Analisi paziente-specifica dell'interazione fluido-struttura di una valvola aortica nativa

Finite element analysis represents a powerful tool to evaluate the performance of heart valves, whether native or artificial, and, in particular, to predict the effectiveness of specific therapeutic strategies. In recent years, complex fluid-structure interaction (FSI) models for aortic valves has been widely developed to realistically reproduce the dynamic interaction between blood flow and valve leaflets. Starting from existing structural models including a 2D shell description of aortic leaflets, this thesis proposes and implements an extension to 3D patient-specific simulations of the fluid-structure interaction of the aortic valve. The developed simulation framework is based on a two-way partitioned approach. Boundary conditions and in particular the application of physiological pressures at the model inlet and outlet, have been incorporated into the FSI platform, aiming at accurately replicating typical haemodynamic conditions in the cardiac environment. The patient-specific valve geometry was generated from a 3D model of the aortic root obtained by advanced segmentation techniques of CT image data. Simulation results indicate that the implemented FSI model is not only capable to replicate valve leaflet dynamics, but also to provide physiological pressure and velocity fields in relatively short computational times. Rhinoceros CAD software was used to construct the 3D geometry of the native valve, with the valve initially defined in systolic phase (open configuration). Then, a structural analysis was conducted using Abaqus software to verify the defined geometry and obtain the shape of the valve in diastolic phase (closed configuration). Finally, the FSI simulation was performed using a coupled system between the structural Abaqus software and the fluid-dynamic Flowvision one. The described procedures could be considered as a first step towards the development of patient-specific physiologic, pathologic, or post-operative FSI predictive models.

L'analisi agli elementi finiti rappresenta un potente strumento per valutare le prestazioni delle valvole cardiache e, in particolare, per prevedere l'efficacia di specifiche strategie terapeutiche. Negli ultimi anni sono stati ampiamente sviluppati modelli complessi di interazione fluido-struttura (FSI) per le valvole aortiche, al fine di riprodurre realisticamente l'interazione dinamica tra il flusso sanguigno e i foglietti valvolari. Partendo dai modelli strutturali esistenti che includono una descrizione 2D dei foglietti aortici, questa tesi propone e implementa un'estensione alle simulazioni 3D patient-specific dell'interazione fluido-struttura della valvola aortica. Il framework di simulazione sviluppato si basa su un approccio partizionato a due vie. Le condizioni al contorno, e in particolare l'applicazione di pressioni fisiologiche all'ingresso e all'uscita del modello, sono state incorporate nella piattaforma FSI, con l'obiettivo di replicare accuratamente le condizioni emodinamiche tipiche dell'ambiente cardiaco. La geometria della valvola specifica per il paziente è stata generata da un modello 3D della radice aortica ottenuto mediante tecniche avanzate di segmentazione di dati di immagini TC. I risultati della simulazione indicano che il modello FSI implementato non solo è in grado di replicare la dinamica del lembo valvolare, ma anche di fornire campi di pressione e velocità fisiologici in tempi computazionali relativamente brevi. Il software CAD Rhinoceros è stato utilizzato per costruire la geometria 3D della valvola nativa, con la valvola inizialmente definita in fase sistolica (configurazione aperta). Successivamente, è stata condotta un'analisi strutturale con il software Abaqus per verificare la geometria definita e ottenere la forma della valvola in fase diastolica (configurazione chiusa). Infine, la simulazione FSI è stata eseguita utilizzando un sistema accoppiato tra il software strutturale Abaqus e quello fluidodinamico Flowvision. Le procedure descritte possono essere considerate un primo passo verso lo sviluppo di modelli FSI predittivi fisiologici, patologici o post-operatori specifici per il paziente.