτώσεις με 5,10% ΡΟ (Κ.Ε), για 60 και 75 bpm, με τιμές υψηλότερες για οριζόντια θέση του αγγείου. Στην περίπτωση στενωμένου αγγείου: Σύγκριση, των τιμών VFR στα 75, 120 bpm, δίνει υψηλότερη ροή στην έξοδο της στένωσης (49.3%, 80%). Στην περιοχή της στένωσης (± 1cm), VFR τιμές είναι σχεδόν σταθερές στην περίπτωση των 120 bpm (0,74%), ενώ η υψηλότερη μεταβολή σημειώνεται στα 75 bpm (133,9%). Η υψηλότερη τιμή εντός της στένωσης VFR σημειώνεται στα 120 bpm (2,06 ml / s). Καθώς αυξάνει η ροή, οι VFR μεταβολές σημειώνονται πιο μακριά (μετά) από τη στένωση. Τα ποσοστά συγκρίσης δείχνουν ότι οι μεγαλύτερες μεταβολές για 60,75, 120 bpm σημειώνονται στην περιοχή της στένωσης (± 1 cm), ενώ για τα 100bpm σε ± 3cm. Όσον αφορά τις τιμές Vmax όπως εξάγονται 4 εκατοστά μετά την στένωση, σε όλες τις περιπτώσεις παλμικότητας είναι υψηλότερες από τις αντίστοιχες 4 εκατοστά πριν από την στένωση. Αυτό μπορεί να υποδηλώνει την εμμονή του jet ροής στα 4 εκατοστά. Στο λαιμό της στένωσης οι τιμές όπως αναμένεται είναι μέγιστες, εφόσον παραμένει στρωτή ροή εντός της στένωσης. Η υψηλότερη τιμή Vmax μεταξύ όλων των εντός της στένωσης τιμών, εμφανίζεται σε 60 bpm. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα ροής της αντλίας, η μέγιστη τιμή εμφανίζεται αργότερα κατά μήκος της στένωσης. Μετά τη στένωση, οι μεταβολές αναμένεται να είναι υψηλότερες σε υψηλότερη παλμικότητα. Τα κάθετα Lois δίνουν υψηλότερες τιμές R2 συντελεστή διαφοροποίησης. Στην κατώτερη ροή (που αντιστοιχεί σε μικρή παλμικότητα 60,75 bpm όπως αναφέρθηκε παραπάνω), παραβολικά προφίλ παρουσιάζονται πριν και μετά την στένωση (2 εκατοστά, 1 εκατοστό πριν και 4 εκατοστά μετά). Σε υψηλότερη ροή, (100,120 bpm), τα παραβολικά προφίλ απεικονίζονται μετά τη στένωση (2-4cm) και στο λαιμό της στένωσης για 100bpm. Η σοβαρότητα της στένωσης υπολογίζεται ως ο ποσοστιαίος λόγος τών τιμών Vmax πριν ή μετά τη στένωση, προς την τιμή της Vmax εντός της στένωσης, αφαιρούμενο από τη μονάδα. Η έξοδος της αντλίας είναι ρυθμισμένη στο 10%, ενώ οι τιμές του ρυθμού ροής κυμαίνοται από 60 έως 120 bpm. Υπολογισμοί των Vmax τιμών γίνονται μέσω ελλειπτικών και γραμμικών περιοχών ενδιαφέροντος. Μετρήσεις παρουσιάζονται επίσης από την αξονική τομογραφία (gold standard) προς σύγκριση. Δεδομένου ότι οι τιμές ταχύτητας μετά τη στένωση είναι λιγότερο αξιόπιστες (λόγω στροβιλισμών), οι Xpre υπολογισμένες τιμές μπορεί να θεωρηθούν αντίστοιχα περισσότερο αξιόπιστες. Καλύτερη συμφωνία (για τις εκτιμήσεις στένωσης) συγκριτικά με τα ROIs αποκτώνται: σε χαμηλή ροή από LOIsV, ενώ σε υψηλότερες ροή από LOIsH. Συνολικά, οι τιμές που προέρχονται από 60 bpm συνεπάγονται μια στένωση του 46% (LOIsH), 98% (LOIsV) και 93% (ROIs), ενώ οι αξονικής τομογραφίας εκτιμήσεις δίνουν 90,2% μέσω στένωσης διαμέτρου και 99% μέσω στένωσης εμβαδού. Η τελευταία, είναι ακριβώς η τιμή που προκύπτει από τη σχέση που περιγράφεται στην μελέτη των Ota et al (2005): Α = D * [2 -(D/100)], όπου D = 0.902 ως εκτιμώμενη μέσω διαμέτρου στένωση. Οι ΔΡ τιμές στα 60 και 100bpm, υπερβαίνουν τις αντίστοιχες σε 75, 120 bpm. Vmax τιμές, υψηλότερες τιμές εντός της στένωσης, παρατηρήθηκαν σε αυτές τις παλμικότητες, δείχνοντας μεγαλύτερη απώλεια ενέργειας πίεσης και μετατροπή αυτής σε κινητική. Οι διακυμάνσεις της πίεσης, σε χαμηλότερες παλμικότητες, ΔΡ είναι πράγματι υψηλότερες. Για τον υπολογισμό των τιμών ΔΡ, η τιμή 4 χρησιμοποιείται για Κ παράγοντα και σαν Vmax τιμές θεωρούνται σε m / s οι τιμές στο λαιμό της στένωσης. Με την ίδια λογική όπως και πριν, υποθέτουμε ότι η τιμή του 15.92mmHg βρέθηκαν σε 60bpm από ROIs είναι η πιο αξιόπιστη. Ένας δεύτερος υπολογισμός του ΔΡ μέσω του Κ = 4,9 οδηγούν σε υψηλότερες τιμές του 5,1%. Ο λόγος σήματος προς θόρυβο υπολογίστηκε ως δείκτης της απώλειας σήματος όταν ρευστό ρέει κατά μήκος της στένωσης,. Ορθογώνια ROIs έχουν σχεδιαστεί πριν και μετά τη στένωση, έτσι SNR τιμές: πριν της στένωσης είναι υψηλότερα σε αντίθεση με όλες τις αντίστοιχες τιμές μετά. Οι υπολογισμοί οδηγούν σε τιμές: 54,15% (60bpm), 71,08% (75bpm), 68,7% (100bpm) και 72,63% για 120 bpm. Η μεγαλύτερη απώλεια εμφανίζεται στα 120 bpm,όπως αναμένεται και σε φθίνουσα σειρά σε 75, 100 και 60 bpm. Υπάρχουν ορισμένοι παράγοντες που περιορίζουν όταν πρόκειται να συγκριθεί η μελέτη με κλινικές μετρήσεις ροής, πολλοί από τους οποίους είναι συνδεδεμένοι με τις ιδιότητες της χρησιμοποιούμενης διάταξης (αντλία και ομοίωμα). Σε πολύ χαμηλά κλάσματα εξώθησης της αντλίας, υπήρχε μεταβλητοτητα των αποτελεσμάτων (κακή επαναληψιμότητα) σε μετρήσεις όταν επαναλήφθηκαν αρκετές φορές. Από την άλλη πλευρά σε υψηλό Κ.Ε η πίεση έφθανε στη μέγιστη κλίμακα (μανόμετρου) και, επομένως, αποφεύχθηκε. Οι τιμές Κ.Ε των 5, 10, 20% είναι αρκετά μικρότερες από εκείνες που συνήθως βρίσκονται σε κλινικό περιβάλλον. Έτσι, μια άμεση σύγκριση με in vivo τιμές θα είναι άτοπη. Το αγγείο ομοίωμα διαφέρει από ένα αιμοφόρο αγγείο, αφού το τοίχωμά του είναι άκαμπτο, με υλικό από PVC ή γυαλί, και το ρευστό που μιμείται το αίμα BMF έχει διαφορετικούς χρόνους χαλάρωσης. Επιπλέον, το μέγεθος του χρησιμοποιούμενου ομοιώματος είναι πολύ μικρότερο από εκείνο ενός πραγματικού ασθενή, και μπορεί να οδηγήσει σε μια σημαντική απόκλιση από τις παραλλαγές επιδεκτικότητας σε σαρωμένα υλικά. Συμπερασματικά, μελλοντικά πιο ολοκληρωμένες μελέτες, πρέπει να περιλαμβάνουν μέτρηση ταχύτερης ροής, υψηλότερων Κ.Ε, υψηλότερης έντασης μαγνητικό πεδίο 3Τ, διαφορετικές ακολουθίες και διαδικασίες (στενώσεις, επικλινείς θέσεις, BMFs, αγγεία από διαφορετικά υλικά, ώστε να μιμούνται καλύτερα τις in νίνο συνθήκες και να μειώνουν την επιρροή του φαινομένου μερικού όγκου), ίσως επίσης σύγκριση μεταξύ των διαφόρων τεχνικών, όπως υπερηχογράφημα, αξονική τομογραφία CT. Η διαταραχή στη ροή είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση και την ερμηνεία της ροής σε μια στένωση. Ως εκ τούτου, η πληρέστερη κατανόηση της αλληλεξάρτησης μεταξύ πίεσης, ροής, και των συμπτώματων των καρδιαγγειακών στενώσεων, παραμένει ένα κρίσιμο κλινικό θέμα. Οι νέες εφαρμογές για την αποκατάσταση στένωσης των αρτηριών είναι σε στάδιο συνεχούς ανάπτυξης. Η ρευστομηχανική θα εξακολουθήσει λοιπόν να παίζει σημαντικό ρόλο στη μελλοντική διάγνωση, την κατανόηση, και τη θεραπεία των καρδιαγγειακών παθήσεων.

Το θέμα της παρούσης εργασίας είναι η μελέτη της μη μόνιμης αιματικής ροής στις στεφανιαίες αρτηρίες της καρδιάς σε φυσιολογική κατάσταση, με στένωση καθώς και με αποκατάσταση της ροής με αναστομωτικό κλάδο. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται συμπεράσματα από τη διεθνή βιβλιογραφία γύρω από τους παράγοντες που μπορεί να οδηγήσουν στην ανάπτυξη στενώσεων, καθώς και κατευθυντήριες γραμμές για την διαμόρφωση των γεωμετρικών μοντέλων Στο πρώτο κομμάτι γίνεται μία αναφορά στις κυριότερες καρδιαγγειακές παθήσεις, που αποτελούν και την υπ αριθμόν ένα αιτία θανάτου παγκοσμίως. Γίνεται αναφορά στους επεμβατικούς τρόπους αντιμετώπισης της στεφανιαίας νόσου με έμφαση στην αορτοστεφανιαία παράκαμψη (bypass). Ακολουθεί μία σύντομη επισκόπηση της βιβλιογραφίας και εξαγωγή των βασικών συμπερασμάτων που θα αποτελέσουν την βάση για την κριτική των αποτελεσμάτων. Εν συνεχεία επεξηγείται αναλυτικά ο τρόπος με τον οποίο παράγονται τα γεωμετρικά μοντέλα, καθώς και οι περιπτώσεις που αναλύθηκαν. Ακολουθεί ο τρόπος κατασκευής του υπολογιστικού πλέγματος, πάνω στο οποίο επιλύονται οι εξισώσεις Navier- Stokes για ασυμπίεστο ρευστό. Τέλος με βάση τα αποτελέσματα από την εκτέλεση του κώδικα για όλες τις περιπτώσεις γίνεται μία προσπάθεια για εξαγωγή συμπερασμάτων. Εξάγονται με βάση την μελέτη των μοντέλων κάποιες ενδεικτικές κατευθυντήριες γραμμές ως προς το ποιες γεωμετρίες και τρόποι αναστόμωσης τείνουν να ευνοήσουν περισσότερο την ανάπτυξη της αθηρωματικής πλάκας αλλά και ποιες αποκαθιστούν την ροή του αίματος. / The subject of the following thesis is the study of the unsteady blood flow in the coronary arteries of the heart in normal conditions, during stenotic conditions and after restoration of the flow with an anastomotic branch. For this purpose, we use the conclusions from the international literature on the factors that can lead to the further development of stenoses, as well as guidelines on the formation of the geometrical models. In the first part we reference the most significant pathologic conditions of the heart which are the number one leading cause of death world widely. We also mention the invasive techniques with which doctors treat the coronary heart disease, emphasizing on the aorto-coronary bypass technique. Furthermore there is a review on the literature on the subject and extraction of the main conclusions we are going to use in the evaluation of the computational results We continue explaining in detail the way that the geometrical models where produced, as well as the cases which were analyzed. There is also an explanation of the way we constructed the computational grids on which we solve the incompressible Navier – Stokes equations. Finally, based on the computational results we obtain by executing the program for all the different cases we extract the basic conclusions. Based on the study of the models we try to give some basic guidelines regarding which geometries and anastomotic techniques tend to favor the further development of the atherosclerotic plaques , but also which ones restore the blood flow to the normal levels

Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται μια πλήρως αυτοματοποιημένη μεθοδολογία κατάτμησης για την ανίχνευση των ορίων του αρτηριακού τοιχώματος σε διαμήκεις εικόνες καρωτίδας β-σάρωσης. Συγκεκριμένα υλοποιείται ένας συνδυασμός της μεθοδολογίας του μετασχηματισμού Hough για την ανίχνευση ευθειών με μια μεθοδολογία ενεργών καμπυλών. Η μεθοδολογία του μετασχηματισμού Hough χρησιμοποιείται για τον ορισμό της αρχικής καμπύλης, η οποία στη συνέχεια παραμορφώνεται σύμφωνα με ένα μοντέλο ενεργών καμπυλών βασισμένων σε πεδίο ροής του διανύσματος κλίσης (Gradient Vector Flow - GVF). Το GVF μοντέλο ενεργών καμπυλών βασίζεται στον υπολογισμό του χάρτη ακμών της εικόνας και τον μετέπειτα υπολογισμό του διανυσματικού πεδίου ροής κλίσης, το οποίο με τη σειρά του προκαλεί την παραμόρφωση της αρχικής καμπύλης με σκοπό την εκτίμηση των πραγματικών ορίων του αρτηριακού τοιχώματος. Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε είκοσι (20) εικόνες υγιών περιπτώσεων και δεκαοχτώ (18) εικόνες περιπτώσεων με αθηρωμάτωση για τον υπολογισμό της διαμέτρου του αυλού και την αξιολόγηση της μεθόδου από ποσοτικούς δείκτες ανάλυσης κατά ROC (Receiver Operating Characteristic – ROC). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, δεν παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές ανάμεσα στις μετρήσεις της διαμέτρου που πραγματοποιήθηκαν από τη διαδικασία της αυτόματης ανίχνευσης και τις αντίστοιχες μετρήσεις που προέκυψαν από την χειροκίνητη ανίχνευση. Οι τιμές της ευαισθησίας, της ειδικότητας και της ακρίβειας στις υγιείς περιπτώσεις ήταν αντίστοιχα 0.97, 0.99 και 0.98 για τις διαστολικές και τις συστολικές εικόνες. Στις παθολογικές περιπτώσεις οι αντίστοιχες τιμές ήταν μεγαλύτερες από 0.89, 0.96 και 0.93. Συμπερασματικά, η προτεινόμενη μεθοδολογία αποτελεί μια ακριβή και αξιόπιστη μέθοδο κατάτμησης εικόνων καρωτίδας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην κλινική πράξη. / In this thesis, a fully automatic segmentation method based on a combination of a combination of the Hough Transform for the detection of straight lines with active contours is presented, for detecting the carotid artery wall in longitudinal B-mode ultrasound images. A Hough-transform-based methodology is used for the definition of the initial snake, followed by a gradient vector flow (GVF) snake deformation. The GVF snake is based on the calculation of the image edge map and the calculation of the gradient vector flow field which guides its deformation for the estimation of the real arterial wall boundaries. The proposed methodology was applied in twenty and eighteen cases of healthy and atherosclerotic carotid respectively, in order to calculate the lumen diameter and evaluate the method by means of ROC analysis (Receiver Operating Characteristic – ROC). According to the results, there was no significant difference between the automated segmentation and the manual diameter measurements. In healthy cases the sensitivity, specificity and accuracy were 0.97, 0.99 and 0.98, respectively, for both diastolic and systolic phase. In atherosclerotic cases the calculated values of the indices were larger than 0.89, 0.96 and 0.93, respectively. In conclusion, the proposed methodology provides an accurate and reliable way to segment ultrasound images of the carotid wall and can be used in clinical practice.