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Previous issue date: 2017-03-06 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coronary heart disease is one of the leading causes of death worldwide. Although several risk factors are well known; many lesions cannot be explained by these factors alone.
The hypothesis of arteries developing lesions due to its morphology, known as geometric risk factors and/or due to hemodynamic forces, has been raised more than thirty years ago. Although investigators have found connection between geometric/hemodynamic variables and lesions, there exists no quantifiable index that helps physicians to predict actual risks.
Even when a severe lesion is present, recent studies have found that some patients can develop collateral circulation to provide sufficient blood flow to the myocardium, thus avoiding ischemia. In turn, the gold standard for functional stenosis assessment is an invasive medical exam called Fractional Flow Reserve (FFR). Moreover, these studies are expensive, require highly qualify professionals and involve risks to the patient during intervention.
In this context, the goals of the proposed thesis are (i) to fully characterize coronary arterial trees from a geometrical perspective, search for hereditary geometric features and correlations between morphology and disease; (ii) to construct a modeling methodology for the estimation of FFR making use of computational fluid dynamic models built on top of patient-specific medical images of coronary arterial networks.
Results for goal (i) include the geometric characterization of a patient sample consisting of siblings. Several studies involving standard and non-traditional geometry-based indexes, in which associations between geometry and lesion presence was found, as well as indications of arterial geometry heritability between siblings. Regarding hemodynamic simulations in the context of FFR, i.e. goal (ii), a novel technique to define patient-specific boundary conditions in 3D models was presented and tested; the impact of image modality, i.e. coronary computed tomography (CCTA) and intravascular ultrasound (IVUS), on hemodynamics variables was assessed for the first time, which helps to better assess the results obtained from the combination of numerical simulations and medical images. A comparison of 3D and 1D CFD simulations for coronary blood flow based purely on FFR is presented. Several computational settings are compared to invasive measurements with results comparable to the state of the art. / A doença coronáriana é uma das principais causas de morte em todo o mundo. Embora vários fatores de risco sejam bem conhecidos; muitas lesões não podem ser explicadas apenas por esses fatores.
A hipótese das artérias desenvolverem lesões devido à sua morfologia, conhecida como fatores de risco geométricos e/ou devido a forças hemodinâmicas, foi levantada há mais de trinta anos. Embora tenha sido encontrada uma conexão entre variáveis geométricas/hemodinâmicas e lesões, não existe um índice quantificável que ajude os médicos a prever os riscos reais.
Mesmo quando uma lesão grave está presente, estudos recentes descobriram que alguns pacientes podem desenvolver circulação colateral para fornecer fluxo sanguíneo suficiente para o miocárdio, evitando assim a isquemia. Por sua vez, o padrão ouro para avaliar a funcionalidade de uma lesão é o exame médico invasivo chamado Reserva de Fluxo Fracionada (FFR por suas siglas em inglês). Além disso, esses estudos são caros, exigem profissionais altamente qualificados e envolvem riscos para o paciente durante a intervenção.
Nesse contexto, os objetivos desta tese são (i) caracterizar completamente as artérias coronárias de uma perspectiva geométrica, buscar características geométricas hereditárias e correlações entre morfologia e doença; (ii) construir uma metodologia de modelagem para a estimativa do FFR, utilizando modelos da dinâmica dos fluidos computacional (CFD por suas siglas em inglês) construídos a partir de imagens médicas de artérias coronárias de pacientes específicos.
Resultados para meta (i) incluem a caracterização geométrica de uma amostra de pacientes constituída por pares de irmãos. Vários estudos são realizados envolvendo índices padronizados e não tradicionais baseados na geometria, nos quais foram encontradas associações entre geometria e presença de lesão, bem como indicações de herdabilidade de geometria arterial entre irmãos. Em relação às simulações hemodinâmicas no contexto de FFR, isto é, meta (ii), é apresentada e testada uma nova técnica para definir condições de contorno específicas para cada paciente em modelos 3D; ainda, foi avaliado pela primeira vez o impacto da modalidade de imagem, em particular, tomografia computadorizada coronária (CCTA) e ultrassom intravascular (IVUS), sobre variáveis hemodinâmicas, o que ajuda a avaliar melhor os resultados obtidos pela combinação de simulações numéricas e imagens médicas. Também é apresentada uma comparação de simulações de CFD empregando modelos 3D e 1D do fluxo sanguíneo coronário focado puramente na estimação do FFR. Vários cenários são comparados com medidas invasivas com resultados similares aos encontrados no estado de arte da técnica.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:tede-server.lncc.br:tede/262 |
| Date | 06 March 2017 |
| Creators | Bulant, Carlos Alberto |
| Contributors | Javier Blanco, Pablo, Feijóo, Raul Antonino, Javier Blanco, Pablo, Loula, Abimael Fernando Dourado, Giraldi, Gilson Antônio, Lemos Neto, Pedro Alves, Santos, Rodrigo Weber dos |
| Publisher | Laboratório Nacional de Computação Científica, Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional, LNCC, Brasil, Serviço de Análise e Apoio a Formação de Recursos Humanos |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do LNCC, instname:Laboratório Nacional de Computação Científica, instacron:LNCC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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