Inhomogeneities in the aortic wall can lead to localized stress accumulations, possibly initiating dissection. In many cases, a dissection results from pathological changes such as fragmentation or loss of elastic fibers. But it has been shown that even the healthy aortic wall has an inherent heterogeneous microstructure. Some parts of the aorta are particularly susceptible to the development of inhomogeneities due to pathological changes, however, the distribution in the aortic wall and the spatial extent, such as size, shape, and type, are difficult to predict. Motivated by this observation, we describe the heterogeneous distribution of elastic fiber degradation in the dissected aortic wall using a stochastic constitutive model. For this purpose, random field realizations, which model the stochastic distribution of degraded elastic fibers, are generated over a non-equidistant grid. The random field then serves as input for a uni-axial extension test of the pathological aortic wall, solved with the finite-element (FE) method. To include the microstructure of the dissected aortic wall, a constitutive model developed in a previous study is applied, which also includes an approach to model the degradation of inter-lamellar elastic fibers. Then to assess the uncertainty in the output stress distribution due to this stochastic constitutive model, a convolutional neural network, specifically a Bayesian encoder-decoder, was used as a surrogate model that maps the random input fields to the output stress distribution obtained from the FE analysis. The results show that the neural network is able to predict the stress distribution of the FE analysis while significantly reducing the computational time. In addition, it provides the probability for exceeding critical stresses within the aortic wall, which could allow for the prediction of delamination or fatal rupture.


翻译:心血管壁的不均匀性可能导致局部性压力累积, 可能引发解剖。 在许多情况下, 解剖结果来自病理变化, 如松散或弹性纤维丧失。 但是, 已经显示, 健康的心血管壁也有内在的多元微结构。 然而, 心血管壁的某些部分特别容易因病理变化而导致不均匀性发育。 然而, 心血管壁的分布以及诸如大小、 形状和类型等直径范围的空间范围难以预测。 受此观察的驱动, 我们用一个分解的心血管壁结构变化变异性分布的异性分布。 为此, 随机的田间认识, 也就是由不均匀的弹性纤维纤维结构分布模型产生的。 随机的外表可以作为直径变变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变性变异性变异性变异性变异性变异性变性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变性变异性变异性变异性变性变性变性变性变性变性变性变异性变异性变性变性变异性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变异性变性变性变异性变异性变异性变性变性变异性变性变性变变变变变变变变变变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变变变变变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变性变变变

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