The impact of the lower limb movement on the femoropopliteal artery hemodynamics : a computational study

The aim of this M.Sc. thesis work is to evaluate the impact that the lower limb movement has on the hemodynamics of the femoropopliteal artery (FPA) through the use of a computational model. This study is carried out in collaboration with the LaBS (Laboratory of Biological Structure Mechanics) group of Department of Chemistry, Material and Chemical Engineering “Giulio Natta” of Politecnico di Milano, to continue the work of A. Airoldi “Main Effects of the Lower Limb Movements on Femoropopliteal Artery Hemodynamics: An Idealized Computational Model”. It has been demonstrated that Wall Shear Stresses (WSSs) play an important role in determining the insurgence of atherosclerotic plaques in the vessels. To date, only a few studies focused on this topic and no one took into account the dynamicity of a realistic movement, considering only the static changes that occur when the leg assumes a flexed position or evaluating simplified bending scenarios. Hence, the target is to study the influence that a common activity, such as walking, exerts on blood flow, with the ultimate purpose of highlight the differences encountered considering a dynamic movement with respect to a static position. A one-way coupling Fluid-Structure Interaction (FSI) computational analysis was employed to perform the simulations. In this work, three movements have been analysed: hip flexion, knee flexion and the walking movement. Initially, the simplest hip and knee flexions are compared with the more realistic and complex walking movement. Subsequently, the influence of each parameter is assessed in comparison with the walking movement considered as a reference case. The results were analysed in terms of velocity field and hemodynamic indexes (i.e. Time Averaged Wall Shear Stress TAWSS, Oscillatory Shear Index OSI, and Relative Residence Time RRT), confirming the hypothesis that movement has a great impact on the local hemodynamics.

Lo scopo di questa M.Sc. tesi è quello di valutare l’impatto che il movimento dell’arto inferiore ha sull’emodinamica dell’arteria femoropoplitea (FPA dall’inglese Femoropopliteal Artery). Questo studio è condotto in collaborazione con il Gruppo LaBS (Laboratory of Biological Structure Mechanics) del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio “Natta” del Politecnico di Milano, per proseguire il lavoro di A. Airoldi “Main Effects of the Lower Limb Movements on Femoropopliteal Artery Hemodynamics: An Idealized Computational Model”. È stato dimostrato che i WSS (dall’inglese Wall Shear Stress) giocano un ruolo importante nel determinare l’insorgenza di placche aterosclerotiche all’interno dei vasi sanguigni. Ad oggi solo pochi studi si sono concentrati su questo argomento e nessuno ha preso in considerazione la dinamicità di un movimento realistico, considerando solo i cambiamneti statici che si verificano quando la gamba assume una posizione flessa o valutando scenari di flessione semplificati. Quindi, l’obiettivo è quello di studiare l’influenza che un’attività comune, come camminare, esercita sul flusso sanguigno, con lo scopo ultimo di evidenziare le differenze riscontrate considerando un movimento dinamico rispetto a una posizione statica. Un’analisi computazionale FSI (dall’inglese Fluid-Structure Interaction) di accoppiamento unidirezionale è stata impiegata er eseguire le simulazioni. In questo lavoro sono stati analizzati tre movimenti: la flessione dell’anca, la flessione del ginocchio e il cammino. Inizialmente le più semplici flessioni di anca e ginocchio vengono confrontate con il più realistico e complesso movimento del cammino. Successivamente l’influenza di ciascun parametro viene valutata rispetto al movimento del cammino considerato come caso di riferimento. I risultati sono stati valutati in termini di campi di velocità e indici emodinamici (cioè TAWSS dall’inglese Time Averaged Wall Shear Stress, OSI dall’inglese Oscillatory Shear Index e RRT dall’inglese Relative Residence Time), confermando l’ipotesi che il movimneto abbia un grande impatto sull’emodinamica locale.