Parametric experimental study of flows in aneurysms using patient-based phantoms fabricated by additive manufacturing

Intracranial aneurysms are pathological dilatations of cerebral arteries associated with potentially fatal rupture events. Although several studies highlighted the importance of hemodynamic factors and aneurysmal geometry in aneurysm formation and rupture, the mechanism is not fully understood. This work investigates the hemodynamic behavior within patient-specific intracranial aneurysm phantoms. Steady and pulsatile flow regimes are investigated, considering both resting and exercise conditions specific for the Internal Carotid Artery (ICA). The experimental analysis is performed using Particle Tracking Velocimetry (PTV), allowing the reconstruction of velocity fields and Wall Shear Stress (WSS) distributions. Relevant fluid dynamic parameters, including Reynolds and Womersley numbers, are also evaluated. The results show that, for each case, the overall flow topology remains generally consistent across the investigated conditions, while significant variations in velocity magnitude, vortex dynamics and WSS distribution occur due to changes in flow regime and flow rate. Exercise conditions and pulsatile flow lead to increased velocity magnitudes, particularly in the outer regions of the primary vortex, resulting in changes in WSS that depend on the flow organization. Temporal analysis reveals the migration of vortex structures throughout the cardiac cycle, highlighting the influence of Reynolds and Womersley numbers on vortex dynamics. Furthermore, aneurysm geometry, especially aneurysm size and Aspect Ratio (AR), is found to strongly affect vortex stability and aneurysmal flow behavior. The developed methodology is a robust tool for the in vitro investigation of aneurysmal hemodynamics and may support future studies focused on more physiological conditions, advanced hemodynamic metrics, and three-dimensional flow reconstruction.

Gli aneurismi intracranici sono dilatazioni patologiche delle arterie cerebrali associate a eventi di rottura potenzialmente fatali. Nonostante numerosi studi abbiano evidenziato l’importanza dei fattori emodinamici e della geometria aneurismatica nella loro formazione e rottura, i meccanismi alla base non sono ancora completamente compresi. Questo lavoro investiga il comportamento emodinamico in modelli fisici di aneurismi dell’Arteria Carotide Interna paziente-specifici. Sono stati analizzati regimi di flusso stazionario e pulsatile in condizioni di riposo ed esercizio fisico. L’analisi sperimentale è stata condotta mediante velocimetria a inseguimento di particelle (PTV), consentendo la ricostruzione dei campi di velocità e della distribuzione degli sforzi di taglio a parete (WSS). Sono stati inoltre valutati parametri fluidodinamici rilevanti, come i numeri di Reynolds e di Womersley. I risultati mostrano che la topologia generale del flusso rimane invariata nelle condizioni analizzate, mentre velocità, dinamica dei vortici e distribuzione del WSS variano in funzione del regime di flusso e della portata. La condizione di esercizio e il flusso pulsatile determinano un aumento delle velocità nella regione esterna del vortice principale, con conseguenti variazioni del WSS dipendenti dall’organizzazione locale del flusso. L’analisi temporale evidenzia la migrazione del vortice durante il ciclo cardiaco e l’influenza dei numeri di Reynolds e Womersley sulla sua dinamica. Inoltre, la dimensione dell’aneurisma e il rapporto d’aspetto influenzano la stabilità dei vortici e il comportamento del flusso. La metodologia sviluppata rappresenta uno strumento robusto per lo studio in vitro dell’emodinamica aneurismatica e una base per futuri studi su condizioni più fisiologiche, parametri emodinamici avanzati e ricostruzioni tridimensionali del flusso.