Main effects of lower limb movements on femoropopliteal artery hemodynamics : an idealized computational model

Peripheral Arterial Disease (PAD) affects 15%-20% of people older than 70 years of age and it is accompanied by high morbidity, mortality and impairment in quality of life. PAD is one of the most expensive vascular disease to treat, due to the high rate of interventions that fail. Although the causes of such a high failure rate are not completely understood, it has been hypothesized that FPA deformations during limb movement may play a significant role. Moreover, severe FPA deformations induced by leg movement can contribute to generate atherogenic flow patterns, characterized by low and oscillating WSS. Therefore, it is important to understand the effects of dynamic leg movement on FPA hemodynamics and how it can influence the atherosclerotic process. Currently, no inherent studies are present in literature. This work of thesis fits in this context, with the aim to start to evaluate these effects on the vessel hemodynamics through the construction of an idealized model. The artery model consists in a cylindrical vessel with constant diameter, that was periodically bent in time, simulating an in-plane 90° knee flexion. To reproduce the bending movement, a one-way coupling FSI model was setup, with the purpose of transmitting the displacement imposed on the structural mesh to the fluid domain. Two sets of simulations were considered: the first one in which the flexion angle was maintained constant at different knee flexion angles and the second one in which curvature was varied sinusoidally in time. Results showed that disturbances in the flow-field and increase of WSS can be found by considering a dynamic case with respect to a static case. Moreover, variations in the flow-rate seem to have more impact on local hemodynamics with respect to the bending frequency variations. However, the simplifications adopted to construct the model limit the applications of these findings to real situations. The construction of a more complex geometry is therefore required to obtain more realistic results. Other limitations regard the reproduced movement, that considers here only an in-plane knee flexion. The introduction of the hip flexion together with knee flexion would permit to simulate the complete movements of the gait cycle. Moreover, the development of a two-way FSI model, where the influence between the fluid and the structure is mutual, would allow taking into account not only the bending of the vessel but all the other deformations to which the FPA is subjected during leg movement and that could further influence the hemodynamics.

L’arteriopatia periferica (PAD, dall’inglese peripheral arterial disease) affligge il 15%-20% di persone sopra i 70 anni ed è associata ad elevata mortalità e diminuzione della qualità della vita. La PAD è una delle patologie vascolari più costose da trattare, a causa dell’elevato tasso di interventi che fallisce. Sebbene le cause di un così alto tasso di fallimento non siano completamente conosciute, è stato ipotizzato che le deformazioni della FPA durante il movimento della gamba possano giocare un ruolo significativo. Inoltre, le elevate deformazioni della FPA indotte dal movimento della gamba possono contribuire alla generazione di flussi aterogenici, caratterizzati da sforzi di taglio (WSS, dall’inglese wall shear stress) bassi ed oscillatori. Perciò è di particolare importanza comprendere gli effetti del movimento dinamico della gamba sull’emodinamica della FPA e come questo possa influenzare il processo aterosclerotico. Attualmente nessuno studio a riguardo è presente in letteratura. Questo lavoro di tesi si inserisce in questo contesto, allo scopo di iniziare a valutare gli effetti sull’emodinamica del vaso attraverso la costruzione di un modello idealizzato. Il modello dell’arteria consiste in un cilindro con un diametro costante periodicamente piegato nel tempo a simulare una flessione del ginocchio nel piano di 90°. Per riprodurre il movimento di flessione è stato impostato un modello di interazione fluido-struttura (FSI, dall’inglese fluid structure interaction) ad una via, allo scopo di trasmettere il movimento imposto sulla mesh strutturale al dominio fluido. Sono state considerate due tipologie di simulazioni: la prima, nel quale l’angolo di flessione è stato mantenuto costante a differenti angoli di flessione del ginocchio e la seconda nel quale la curvatura è stata variata sinusoidalmente nel tempo. I risultati hanno mostrato che disturbi nel campo di velocità ed un aumento del WSS possono essere riscontrati considerando un caso dinamico rispetto ad uno statico. Inoltre, variazioni della portata in ingresso sembrano avere maggiore impatto sull’emodinamica locale rispetto alle variazioni di frequenza di flessione. Tuttavia, le semplificazioni adottate per costruire il modello limitano l’applicazione di queste scoperte a situazioni reali. È dunque necessario costruire una geometria più complessa per ottenere risultati più realistici. Altre limitazioni riguardano il movimento riprodotto che in questo lavoro considera solamente una flessione del ginocchio nel piano. L’introduzione della flessione dell’anca, insieme a quella del ginocchio, permetterebbe di simulare i movimenti completi del cammino. Inoltre, lo sviluppo di un modello FSI a due vie, in cui l’influenza tra fluido e struttura è mutua, permetterebbe di prendere in considerazione non solo il movimento di flessione del vaso ma anche tutte le altre deformazioni a cui l’FPA è soggetta durante il movimento della gamba e che possono influenzare ulteriormente l’emodinamica.