Finite Element Analysis-Based Approach for Prediction of Aneurysm-Prone Arterial Segments

Abstract

Arterial aneurysms represent a significant cause of morbidity and mortality worldwide; therefore, there is a growing need for the rapid and precise tool or method enabling to predict aneurysm emergence. The objective of this study was to develop a computer-aided method for aneurism prediction. Here we utilized a computer-based approach to establish a non-invasive, high-resolution and rapid method for the prediction of aneurysm-prone arterial segments based on combining microcomputed tomography (microCT) scanning with finite element analysis (FEA). We performed a microCT image binarization and designed a computing algorithm for FEA mesh construction, followed by application of gradient mapping and stress modeling to identify thin-walled high-stress areas responsible for the development of aneurysms. The fidelity of our computing algorithm for FEA mesh construction was similar to the commercially available software. The maximum possible error of our approach did not exceed that of either microCT or clinically available multislice computed tomography angiography scanning. Our computational approach revealed thin-walled arterial segments under a high stress, therefore potentially predicting aneurysm-prone sites. Here we demonstrate our approach for the prediction of arterial segments under a high risk of aneurysm occurrence, which should be further validated in pre-clinical models to be translated into the clinical practice.

Numerical model of aneurysm formation in vascular grafts

“…Исследование механических свойств сосудистых протезов подтверждает высокую вариативность кривых «сила растяжения -деформация», обусловленную природой протеза, -биологические материалы обладают ожидаемо большей неоднородностью геометрических и структурных характеристик [17], которые в итоге проявляются в различиях механического отклика. Однако область малых деформаций, анализ которой и стал основой для выбора модели материала при расчетах, продемонстрировала условную однородность, благодаря чему удалось определить начальное значение модуля упругости, равное 1 МПа.…”

Enhancing decellularized vascular scaffolds with PVDF and PCL reinforcement: a fused deposition modeling approach

“…The mechanical properties of both polymeric and biological components exhibit two tendencies: (1) low variability in polymer subgroups and, conversely, high variability in the biological subgroup, and (2) statistically significant differences for the transverse direction when comparing reinforced scaffolds pairwise with the Control. The substantial variability in the mechanical characteristics of Control samples is due to their nature—biological tissue is expectedly more heterogeneous in geometric and material properties ( 32 ), which ultimately manifest in differences in biomechanics. Polymeric materials, by contrast, exhibit greater structural homogeneity and reproducibility during manufacturing, especially when formed via FDM extrusion.…”

Haemodynamics of femoropopliteal bypass surgery using finite element analysis method

“…АБИ представља неинвазивну дијагностичку процедуру на основу које можемо одредити степен тежине ПАОБ (3). МСКА ДЕ је најзначајнија дијагностичкa методa за морфолошки приказ ПАОБ, као и за тродимензионалну компјутерску реконструкцију помоћу анализе коначних елемената (АКЕ) (4)(5)(6). Оклузија феморо-поплитеалног графта током петогодишњег постоперативног праћења износи 50-90%, при чему код 20% оперисаних постоји ризик од натколене ампутације (7).…”

“…Компјутеризована метода помоћу које крвни суд делимо на мање делове који се називају коначни елементи и од којих настаје тетраедарски артеријски модел кроз који можемо симулирати проток и мерити одређене физичке величине назива се анализа коначних елемената (АКЕ) (4,9). У овој студији мерићемо: притисак (П), брзину протока (БП), смичући напон зида (СНЗ) (Wall shear stress), и пратити струјнице (С) (streamlines).…”