Sviluppo di un simulatore da banco per l’analisi emodinamica di modelli coronarici 3D con origine anomala

Anomalous Aortic Origin of a Coronary Artery (AAOCA) is a congenital coronary condition characterized by an anomalous course of one or both coronary arteries, which increases the risk of myocardial ischemia and sudden cardiac death, particularly during physical exercise. Diagnosis and risk stratification remain challenging, as the condition is asymptomatic in most cases and current clinical tests do not realistically replicate exercise conditions, highlighting the need for novel diagnostic approaches. This thesis aimed to design and develop a bench-top simulator to replicate patient-specific coronary hemodynamics under different physiological conditions and comparing them with clinical evaluations. Based on CT images from two patients — one with an anomalous right coronary artery and one with an anomalous left coronary artery — 3D models of the aortic root and coronary arteries were reconstructed and 3D printed. These models were integrated into a pulsatile hydraulic circuit, which included custom-designed resistive and capacitive elements to replicate coronary impedance under resting conditions and maximal hyperemia. The 3D printed resistive elements were characterized under steady flow to verify their actual hydraulic resistance; discrepancies with the target values were addressed by incorporating adjustable resistors to calibrate coronary flows to patient-specific parameters. The experimental setup enabled the acquisition of pressure and flow waveforms, which were processed to calculate the Fractional Flow Reserve (FFR), the reference index for the functional assessment of coronary stenosis. The results demonstrate the feasibility of reproducing coronary hemodynamics in vitro, achieving FFR values comparable to clinical measurements for the model with the anomalous right coronary artery and showing promising results for the anomalous left coronary artery as well. This work represents an initial step towards using patient-specific bench-top simulators as a tool to support ischemic risk stratification and the planning of therapeutic strategies for patients with AAOCA.

L’anomalia di origine delle arterie coronarie dall’aorta (AAOCA) è una coronaropatia congenita che comporta un decorso anomalo di una o entrambe le coronarie, aumentando il rischio di ischemia miocardica e morte cardiaca improvvisa, soprattutto sotto sforzo. La diagnosi e la stratificazione del rischio risultano complesse, poiché la patologia è asintomatica nella maggior parte dei casi e i test clinici non riescono a riprodurre in modo realistico le condizioni di sforzo, rendendo necessari nuovi approcci diagnostici. Questo lavoro di tesi ha avuto l’obiettivo di progettare e realizzare un simulatore da banco per replicare le condizioni emodinamiche specifiche del paziente in diverse condizioni fisiologiche e confrontarle con la valutazione clinica. A partire da immagini TC di due pazienti, uno con anomalia della coronaria destra e uno con anomalia della sinistra, sono stati ricostruiti e stampati in 3D modelli della radice aortica e delle arterie coronarie. I modelli sono stati inseriti in un circuito idraulico pulsatile, il quale è stato integrato di componenti resistivi e capacitivi appositamente sviluppati al fine di riprodurre l’impedenza coronarica nelle condizioni di riposo e di iperemia massimale. Gli elementi resistivi, stampati in 3D, sono stati caratterizzati in flusso continuo per verificare la resistenza idraulica effettiva, ma le differenze riscontrate rispetto ai valori di progetto hanno portato all’introduzione di resistenze regolabili per calibrare i flussi coronarici su parametri patient-specific. La configurazione sperimentale ha permesso di acquisire curve di pressione e flusso, elaborate per calcolare l’indice Fractional Flow Reserve (FFR), parametro di riferimento per la valutazione funzionale delle stenosi coronariche. I risultati dimostrano la fattibilità di riprodurre in vitro l’emodinamica coronarica, ottenendo valori di FFR comparabili a quelli clinici per il modello con anomalia della coronaria destra e mostrando potenzialità anche per l’anomalia sinistra. Il lavoro presentato rappresenta un primo passo verso l’uso di simulatori da banco patient-specific come strumento di supporto alla stratificazione del rischio ischemico e alla pianificazione della strategia terapeutica nei pazienti affetti da AAOCA.