A computational fluid structure interaction study in internal jugular veins subjected to gravity

The internal jugular vein (IJV) is a paired vessel which originates in the sigmoid sinus and travels down in the neck joining the superior vena cava. Its function is to carry oxygen-depleted blood from the brain to the heart. In the supine position (absence of gravity) the IJV represents the primary cerebral venous outflow pathway but moving to the orthostatic position (full presence of gravity) it undergoes to partial collapse. Recent years have seen an increasing interest in the physiology of cerebral venous return, (acted by IJV), due to the possible link between extracranial venous anomalies and neurological conditions. In this context, the aim of this thesis is to provide a quantitative analysis of the collapse phenomenon in two IJVs subjected to gravity through 3D fluid structure interaction (FSI) simulations. FSI simulations based on the Finite Elements Method were performed with patient-specific geometries and boundary conditions. Three different postures were analyzed: the supine, the orthostatic, and the standing up (an intermediate step where the subject moves from supine to orthostatic with constant angular velocity). Quantitative changes in pressure patterns, velocity streamlines, wall displacements and WSS were analyzed. Both IJVs undergo to collapse in the orthostatic position with peaks of pressure of -11/-5 mmHg and a reduction of 3%-5% of the rest area. Although both IJVs undergo to collapse some differences can be noticed. A possible reason of these different behaviors can be found in the different geometrical features that characterize the two vessels.

Le vene giugulari interne sono vene che originano a livello del seno sigmoidale, percorrono il collo e si congiungono con la vena cava superiore.La principale funzione della vena giugulare interna è quella di trasportare sangue povero di ossigeno dai tessuti cerebrali al cuore. Nella posizione supina (assenza di gravità), la vena giugulare interna rappresenta la principale via di drenaggio del sangue cerebrale ma muovendosi nella posizione ortostatica (totale presenza di gravità) è soggetta a un parziale collasso. Negli ultimi anni si è assistito a un crescente interesse nella fisiologia del ritorno venoso cerebrale (attutato dalle giugulari) per possibili relazioni tra anomalie venose extracraniali e condizioni patologiche neurologiche. In un tale contesto, l’obiettivo di questa tesi è quello di fornire un’analisi quantitativa del collasso della vena giugulare interna soggetta all’azione della gravità attraverso simulazioni fluido-struttura 3D. Le simulazioni basate sul metodo degli Elementi Finiti sono state eseguite su geometrie reali utilizzando opportune condizioni al bordo. Tre diverse posture sono state simulate: la supina, l’ortostatica e la standing up (una posizione intermedia dove il soggetto si muove da supino a ortostatico con velocità angolare costante). Cambiamenti di pressione, di velocità, di spostamento della parete e di WSS sono stati studiati. Nella posizione ortostatica entrambe le giugulari collassano con picchi di pressione pari a -11/-5 mmHg e riduzioni del 3%-5% dell’area. Sebbene entrambe le vene collassino nella posizione ortostatica, alcune differenze possono essere notate. Una possibile spiegazione a questo comportamento può essere trovato nelle diverse caratteristiche geometriche che caratterizzano i due vasi.