Master's Thesis

Effect of spine on stresses in abdominal aortic aneurysm

Final Thesis 6.48 MB

Author of thesis: Ing. Ondřej Lisický, Ph.D.

Acad. year: 2017/2018

Supervisor: doc. Ing. Stanislav Polzer, Ph.D.

Reviewer: Doc. Ing. Lukáš Horný, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with stress strain analysis of an aortic abdominal aneurysm (AAA)
and the influence of its contact with the spine on the extreme wall stress. The
influence was tested on the idealized geometry, as well as on ten patient specific
geometries obtained from computer tomography (CT-A) scans. Hyperelastic
constitutive models were used for the AAA wall and intraluminal thrombus (ILT)
tissue description. The prestress algorithm was used for reconstruction of the
unloaded geometry to get more trustworthy results against the geometry from CT
which was obtained under the blood pressure. Statistical analysis was used for the
results evaluation. The maximal increase of peak wall stress was as high as 81 %.

Keywords:

Abdominal aortic aneurysm, intraluminal thrombus, spine, backbone, vertebra,
intervertebral disc, finite element method

Date of defence

20.06.2018

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student ve vymezeném čase prezentoval svoji závěrečnou práci. Poté byly předneseny posudky a zodpovězeny dotazy oponenta. Následně byly pokládány další otázky vztahující se k diplomové práci: Zkusil jste konzultovat vliv přítomnosti lumbálních tepen s lékaři? Co je kladeno za podmínku na bázovou funkci u Ritzovy metody? Znáte metodu hraničních prvků? Dalo by se pouhým pohledem říci, kdy je vliv páteře podstatný v závislosti na tom, kde se výduť objeví? Jak jste uvážil vliv vnějšího a vnitřního prostředí? Lze zanedbat okolní tkáň? Lze považovat aneurysma za izotropní? Jak byly voleny parametry pro použité modely materiálu? Jaké korekce byly použity a jak souvisí s uvažovaným materiálem? Nestačilo páteř modelovat jako tuhou plochu? Jak jste se vypořádal s tím, že testování statistické hypotézy mezi pacienty je závislé na hustotě sítě? Srovnáváte pacienty mezi sebou? Na závěr bylo vystoupení hodnoceno jako velmi dobré.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (M2A-P)

Field of study

Engineering Mechanics and Biomechanics (M-IMB)

Composition of Committee

prof. Ing. Vladislav Laš, CSc. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
prof. Ing. Jaroslav Zapoměl, DrSc. (člen)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D. (člen)
Ing. Tomáš Heger (člen)
Ing. David Zalaba (člen)
prof. Ing. Přemysl Janíček, DrSc. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Stanislav Polzer, Ph.D.

Tato diplomová práce hodnotí vliv přítomnosti páteře na napjatost v aneurysmatech břišní aorty. Student od začátku na zadání pracoval velmi aktivně a intenzivně konzultoval, což se pozitivně projevilo na celkové úrovni předložené práce. Jak rešeršní, tak výpočtová část jsou na vysoké úrovni. Algoritmus pro nalezení nezatížené geometrie a algoritmus pro stanovení proměnné tuhosti intraluminálního trombu v závislosti na vzdálenosti od lumenu student naprogramoval sám po studiu literatury. Stejně tak student sám zrekonstruoval geometrie páteře pro všech 10 pacientů zahrnutých do analýzy. Vedoucím byly pouze dodány stl modely aneurysmat.
Výsledky práce ukazují na podstatný vliv přítomnosti páteře na napjatost v aneurysmatech a budou dále využity při výzkumu hodnocení rizika ruptury   aneurysmat. Díky včasnému zahájení prací měl student i dostatek času na vylepšování textové části, která je tak srozumitelná a přehledná.
Doporučuji práci k obhajobě a hodnotím výborně/A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Doc. Ing. Lukáš Horný, Ph.D.

Předloženou diplomovou práci doporučuji k obhajobě a po jejím vykonání navrhuji práci hodnotit kvalifikačním stupněm C, dobře.
Předložená práce si klade za cíl zhodnotit vliv přítomnosti páteře na napjatost aneuryzmatu břišní aorty. Za tímto účelem diplomant vyhodnotil výsledky několika desítek výpočtových modelů vytvořených pomocí metody konečných prvků na dvanácti geometriích s uvažováním (resp. bez uvažování) mechanické interakce aneuryzmatu a páteře při zatížení vnitřním tlakem a při uložení ve vazbách omezujících posuvy v místech vstupního a výstupního otvoru.
    Oponent hodnotí zadání jako náročné až ambiciózní, protože od diplomanta vyžaduje porozumění nelineární mechanice kontinua, získání dovednosti ladění nelineární MKP (ve smyslu zajištění konvergence) a také ovládnutí algoritmů tvorby geometrického modelu z CT dat a síťování těchto, komplikovaných a ne vždy úplných, geometrií. Sama myšlenka zhodnocení vlivu páteře na napjatost (a deformaci) aneuryzmatu má inovační potenciál a je jasné, že máme-li jednou dospět k rutinnímu používání výsledků biomechanických simulací v terapeutickém rozhodovacím procesu, musí biomechanické simulace zahrnovat všechny podstatné faktory, které mohou ovlivnit objektivnost hodnocení stavu.
    Oponent v zásadě nemá výhrady proti použitým metodám a postupům. Jako nedostatek práce
ale vidí opominutí hierarchické strukturovanosti v modelech. Jako východisko by oponent uvítal asi ještě
jednoduší válcový model, protože možnosti zobecnění fyzikálního chování složitých geometrií jsou vždy
problematické. Nedoceněná se mu také zdá otázka průběhu kontaktu mezi tělesy – ať už jde o způsob
tření nebo o fakt, že v reálné geometrii je další mezivrstva poddajného vaziva. Taktéž neuvažování
existence lumbálních tepen zásobujících tkáně v prostoru L1 až L4 je možná významným
zjednodušením – ony vedou právě k páteři a je možné, že aortu k páteři vlastně vážou.
      Předchozí poznámky spíše ale ukazují, že studovaná problematika obsahuje stále mnoho
neprobádaných míst, resp. otázek, na které zatím neznáme odpověď. Čím si ale oponent jist je, že je
třeba se kriticky vyjádřit ke stylistickým a grafickým schopnostem diplomanta (na mnoha místech
najdeme formulace, které vybočují mimo českou gramatiku, resp. obrázky s neúplnými nebo nečitelnými
popisky). Bohužel, na mnoha místech najdeme i matematicko-fyzikálně nekorektní tvrzení. Oponent
uvede jen některá z nich: k definici veličiny nelze použít nedefinované symboly (s. 35, rovnice 2), rovnice
(3) není pravdivá v obecných souřadnicích nýbrž pouze a jenom v kartézských (s. 36), rovnice (7) a (8)
jsou nepravdivé (s. 36), stejně tak rovnice (9) a (10) v sobě obsahují chyby, rovnice (13) opět obsahuje
nedefinované veličiny a rovnice (15) indexově nedává smysl. Oponent věří, že jde jen o nedůslednost,
přesto objektivně nepravdivá tvrzení musí odmítnout. Mimochodem, některým výše jmenovaným
chybám by se dalo předejít, kdyby proběhla zpětná kontrola navázaná na sestavování (úplného)
seznamu použitých veličin.
    Výše zmíněné nedostatky nepředstavují místa principiálních metodických sporů. Co je z tohoto
pohledu ale zajímavé, je finální výstup, za který oponent považuje obrázek 35. Ten obsahuje rozdělení
absolutních četností rozdílů napětí (redukované HMH) v modelech s páteří a bez ní. Oponent si klade
otázku, nebylo by lepší tento výsledek prezentovat po normování, tj. dopočíst se ke skutečné empirické
hustotě pravděpodobnosti rozdílů napětí v modelech? Normalizace dat možná povede k ještě vyšší
špičatosti, což by se dalo interpretovat jako potlačení rozdílů mezi modely. V tomto místě by oponent
řekl, že se dalo udělat více a je škoda, že takový obrázek předložená práce neobsahuje.
    V zásadě chce ale oponent říct, že práci považuje za hodnotnou a náročnou. Ve svém
hodnocení vyjádřeném navrhovanou známkou C prostě jen nemůže oponent odhlédnout od faktu, že
není možné připustit tak mnoho nepravdivých tvrzení (a to přechází tvrzení typu „K měření krevního
tlaku bývá využito například EKG“, kterému jistě nevěří ani sám autor, s. 19), aniž by to ovlivnilo výsledný
návrh známky. Kdyby práce neměla žádný úvod a vysvětlení teorie, mohla by klidně aspirovat na známku A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout D
Grafic layout, used style and language level C
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. (1) Otázka první je nasnadě. Jak se projeví normování histogramů na obrázku 35? Posílí nebo oslabí se tím tendence k závěru, že existují případy, ve kterých je možné (na v práci použité úrovni modelování) přítomnost páteře zanedbat?
  2. (2) Vaše modely, stejně jako většina modelů, se kterými se oponent seznámil, zanedbávají existenci lumbálních tepen. Jak by se podle vašeho názoru mohly lumbální tepny projevit ve výsledcích napěťovědeformačních analýz aneuryzmat břišní aorty?
  3. (3) Na straně 17 píšete: „Jedinou metodou pro řešení deformačně-napěťových stavů obecných těles, kterou jsme se ve specializaci naučili, je metoda konečných prvků. Ani v literatuře jsem se s jinou nesetkal. Vybíral jsem tedy z jednoprvkové množiny použitelných metod.“ Upřímně, jako pedagoga působícího v oboru aplikované, resp. inženýrské, mechaniky, mě tato věta dost vyděsila a odmítám věřit, že je pravdivá. Doufám, že mne a komisi o tom přesvědčíte tím, že nám vysvětlíte podstatné rozdíly mezi metodou konečných prvků a např. Ritzovou metodou a metodou sítí.

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová