ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
9-apr-2024
2022/2023
L'impianto chirurgico di un dispositivo protesico vascolare è un intervento salvavita per il trattamento dell'aneurisma dell'aorta toracica ascendente. Nonostante l'elevata sicurezza e la bassa incidenza di gravi complicanze post-operatorie, questa procedura comporta alterazioni permanenti alla biomeccanica e all'emodinamica dell'aorta discendente, che potrebbero scatenare eventi avversi, quali: aneurisma o addirittura dissezione. La discrepanza di rigidezza che intercorre tra il dispositivo chirurgico e il tessuto nativo è stata identificata come possibile causa di tali avvenimenti. Per tale motivo, tecniche e materiali di fabbricazione alternativi, per la fabbricazione di protesi vascolari capaci di replicare la compliance fisiologica dei vasi sanguigni, stanno acquisendo sempre maggior interesse nel mondo della ricerca. Tra tutte, date le sue caratteristiche, l'elettroscrittura (electrowriting) di materiali polimerici, sembra la più promettente. Questo progetto di tesi magistrale, sfruttando le potenzialità della modellazione fluido-struttura (coupled momentum method for fluid-structure interaction), vuole investigare le alterazioni emodinamiche e biomeccaniche distali di un paziente sottoposto sia ad un intervento chirurgico tradizionale che ad uno innovativo, implementando, rispettivamente, un dispositivo in Dacron ed uno elettroscritto. I modelli geometrici tridimensionali e le condizioni al contorno (boundary condition) necessarie a riprodurre le condizioni fisiopatologiche specifiche del paziente all'interno della simulazione, sia per il caso pre e sia per il caso post-operatorio, sono stati ottenuti a partire dall'elaborazione di dati e immagini mediche (MRA, 4D flow). Per poter definire le proprietà meccaniche della parete del vaso e dei dispositivi protesici, e modellarne così il comportamento non lineare ed anisotropo, sono stati analizzati dati sperimentali relativi a test di trazione equibiassiale e uniassiale, disponibili in letteratura. La validazione dei risultati ottenuti dalle simulazioni è stata effettuata sia qualitativamente che quantitativamente attraverso un confronto diretto con dati misurati clinicamente, ottenendo un coefficiente di correlazione di Spearman r= 0.7145. I tre scenari chirurgici descritti precedentemente sono stati comparati analizzando tre parametri fluidodinamici (WSS, TAWSS, OSI) e uno strutturale (strain), la cui capacità di prevedere l'insorgenza di eventi patologici futuri è stata dimostrata in letteratura. A valle dell'intervento è stato registrato un aumento significativo di tutti questi indici e l'impianto del dispositivo elettroscritto ha avuto solamente un moderato effetto benefico sulla fluidodinamica sanguigna del paziente. In conclusione, le anomalie emodinamiche e biomeccaniche dell'aorta discendente, dovute all'impianto chirurgico di protesi endovascolari prossimali, sembrano essere influenzate principalmente dall'incremento della portata circolante che si manifesta nel decorso post operatorio. Tuttavia, l'utilizzo di device più complianti, con rigidezza comparabile a quella dei vasi sanguigni, ha evidenziato promettenti capacità di poter ripristinare le condizioni di flusso fisiologiche.
Surgical prosthetic graft implantation is a life-saving procedure for the treatment of the ascending thoracic aortic aneurysms (aTAA). Despite its high safety and low incidence of major post-operative complications, it results in permanent alterations to distal (non grafted) aortic biomechanics and hemodynamics, which could trigger adverse events (e.g. aneurysm and dissection). One plausible explanation for such occurrences is the compliance mismatch at the suture site between native tissue and endovascular prosthesis. In this perspective, solution electrowriting has been recently investigated as an alternative fabrication technique for the manufacture of vascular prostheses able to reproduce physiological vessels compliance. This master thesis project aim to exploit coupled momentum method for fluid-structure interaction (CMM-FSI) modeling potentialities to investigate one single patient's downstream hemodynamics and vascular biomechanics alterations due to aTAA traditional and innovative grafting, implementing a Dacron and an electrowritten (EW) device, respectively. Pre and post-operative three-dimensional geometries and patient-specific boundary conditions for the FSI were obtain from retrospectively collected medical images data (i.e MRA and 4D flow). Literature retrieved experimental equibiaxial and uniaxial tests results were exploited to define regionally dependent mechanical properties for both the aorta and the devices, thus accounting for anisotropy and non-linearity. Simulation results were validated qualitatively and quantitatively against 4D flow derived quantities, obtaining a Spearman correlation coefficient r= 0.7145. Fluid dynamics and structural metrics (WSS, TAWSS, OSI and strain), strong independent indices of future adverse remodeling risk, were used to compare the three different surgical scenarios. A significant increment of the reported biomarkers was registered after the grafting and only a moderate beneficial impact was associated to the innovative device. In conclusion, distal hemodynamics anomalies, due to aTAA prosthetic correction, seemed to be mainly influenced by the post operative aortic inflow increment, even if, smoother compliance mismatch at the suture site highlighted promising beneficial effects.