SlideShare a Scribd company logo
 
 
 
 
COMPUTATIONAL MODEL EVALUATING THE MECHANICAL
EFFECTS OF ABDOMINAL AORTIC ANEURYSM
 
 
Word Count: (1780) 
Prepared for 
Scott Hazelwood 
Biomechanics Professor 
California Polytechnic State University 
San Luis Obispo, California 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prepared by 
Keyon Keshtgar 
Biomedical Engineer 
 
 
 
 
March 11 , 2015 
 
1 
 
Abstract 
With more than 17,215 deaths in the United States alone, according to a 2009 statistic conducted 
by the CDC, abdominal aortic aneurysm (AAA) continues to be a problematic issue in regards to 
human health. Computational models of AAA have been created to further analyze the 
mechanical wall stresses in hopes to better understand this disease. Finite element analysis (FEA) 
is a sophisticated numerical scheme intended to approximate the solution to common boundary 
problems. The focus of this report is to highlight and discuss how FEA was used as a 
methodology to demonstrate a noninvasive procedure to estimate AAA wall stress distributions 
prior to rupturing. It was found that, while normal abdominal aortic wall stresses are around ​12 
N/cm​2​
, the wall stresses in patients with AAA ranged from 29 N/​cm​2​
 to 45 N/​cm​2​
. In addition, 
the results suggest that ​AAA volume was the best indicator of peak wall stresses. This 
methodology may allow for the evaluation of an individual AAA’s rupture risk on a more 
biophysical level, which can help with research in the world of medicine. 
 
 
 
Word Count (180) 
 
   
 
2 
Introduction 
Your heart is one of the most important organs in the human body. Essentially a pump, 
the heart’s role is to direct blood flow through the circulatory system. Unfortunately, this system 
may have potential complications that could ultimately be fatal if not treated. Abdominal aortic 
aneurysm (AAA) is just one problematic issue in relation to the cardiovascular system. The 
ability to evaluate the susceptibility of an AAA to rupture using finite element analysis could 
vastly improve the clinical treatment of patients with this disease. A working principle of the 
cardiovascular system and AAA will first be discussed. This report will then focus on a 
methodology to noninvasively estimate wall stress distributions for patients with AAA. 
Circulatory System 
The heart is a muscle made up of four chambers separated by 
valves, which open and close, to direct blood flow. Each half of the heart 
contains one chamber called the atrium and one called the ventricle, 
which can be seen in ​figure 1​. The 
atria collect blood, while the 
ventricles propel blood out of the heart. The right half of the 
heart receives and sends deoxygenated blood to the lungs 
where blood cells get replenished with new oxygen. The blood 
then returns to the left half and gets propelled to the cells of 
major organs to supply oxygen and nutrients. This cycle 
gets repeated and is known as the circulatory system. The circulatory system consists of a 
 
3 
network of blood vessels that all work coherently. The vessels that carry blood to the heart are 
known as veins, while those that carry blood away from the heart are known as arteries. For the 
purpose of this report, an emphasis on the abdominal aorta will be placed. It is the largest artery 
in the abdominal cavity and is a direct continuation of of the descending aorta, which can be seen 
in ​figure 2. 
Abdominal Artery Aneurysm 
An Abdominal Aortic Aneurysm (AAA) is often 
defined as a dilation of the aorta artery with dilations greater 
than 3 cm in diameter. This could lead to a serious and 
alarming health issue. According to the CDC, aortic 
aneurysms were the primary cause of 10,597 deaths and 
contributed to more than 17,215 deaths in the United States 
alone in 2009. Approximately two­thirds of people who 
have aortic dissection are male. Showin in ​figure 3​ is a 
comparison between a normal abdominal aorta versus an abdominal aortic aneurysm.  
Typically, AAAs can develop slowly and are asymptomatic until they expand or rupture. 
An expanding AAA causes sudden, severe, and constant low back, flank, abdominal, or groin 
pain. Patients with a rupture abdominal aorta may experience symptoms, such as pain in the 
abdomen or back, passing out, clammy skin, dizziness, nausea, and vomiting, rapid heart rate, 
and shock. 
 
4 
Historically, AAAs were repaired by ​Endovascular aneurysm repair (EVAR)​ where the 
aneurysmal segments of blood vessel were replaced with vascular grafts. EVAR, however is 
associated to an increased morbidity and mortality rate in comparison to other minimally 
invasive endovascular repair procedures. Limitations of endovascular grafts include graft 
migration, which can result in aneurysmal sac expansion. Reintervention for EVAR graft patients 
typically occurs in about 15% to 19% of cases after an average of 34 months. FEA could be 
applied to further understand a particular AAA and to improve the clinical treatment associated 
with this disease. 
Methods 
Finite element analysis (FEA) is a sophisticated numerical scheme intended to 
approximate the solution to common boundary problems. This method helps to predict whether a 
model will break or wear out by determining mechanical stresses, vibrations, fatigue, motion, 
heat transfer, fluid flow, electrostatics, etc. The typical process behind using FEA is to define the 
problem, define the model, mesh the model, choose an analysis method (static/dynamic or 
linear/nonlinear), and finally use a software of preference to solve the problem. 
One study focused on comparing the mechanical wall stresses of six patients at the 
University of Pittsburgh Medical Center to that of a healthy control subject for further analyzing 
of AAA prior to rupture occurring. The 3­dimensional infrarenal aorta model geometry was 
created using a spiral computed tomography (CT). Before scanning, 150 mL of standard 
nonionic contrast was administered at 4mL/s. In addition, the patients were asked to hold their 
breath to reduce respiratory­induced motion in the imaging. Next, a cross­sectional slicing of 2­3 
 
5 
mm along the infrarenal aorta were made. The spatial coordinates of about 60 points along the 
wall boundary were recorded on each cross section, which collectively made a point cloud. This 
point cloud, shown in ​figure 4a​, ​allows for 
a mathematical representation of the AAA 
wall surface, which is used in the 
computation. After further image 
processing, the aortic wall was created, 
shown in ​figure 4b.​ This representation, 
however, includes sharp corners and would result in 
artificial stress concentrations in the stress analysis. To correct this, a face­smoothing technique 
in AutoCAD was used to smooth the surface of the aortic walls. 
In order to be suitable for biologic soft tissue, a nonlinear mathematical model was 
utilized for this study. Next, mechanical properties of a typical AAA wall were determined and 
recorded. Finally, the forces and constraints on the AAA were calculated. A sphygmomanometer 
was used to measure the systolic blood pressure. The proximal and distal ends of the 
computerized AAA model were constrained from deforming in the longitudinal direction in 
order to simulate the tethering of the AAA at the renal artery and the iliac junction. Residual 
stresses that may exist in the aortic wall and forces on the posterior surface caused by the lumbar 
arteries were neglected for this study. Additionally, the assumption that there was a constant 
aortic wall thickness of 1.9mm for the patients with AAA and a uniform thickness of 1.5mm for 
the nonaneurysmal patient was made. 
 
6 
A linear correlation between peak wall stress and the clinically measureable factors, such 
as AAA diameter, height, and volumes shown in ​Table I,​ were conducted through various 
approaches. The diameter was defined as the maximum transverse dimension of the cross section 
at any part of the model through CT scanning. The height was defined as the straight­line 
distance between the centroid of the model to that of the iliac branch. Finally, the volume was 
determined by calculating the area of each cross section and integrating that value over the 
height of the abdominal aorta. 
Results 
The von Mises stress distribution on the AAA for 
each subject was plotted in order to visually interpret the 
computational stress analysis. The von Mises stress is a 
stress index composed of nine components, which is 
especially suited for failure analysis. The 3­dimensional 
von Mises stress distribution on the aortic wall for each 
subject is shown in ​figure 5​. It is important to note that the 
artificial stress concentrations, that were created through 
 
7 
longitudinal constraints at the proximal and distal edges, existed in some AAAs. These values 
were much higher than the stresses in other regions of the same aneurysms. This was simply 
neglected as edge effects. The grey regions in the figure represent those with artificially high 
stress concentrations because of edge effects. The stress magnitude is represented by the 
individual color scale with blue being the lowest magnitude and red representing the highest 
magnitude.  
Figure 6 ​shows the peak wall stress for 
each subject and the effect of wall thickness. 
Various stress analyses were done for each 
subject’s aortic wall, which were when the 
wall thickness was set equal to the population 
mean and at the lower and upper 99% of the 
confidence level. The error bars seen in the figure show the range of peak wall stress for each 
case. Finally, the dashed line indicates the maximum allowable stress in a typical AAA before 
it’s rupture. 
Table II ​shows the statistical correlation of peak wall 
stress in the AAAs of each subject with the measurable 
factors, such as height, diameter, and volume. The control 
aorta was excluded from these calculations. This 
information is important when determining the factors that 
may potentially lead to abdominal aortic rupturing. 
 
8 
Discussion 
In review, this study had developed and demonstrated a noninvasive method to estimate 
AAA wall stress distributions between 6 patients and a control, which was a subject with a 
healthy aorta. This was done by using techniques in imaging, image processing, 3D 
reconstruction, and engineering mechanics. Based on the results from the FEA, AAA was 
indicated to be complexly distributed with large regional variations. Peak wall stresses for for the 
experimental group ranged from 29 N/​cm​2​
 to 45 N/​cm​2​
, while that of the control was 12 N/cm​2​
. 
From ​Table II, ​it was suggested that AAA volume was the best indicator of peak wall stresses, 
which may lead to abdominal aortic rupturing. 
Some of the limitations to this methodology is present mainly due to contemporary 
imaging technology and a lack of experimental information. The more serious assumption made 
was that there was uniform and constant wall thickness of the aorta, which isn’t necessarily true. 
Some of the other false assumptions was that the mechanical properties do not vary regionally 
within a given AAA, shear induced by blood flow was neglected, and possible residual stresses 
were not considered. These assumptions were made at an attempt to make the computation for 
the study more easily achievable. 
Future work is necessary before this methodology can be used clinically to aid in the 
management of AAAs. First and foremost, the limitations previously stated may be improved 
upon and/or eliminated. Secondly, future studies may incorporate the contribution of thrombus, 
rate of change of blood pressure, and other relevant factors to the mechanics of the problem. 
Lastly, this method could be used to further understand AAAs and correlate this disease to local 
 
9 
expression or suppression of genes. These studies could provide additional insight on the role of 
mechanical stresses as it relates to AAAs. 
Conclusion 
The goal of this paper was to study a computational model relative to any biomedical 
engineering application. In particular, finite element analysis (FEA) was used as a methodology 
to demonstrate a noninvasive procedure to estimate abdominal aortic aneurysm (AAA) wall 
stress distributions. It was found that there were significant increases in the von Mises stresses 
associated with an AAA patient. This information may allow for the evaluation of an individual 
AAA’s rupture risk on a more biophysically sound basis. The conclusions drawn from using 
FEA is that it is a highly acceptable and useful method for analyzing failures in a given system. 
This approach may be further applied to the world of medicine. Such examples include using 
FEA to understand the cause of failure in total hip replacement surgeries, total shoulder 
arthroplasty, and many more biomedical engineering applications.   
 
10 
WORKS CITED 
[1] Abdominal aortic aneurysm​. Ed. Deepak Sudheendra. N.p., 13 Aug. 2015. Web. 11 Mar. 2016. 
<https://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/article/000162.htm>. 
[2] Raghavan, M L., David A. Vorp, Michael P. Federle, Michel S. Makaroun, and Marshall W. Webster. "Wall stress 
distribution on threedimensionally reconstructed models of human abdominal aortic aneurysm." (2015). Web. 10 Mar. 
2016. <​http://www.jvascsurg.org/article/S0741­5214(00)64421­X/pdf​>. 
[3] Inzoli F, Boschetti F, Zappa M, Longo T, Fumero R. Biomechanical factors in abdominal aortic aneurysm rupture. Eur J 
Vasc Surg 1993;7:667­74. 
[4] Elger DF, Blackketter DM, Budwig RS, Johansen KH. The influence of shape on the stresses in model abdominal aortic 
aneurysms. J Biomech Eng 1996;118:326­32. 
[5] Sacks MS, Chuong CJ, Templeton GH, Peshock R. In vivo 3­ D reconstruction and geometric characterization of the right 
ventricular free wall. Ann Biomed Eng 1993;21:263­75. 
[6]  Stringfellow MM, Lawrence PF, Stringfellow RG. The influence of aorta­aneurysm geometry upon stress in the aneurysm 
wall. J Surg Res 1987;42:425­33. 
[7] Sacks MS, Vorp DA, Raghavan ML, Federle MP, Webster MW. In­vivo 3D surface geometry of abdominal aortic 
aneurysms. Ann Biomed Eng 1999;27:469­79 
[8] Vorp, David A. "Biomechanics of abdominal aortic aneurysm." ​Journal of Biomechanics​ 40.9: 1887­902. ​GoogleScholar​. 
Web. 10 Mar. 2016. <http://www.jbiomech.com/article/S0021­9290(06)00323­X/fulltext>. 
 
 

More Related Content

Similar to TermPaper_KeyonKeshtgar (1)

Ultrasound Diagnosis Of Appendicitis
Ultrasound Diagnosis Of Appendicitis  Ultrasound Diagnosis Of Appendicitis
Ultrasound Diagnosis Of Appendicitis
Al-YAQIN DIAGNOSTIC ULTRASONIC CLINIC BAGHDAD
 
Handbook of Endovascular Interventions
Handbook of Endovascular InterventionsHandbook of Endovascular Interventions
Handbook of Endovascular InterventionsSpringer
 
Impact-of-weight-reduction-on-pericardial-adipose-tissue-and-cardiac-structur...
Impact-of-weight-reduction-on-pericardial-adipose-tissue-and-cardiac-structur...Impact-of-weight-reduction-on-pericardial-adipose-tissue-and-cardiac-structur...
Impact-of-weight-reduction-on-pericardial-adipose-tissue-and-cardiac-structur...Hany Abed
 
Antegrage cerebral perfusion
Antegrage cerebral perfusionAntegrage cerebral perfusion
Antegrage cerebral perfusion
mshihatasite
 
Abdominal Aortic Aneurysms
Abdominal Aortic AneurysmsAbdominal Aortic Aneurysms
Abdominal Aortic Aneurysmsmeducationdotnet
 
Vasc Med-2016-Hale-1358863X15624025
Vasc Med-2016-Hale-1358863X15624025Vasc Med-2016-Hale-1358863X15624025
Vasc Med-2016-Hale-1358863X15624025Kayla Twomey
 
A technical modification of carotid endarterectomy experience with 400 pati...
A technical modification of carotid endarterectomy   experience with 400 pati...A technical modification of carotid endarterectomy   experience with 400 pati...
A technical modification of carotid endarterectomy experience with 400 pati...
uvcd
 
ChristinaLee_Research Paper_Final
ChristinaLee_Research Paper_FinalChristinaLee_Research Paper_Final
ChristinaLee_Research Paper_FinalChristina Lee
 
2014 ghassemi-factor-influencing
2014 ghassemi-factor-influencing2014 ghassemi-factor-influencing
2014 ghassemi-factor-influencing
Klinikum Lippe GmbH
 
Highlights from American College of Cardiology 2019
Highlights from American College of Cardiology 2019Highlights from American College of Cardiology 2019
Highlights from American College of Cardiology 2019
ArunSharma10
 
Score risk chest pain
Score risk chest painScore risk chest pain
Score risk chest pain
mio190
 
Predicting aneurysm rupture probabilities
Predicting aneurysm rupture probabilitiesPredicting aneurysm rupture probabilities
Predicting aneurysm rupture probabilitiesnsa2aly
 
Application Brief: Abdominal Aortic Aneurysm
Application Brief: Abdominal Aortic AneurysmApplication Brief: Abdominal Aortic Aneurysm
Application Brief: Abdominal Aortic Aneurysm
FUJIFILM VisualSonics Inc.
 
Stent implantation methods for treatment of abdominal aortic aneurysms (AAA)
Stent implantation methods for treatment of abdominal aortic aneurysms (AAA)Stent implantation methods for treatment of abdominal aortic aneurysms (AAA)
Stent implantation methods for treatment of abdominal aortic aneurysms (AAA)
Or Hananel
 
Wits apprasial /certified fixed orthodontic courses by Indian dental academy
Wits apprasial   /certified fixed orthodontic courses by Indian dental academy Wits apprasial   /certified fixed orthodontic courses by Indian dental academy
Wits apprasial /certified fixed orthodontic courses by Indian dental academy
Indian dental academy
 
Duke OHNS Lumbar Drain AN Poster 44x44 vfinal
Duke OHNS Lumbar Drain AN Poster 44x44 vfinalDuke OHNS Lumbar Drain AN Poster 44x44 vfinal
Duke OHNS Lumbar Drain AN Poster 44x44 vfinalMatthew Crowson
 
International Journal of Clinical Endocrinology
International Journal of Clinical EndocrinologyInternational Journal of Clinical Endocrinology
International Journal of Clinical Endocrinology
SciRes Literature LLC. | Open Access Journals
 

Similar to TermPaper_KeyonKeshtgar (1) (20)

Ultrasound Diagnosis Of Appendicitis
Ultrasound Diagnosis Of Appendicitis  Ultrasound Diagnosis Of Appendicitis
Ultrasound Diagnosis Of Appendicitis
 
Handbook of Endovascular Interventions
Handbook of Endovascular InterventionsHandbook of Endovascular Interventions
Handbook of Endovascular Interventions
 
Impact-of-weight-reduction-on-pericardial-adipose-tissue-and-cardiac-structur...
Impact-of-weight-reduction-on-pericardial-adipose-tissue-and-cardiac-structur...Impact-of-weight-reduction-on-pericardial-adipose-tissue-and-cardiac-structur...
Impact-of-weight-reduction-on-pericardial-adipose-tissue-and-cardiac-structur...
 
Antegrage cerebral perfusion
Antegrage cerebral perfusionAntegrage cerebral perfusion
Antegrage cerebral perfusion
 
Abdominal Aortic Aneurysms
Abdominal Aortic AneurysmsAbdominal Aortic Aneurysms
Abdominal Aortic Aneurysms
 
Vasc Med-2016-Hale-1358863X15624025
Vasc Med-2016-Hale-1358863X15624025Vasc Med-2016-Hale-1358863X15624025
Vasc Med-2016-Hale-1358863X15624025
 
A technical modification of carotid endarterectomy experience with 400 pati...
A technical modification of carotid endarterectomy   experience with 400 pati...A technical modification of carotid endarterectomy   experience with 400 pati...
A technical modification of carotid endarterectomy experience with 400 pati...
 
ChristinaLee_Research Paper_Final
ChristinaLee_Research Paper_FinalChristinaLee_Research Paper_Final
ChristinaLee_Research Paper_Final
 
2014 ghassemi-factor-influencing
2014 ghassemi-factor-influencing2014 ghassemi-factor-influencing
2014 ghassemi-factor-influencing
 
Highlights from American College of Cardiology 2019
Highlights from American College of Cardiology 2019Highlights from American College of Cardiology 2019
Highlights from American College of Cardiology 2019
 
CoAo
CoAoCoAo
CoAo
 
Score risk chest pain
Score risk chest painScore risk chest pain
Score risk chest pain
 
Predicting aneurysm rupture probabilities
Predicting aneurysm rupture probabilitiesPredicting aneurysm rupture probabilities
Predicting aneurysm rupture probabilities
 
Application Brief: Abdominal Aortic Aneurysm
Application Brief: Abdominal Aortic AneurysmApplication Brief: Abdominal Aortic Aneurysm
Application Brief: Abdominal Aortic Aneurysm
 
Stent implantation methods for treatment of abdominal aortic aneurysms (AAA)
Stent implantation methods for treatment of abdominal aortic aneurysms (AAA)Stent implantation methods for treatment of abdominal aortic aneurysms (AAA)
Stent implantation methods for treatment of abdominal aortic aneurysms (AAA)
 
BayerSupp_FINAL
BayerSupp_FINALBayerSupp_FINAL
BayerSupp_FINAL
 
The PulmoN
The PulmoNThe PulmoN
The PulmoN
 
Wits apprasial /certified fixed orthodontic courses by Indian dental academy
Wits apprasial   /certified fixed orthodontic courses by Indian dental academy Wits apprasial   /certified fixed orthodontic courses by Indian dental academy
Wits apprasial /certified fixed orthodontic courses by Indian dental academy
 
Duke OHNS Lumbar Drain AN Poster 44x44 vfinal
Duke OHNS Lumbar Drain AN Poster 44x44 vfinalDuke OHNS Lumbar Drain AN Poster 44x44 vfinal
Duke OHNS Lumbar Drain AN Poster 44x44 vfinal
 
International Journal of Clinical Endocrinology
International Journal of Clinical EndocrinologyInternational Journal of Clinical Endocrinology
International Journal of Clinical Endocrinology
 

TermPaper_KeyonKeshtgar (1)