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Anomalous aortic origin of a coronary artery is a congenital disease that can cause ischaemic events and sudden cardiac death. The causes of such events are still unclear and the main diagnostic procedures involve the use of stress tests to detect ischaemic signs that often do not occur. In this context, computational numerical simulations insert as an alternative tool to support clinical tests, with the possibility of simulating haemodynamic conditions that cannot be reproduced during traditional tests. This thesis activity is part of the "NECESSARY" project, born from the collaboration between the University of Pavia and the IRCCS Policlinico San Donato Institute. The aim of this thesis activity is to develop and implement a robust pipeline for the realisation of numerical simulations of fluid-structure interaction (FSI) in aorto-coronary models using the SimVascular solver, svFSI. The computational tool developed will make it possible to assess the impact of pathology on the haemodynamics of coronary arteries at rest, with the aim of providing an accurate assessment of coronary flow and the mechanical behaviour of the abnormal coronary artery. First, preliminary analyses were performed on simplified geometric models to validate the CFD and FSI methods. This was done with reference examples found in the literature, which allowed for robust and reproducible workflows for such applications. Then, starting from a healthy aorto-coronary model, concentrated parameter models are implemented and tested that can simulate and predict the behaviour of the vascular network that is not modelled. A simplified simulation technique (0D) is used in which flow and pressure are resolved in a zero-dimensional spatial representation and by means of an electrical analogy. In addition, a procedure is correctly implemented to consider the pre-compression of vessels during FSI simulations. The obtained tools are applied for the analysis of a patient-specific pathological model reconstructed from CT images. From the fluid domain obtained, the wall of the solid domain is reconstructed. Once the external surfaces of the two models were defined, the volumes were discretized using a technique that allowed the nodes to remain congruent at the interface, ensuring their overlap. Boundary conditions (BCs) were applied for both domains and five heartbeats were simulated with a time step of 0.1 ms. The results of the simulations were post-processed in order to compare the numerical flow and pressure curves during the last cardiac cycle for the coronary outputs. The results of the different numerical techniques used (0D, CFD, FSI and FSI with prestress) were compared in order to assess the reliability of the FSI simulations. The same conditions are set for the healthy and pathological aorto-coronary model in order to assess the impact of pathology on coronary flow. In conclusion, the analyses show the ability of the FSI tool to correctly estimate the main haemodynamic parameters, in agreement with the results obtained from the 0D and CFD simulations. An average error of 0.011 (cm^3/s) and 0.108 (cm^3/s) was recorded for the flow in the left and right coronary arteries, respectively. In contrast, in terms of blood pressure, the average error is 3.15 mmHg.A marked reduction in coronary flow is observed between the healthy and pathological model under the same conditions, with a mean difference of 0.149 (cm^3/s) and standard deviation 0.047 (cm^3/s). It is thus shown that the anomaly has a strong impact on coronary haemodynamics and that the FSI instrument is an ideal candidate for studying this pathology.

L'origine aortica anomala di un’arteria coronaria è una malattia congenita che può causare eventi ischemici e morte cardiaca improvvisa. Le cause di tali eventi sono ancora poco chiare e le principali procedure diagnostiche prevedono l'utilizzo di test da sforzo per individuare segnali ischemici che spesso non si manifestano. In questo contesto, le simulazioni numeriche computazionali si inseriscono come strumento alternativo a supporto dei test clinici, con la possibilità di simulare condizioni emodinamiche non riproducibili. La presente attività di tesi si inserisce all'interno del progetto "NECESSARY", nato dalla collaborazione tra l'Università degli studi di Pavia e l'Istituto IRCCS Policlinico San Donato. Lo scopo di quest’attività di tesi è quello di sviluppare e implementare una pipeline robusta per la realizzazione di simulazioni numeriche dell'interazione fluido-struttura (FSI) in modelli aorto-coronarici mediante l'utilizzo del risolutore SimVascular, svFSI. Lo strumento computazionale sviluppato permetterà di valutare l’impatto della patologia sull’emodinamica delle coronarie a riposo, con lo scopo di fornire una valutazione accurata del flusso coronarico e del comportamento meccanico della coronaria anomala. Inizialmente sono state eseguite delle analisi preliminari su modelli geometrici semplificati per la validazione dei metodi CFD ed FSI. Questo è stato fatto con esempi di riferimento rinvenuti in letteratura, che hanno permesso di realizzare flussi di lavoro robusti e riproducibili per tali applicazioni. In seguito, partendo da un modello aorto-coronarico sano, vengono implementati e testati modelli a parametri concentrati in grado di simulare e predire il comportamento della rete vascolare che non viene modellizzata. Viene utilizzata una tecnica di simulazione semplificata (0D) nella quale il flusso e la pressione vengono risolti in una rappresentazione spaziale a zero dimensioni e per mezzo di un’analogia elettrica. Inoltre, viene implementata correttamente una procedura per considerare la precompressione dei vasi durante le simulazioni FSI. Gli strumenti ottenuti vengono applicatati per l’analisi di un modello patologico, ricostruito da immagini CT. Dal dominio fluido ottenuto, viene ricostruita la parete del dominio solido. Definite le superfici esterne dei due modelli, vengono discretizzati i volumi con una tecnica che permette di mantenere la congruenza dei nodi all’interfaccia, garantendo la loro sovrapposizione. Sono state applicate condizioni al contorno (BCs) per entrambi i domini e sono stati simulati cinque battiti cardiaci con un passo temporale pari a 0.1 ms. I risultati delle simulazioni sono stati post-processati, in modo da poter confrontare le curve di flusso e di pressione numeriche durante l’ultimo ciclo cardiaco per le uscite coronariche. Sono stati confrontati i risultati delle diverse tecniche numeriche utilizzate (0D, CFD, FSI ed FSI con prestress), al fine di valutare l’affidabilità delle simulazioni FSI. Vengono impostante le stesse condizioni per il modello aorto-coronarico sano e patologico, in modo da valutare l’impatto della patologia sul flusso coronarico. In conclusione, le analisi evidenziano la capacità dello strumento FSI di stimare correttamente i principali parametri emodinamici, in accordo con i risultati ottenuti dalle simulazioni 0D e CFD. Si registra un errore medio di 0.011 (cm^3/s) e 0.108 (cm^3/s), rispettivamente per il flusso in coronaria sinistra e destra. Invece, in termini di pressione sanguigna, l’errore medio ottenuto è pari a 3.15 mmHg. Si osserva una riduzione del flusso coronarico tra il modello sano e quello patologico a parità di condizioni applicate, con una differenza media di 0.149 (cm^3/s) e una deviazione standard 0.047 (cm^3/s). Si dimostra quindi come l’anomalia ha un forte impatto sull’emodinamica coronarica e che lo strumento FSI risulta essere il candidato ideale per lo studio di questa patologia.

Studio della biomeccanica coronarica con anomalia di origine aortica (AAOCA) tramite l'analisi numerica dell'interazione fluido-struttura (FSI)

PUGLISI, ANGELO
2022/2023

Abstract

Anomalous aortic origin of a coronary artery is a congenital disease that can cause ischaemic events and sudden cardiac death. The causes of such events are still unclear and the main diagnostic procedures involve the use of stress tests to detect ischaemic signs that often do not occur. In this context, computational numerical simulations insert as an alternative tool to support clinical tests, with the possibility of simulating haemodynamic conditions that cannot be reproduced during traditional tests. This thesis activity is part of the "NECESSARY" project, born from the collaboration between the University of Pavia and the IRCCS Policlinico San Donato Institute. The aim of this thesis activity is to develop and implement a robust pipeline for the realisation of numerical simulations of fluid-structure interaction (FSI) in aorto-coronary models using the SimVascular solver, svFSI. The computational tool developed will make it possible to assess the impact of pathology on the haemodynamics of coronary arteries at rest, with the aim of providing an accurate assessment of coronary flow and the mechanical behaviour of the abnormal coronary artery. First, preliminary analyses were performed on simplified geometric models to validate the CFD and FSI methods. This was done with reference examples found in the literature, which allowed for robust and reproducible workflows for such applications. Then, starting from a healthy aorto-coronary model, concentrated parameter models are implemented and tested that can simulate and predict the behaviour of the vascular network that is not modelled. A simplified simulation technique (0D) is used in which flow and pressure are resolved in a zero-dimensional spatial representation and by means of an electrical analogy. In addition, a procedure is correctly implemented to consider the pre-compression of vessels during FSI simulations. The obtained tools are applied for the analysis of a patient-specific pathological model reconstructed from CT images. From the fluid domain obtained, the wall of the solid domain is reconstructed. Once the external surfaces of the two models were defined, the volumes were discretized using a technique that allowed the nodes to remain congruent at the interface, ensuring their overlap. Boundary conditions (BCs) were applied for both domains and five heartbeats were simulated with a time step of 0.1 ms. The results of the simulations were post-processed in order to compare the numerical flow and pressure curves during the last cardiac cycle for the coronary outputs. The results of the different numerical techniques used (0D, CFD, FSI and FSI with prestress) were compared in order to assess the reliability of the FSI simulations. The same conditions are set for the healthy and pathological aorto-coronary model in order to assess the impact of pathology on coronary flow. In conclusion, the analyses show the ability of the FSI tool to correctly estimate the main haemodynamic parameters, in agreement with the results obtained from the 0D and CFD simulations. An average error of 0.011 (cm^3/s) and 0.108 (cm^3/s) was recorded for the flow in the left and right coronary arteries, respectively. In contrast, in terms of blood pressure, the average error is 3.15 mmHg.A marked reduction in coronary flow is observed between the healthy and pathological model under the same conditions, with a mean difference of 0.149 (cm^3/s) and standard deviation 0.047 (cm^3/s). It is thus shown that the anomaly has a strong impact on coronary haemodynamics and that the FSI instrument is an ideal candidate for studying this pathology.
BIOINGEGNERIA [42400]
2022
Study of coronary biomechanics with aortic anomalous origin (AAOCA) using fluid-structure interaction (FSI) numerical analysis.
L'origine aortica anomala di un’arteria coronaria è una malattia congenita che può causare eventi ischemici e morte cardiaca improvvisa. Le cause di tali eventi sono ancora poco chiare e le principali procedure diagnostiche prevedono l'utilizzo di test da sforzo per individuare segnali ischemici che spesso non si manifestano. In questo contesto, le simulazioni numeriche computazionali si inseriscono come strumento alternativo a supporto dei test clinici, con la possibilità di simulare condizioni emodinamiche non riproducibili. La presente attività di tesi si inserisce all'interno del progetto "NECESSARY", nato dalla collaborazione tra l'Università degli studi di Pavia e l'Istituto IRCCS Policlinico San Donato. Lo scopo di quest’attività di tesi è quello di sviluppare e implementare una pipeline robusta per la realizzazione di simulazioni numeriche dell'interazione fluido-struttura (FSI) in modelli aorto-coronarici mediante l'utilizzo del risolutore SimVascular, svFSI. Lo strumento computazionale sviluppato permetterà di valutare l’impatto della patologia sull’emodinamica delle coronarie a riposo, con lo scopo di fornire una valutazione accurata del flusso coronarico e del comportamento meccanico della coronaria anomala. Inizialmente sono state eseguite delle analisi preliminari su modelli geometrici semplificati per la validazione dei metodi CFD ed FSI. Questo è stato fatto con esempi di riferimento rinvenuti in letteratura, che hanno permesso di realizzare flussi di lavoro robusti e riproducibili per tali applicazioni. In seguito, partendo da un modello aorto-coronarico sano, vengono implementati e testati modelli a parametri concentrati in grado di simulare e predire il comportamento della rete vascolare che non viene modellizzata. Viene utilizzata una tecnica di simulazione semplificata (0D) nella quale il flusso e la pressione vengono risolti in una rappresentazione spaziale a zero dimensioni e per mezzo di un’analogia elettrica. Inoltre, viene implementata correttamente una procedura per considerare la precompressione dei vasi durante le simulazioni FSI. Gli strumenti ottenuti vengono applicatati per l’analisi di un modello patologico, ricostruito da immagini CT. Dal dominio fluido ottenuto, viene ricostruita la parete del dominio solido. Definite le superfici esterne dei due modelli, vengono discretizzati i volumi con una tecnica che permette di mantenere la congruenza dei nodi all’interfaccia, garantendo la loro sovrapposizione. Sono state applicate condizioni al contorno (BCs) per entrambi i domini e sono stati simulati cinque battiti cardiaci con un passo temporale pari a 0.1 ms. I risultati delle simulazioni sono stati post-processati, in modo da poter confrontare le curve di flusso e di pressione numeriche durante l’ultimo ciclo cardiaco per le uscite coronariche. Sono stati confrontati i risultati delle diverse tecniche numeriche utilizzate (0D, CFD, FSI ed FSI con prestress), al fine di valutare l’affidabilità delle simulazioni FSI. Vengono impostante le stesse condizioni per il modello aorto-coronarico sano e patologico, in modo da valutare l’impatto della patologia sul flusso coronarico. In conclusione, le analisi evidenziano la capacità dello strumento FSI di stimare correttamente i principali parametri emodinamici, in accordo con i risultati ottenuti dalle simulazioni 0D e CFD. Si registra un errore medio di 0.011 (cm^3/s) e 0.108 (cm^3/s), rispettivamente per il flusso in coronaria sinistra e destra. Invece, in termini di pressione sanguigna, l’errore medio ottenuto è pari a 3.15 mmHg. Si osserva una riduzione del flusso coronarico tra il modello sano e quello patologico a parità di condizioni applicate, con una differenza media di 0.149 (cm^3/s) e una deviazione standard 0.047 (cm^3/s). Si dimostra quindi come l’anomalia ha un forte impatto sull’emodinamica coronarica e che lo strumento FSI risulta essere il candidato ideale per lo studio di questa patologia.
CONTI, MICHELE
CESERANI, VALENTINA
Lauree Magistrali
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.14239/16476