Preliminary CFD study of particle transport in the human carotid artery

Computational Fluid Dynamics (CFD) has emerged as an increasingly used method in the clinical field, particularly to improve hemodynamic studies and obtain important indicators for the diagnosis of cardiovascular diseases. The objective of this thesis is to make preliminary steps towards the development of a CFD set up for simulating the transport of different types of particles, mimicking atherosclerotic plaques and thrombosis clots, in the carotid bifurcation. To achieve this goal, a step-by-step approach is adopted, focusing on scenarios of increasing complexity to properly face the different modeling challenges one at a time. Initially, the stationary and oscillatory single-phase flow in a rigid pipe is studied, for analytical solutions are provided by Poiseuille and Womersley. These not only allowed verifying the CFD set up, but also gathering information on a reasonable velocity distribution to be imposed at the entrance of the subsequent carotid artery simulations. Afterwards, the transport of particles of different sizes and shapes conveyed by an oscillatory fluid flow in a straight pipe is addressed, with the aim of defining the appropriate configuration of the particle equation of motion. Finally, a realistic carotid artery geometry is simulated. Specifically, the single-phase flow is modelled first, with the goal of identifying the appropriate outlet conditions among different types of Windkessel models. Then, particle are tracked to gather preliminary information on the redistribution of the particles among the External Carotid Artery and the Internal Carotid Artery depending on their size and shape.

La fluidodinamica computazionale (CFD) si è affermata come metodo sempre più utilizzato in campo clinico, in particolare per migliorare gli studi emodinamici e ottenere indicatori importanti per la diagnosi di malattie cardiovascolari. L'obiettivo di questa tesi è quello di compiere i primi passi verso lo sviluppo di un set up CFD per simulare il trasporto di diversi tipi di particelle, che mimano placche aterosclerotiche e coaguli trombotici, nella biforcazione carotidea. Per raggiungere questo obiettivo, è stato adottato un approccio graduale, concentrandosi su scenari di complessità crescente per affrontare adeguatamente le diverse sfide di modellazione una alla volta. Inizialmente, è stato studiato il flusso monofase stazionario e oscillatorio in un tubo rigido, perché le soluzioni analitiche sono state fornite da Poiseuille e Womersley. Queste non solo hanno permesso di verificare il set up CFD, ma anche di raccogliere informazioni su una distribuzione di velocità ragionevole da imporre all'ingresso delle successive simulazioni dell'arteria carotide. Successivamente, è stato affrontato il trasporto di particelle di diverse dimensioni e forme trasportate da un flusso fluido oscillatorio in un tubo rettilineo, con l'obiettivo di definire la configurazione appropriata dell'equazione del moto delle particelle. Infine, è stata simulata una geometria realistica dell'arteria carotide. Nello specifico, è stato inizialmente modellato il flusso monofase, con l'obiettivo di identificare le condizioni di uscita appropriate tra diversi tipi di modelli Windkessel. Successivamente, le particelle sono state tracciate per raccogliere informazioni preliminari sulla ridistribuzione delle particelle tra l'arteria carotide esterna e l'arteria carotide interna, in base alle loro dimensioni e forma.