Analisi fluidodinamica computazionale per la quantificazione delle forze emodinamiche prima e dopo TEVAR

Thoracic endovascular aortic repair (TEVAR) for disease involving the aortic arch remains complex and challenging due to the angulation and tortuosity of the arch and its peculiar biomechanical environment. The evaluation of the hemodynamic forces acting on the different proximal landing zones of the aortic arch could improve the preoperative planning and consequently the postoperative outcome of TEVAR. This thesis belongs to a research project that sees the collaboration of the University of Pavia and the IRCCS of San Donato. The project’s aim concerns the assessment of haemodynamic forces (DF, Displacement Force) acting on the proximal aortic arch before and after TEVAR, through patient-specific computational fluid dynamics simulations (CFD) based on computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI). The first aim is to assess the DFs acting on pathological aorta to identify suboptimal landing zones for stent-graft placement. The second aim is to assess the displacement forces exerted postoperatively on the endograft by means follow-up images to study hemodynamic changes after TEVAR. 3D model of the thoracic aorta is constructed from each pre- and post-operative CTA imaging data. A computational mesh is created to discretize the fluid domain. Patient-specific boundary conditions are imposed. Flow profiles are extracted from patient PC-MRI. Flow wave of the ascending aorta is used to compute velocity, imposed as inlet condition. On the outflow sections, circuits are applied to mimic the compliance and resistance of the distal vascular bed. CFD simulation of six cardiac cycles is performed and results from the last cardiac cycle are used. Post-processing is done and DF related to different landing zones of aortic arch in the moment of systolic peak are computed. It is also computed the area of each landing zones’ surface to normalize DF magnitude, so the equivalent surface traction (EST) is evalueted. Finally, results of pre- and post-operative CFD analisys are compared. The results of CFD simulations highlight a relationship between DF, pressure and aortic morphology. DF magnitude is different across landing areas, it decreases across the aortic arch from prossimal zones to more distal one. The upward component of DF decreases too. The aortic curvature also influences DF in magnitude and direction. The EST values allow to compare different lanfing zones and to identify the best one for endograft placement. The endoprosthesis induces an enlargement of aortic lumen and consequently an increasing of DF magnitude. It can also change the curvature of aortic arch. Furthermore, the stent can allow a more homogeneous redistribution of haemodynamic forces.

Il trattamento endovascolare dell'aorta toracica (TEVAR) per le malattie che coinvolgono l'arco aortico rimane complesso e impegnativo a causa dell'angolazione, della tortuosità dell'arco e del suo peculiare comportamento biomeccanico. La valutazione delle forze emodinamiche che agiscono sulle diverse zone di atterraggio prossimale dell'arco aortico potrebbe quindi supportare la pianificazione preoperatoria e migliorare di conseguenza l'esito postoperatorio di TEVAR. Il presente lavoro di tesi si pone in questo contesto collocandosi in un progetto di ricerca che vede la collaborazione dell'Università degli Studi di Pavia e dell’IRCCS di San Donato. Lo scopo del progetto riguarda la valutazione delle forze derivanti dall’azione emodinamica del flusso sanguigno (DF, Displacement Force) che agiscono nella porzione prossimale dell’arco aortico prima e dopo l’intervento di TEVAR, mediante simulazioni fluidodinamiche computazionali (CFD) pazienti-specifiche, basate su immagini di tomografia computerizzata (CT) e risonanza magnetica (MRI). Il primo obiettivo è quello di valutare le DF in soggetti patologici prima dell’intervento, con lo scopo di identificare le zone di atterraggio non ottimali al posizionamento dell’endograft. Il secondo obiettivo è valutare le DF dopo l'intervento di TEVAR basandosi su immagini follow-up per studiare l’impatto dell’inserimento dell’endoprotesi sulla dinamica del flusso ematico. Il modello 3D dell’aorta toracica di ogni paziente è stato ricostruito a partire da immagini di angio CT pre- e post-operatorie. Il dominio di interesse è stato poi discretizzato. Le onde di flusso relative ad ogni paziente sono state estrarre da PC-MRI, consentendo di definirne condizioni al contorno specifiche. L’onda di flusso dell’aorta ascendente ha permesso di ricavare informazioni sulla velocità da assegnare alla superficie di ingresso. I vasi sovraortici e l’aorta discendente sono stati modellizzati con un circuito che simula la resistenza e la compliance della circolazione sistemica periferica. Le simulazioni sono state impostate per simulare sei battiti cardiaci. I risultati considerati sono relativi all’ultimo ciclo cardiaco e ne viene eseguito un post-processing. Vengono poi calcolate le DF relative alle varie zone di atterraggio dell’arco aortico in corrispondenza del picco sistolico. Viene inoltre calcolato il valore dell’area della superficie di ogni zona che permetterà di normalizzare i valori delle DF, attraverso la trazione superficiale equivalente (EST). Infine, i risultati pre- e post-operatori vengono confrontati. I risultati delle simulazioni evidenziano una relazione tra DF, pressione e morfologia aortica. L’intensità della DF è differente tra le varie zone di atterraggio, essa diminuisce spostandosi dalle zone prossimali a quella più distale, anche la componente craniale della DF decresce. La curvatura dell’arco è un altro elemento che influenza le DF in modulo e direzione di azione. I valori di EST permettono di identificare la miglior zona dell’arco per il posizionamento dell’endoprotesi. L’inserimento dello stent tende ad ampliare il lume dell’arco aortico, provocando un conseguente aumento delle DF, ne può inoltre modificata la curvatura. Infine, l’inserimento dell’endoprotesi può permettere una ridistribuzione più omogenea delle forze emodinamiche.