Computational Fluid Dynamics simulations for predicting the post-operative outcomes of TAVI procedure

Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) procedure is an interventional cardiology therapy aimed at treating severe aortic valve stenosis in patients with high or intermediate cardiac risk. The main objective of this work consists in adopting computational fluid dynamics techniques to perform fluid dynamic simulations of blood flowing in the cardiovascular district where the prosthetic valve has been implanted. The goal is to provide clinical staff with results that could be preoperatively useful to predict surgical outcomes and assist them in the decision-making process, highlighting possible post-operative complications, such as paravalvular leakage. The aim of the thesis is to simulate the fluid-dynamics behavior of the blood flowing in the aortic district affected by the TAVI implantation. After performing a deep critical analysis of recent papers available in the literature, we focused our attention on Ansys Fluent as commercial software for computational fluid dynamics (CFD) simulations. To achieve the proposed goal an elaborate procedure needs to be developed: STL files of the aortic root, native valve, calcifications, stent, and prosthetic valve were provided after a post-implant TAVI structural simulation performed in Abaqus and used to generate the CFD domain. The TAVI device components, the aortic calcifications, and native valve were subtracted from the aortic root. Then, using dedicated commercial software, the volume mesh of the previously obtained result was generated to run a steady-state simulation in Ansys Fluent. The obtained results were then processed in Paraview to obtain clear images for clinicians representing paravalvular regurgitation. The last part of this thesis concerns an approach preliminarily investigated to perform fluid-structure interaction (FSI) simulations using LS-Dyna software.

La procedura di impianto della valvola aortica transcatetere (TAVI) è una terapia di cardiologia interventistica volta a trattare la stenosi grave della valvola aortica in pazienti con rischio cardiaco alto o intermedio. L'obiettivo principale di questo lavoro consiste nell’adottare tecniche di fluidodinamica computazionale per eseguire simulazioni fluidodinamiche del sangue che scorre nel distretto cardiovascolare dove è stata impiantata la valvola protesica. L'obiettivo è quello di fornire al personale clinico risultati che possano essere utili in fase preoperatoria per prevedere gli esiti chirurgici e assisterli nel processo decisionale, evidenziando le possibili complicanze post-operatorie, come le perdite paravalvolari. Lo scopo della tesi è quello di simulare il comportamento fluidodinamico del sangue che scorre nel distretto aortico interessato dall'impianto della TAVI. Dopo aver effettuato una profonda analisi critica dei recenti articoli disponibili in letteratura, abbiamo focalizzato la nostra attenzione su Ansys Fluent come software commerciale per le simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD). Per raggiungere l'obiettivo proposto è necessario sviluppare una procedura elaborata: i file STL della radice aortica, della valvola nativa, delle calcificazioni, dello stent e della valvola protesica sono stati forniti dopo una simulazione strutturale post-impianto TAVI eseguita in Abaqus e utilizzati per generare il dominio CFD. I componenti del dispositivo TAVI, le calcificazioni aortiche e la valvola nativa sono stati sottratti dalla radice aortica. Quindi, utilizzando un software commerciale dedicato, è stata generata la mesh di volume del risultato precedentemente ottenuto per eseguire una simulazione in stato stazionario in Ansys Fluent. I risultati ottenuti sono stati poi elaborati in Paraview per ottenere immagini chiare per i clinici che rappresentano il rigurgito paravalvolare. L'ultima parte di questa tesi riguarda un approccio studiato preliminarmente per eseguire simulazioni di interazione fluido-struttura (FSI) utilizzando il software LS-Dyna.