Ascending Aorta Aneurysm (AAoA) is a deformation which affects the portion of the aorta between the aortic valve and the brachiocephalic trunk. The incidence of this disease is higher in cases of patients with the Bicuspid Aortic Valve (BAV ) pathology. BAV is the most common congenital heart deformation in the world with a prevalence between 0.5% and 2%. Many patients with AAoA are children as it occurs more frequently at a younger age. Invasive surgery is currently considered the gold standard for aortic deformation treatment. This surgical procedure has a high mortality rate, between 2.5% and 5% of the treated cases, because of the intrinsic danger of the operation which could take more than 5 hours. The advent of minimally invasive surgical techniques in recent years aims to reduce the need for invasive surgery using devices such as stents and grafts which are implantable by catheterization. The use of these new interventional techniques has significant advantages compared to conventional surgery, such as a decreased risk of operative mortality, total time of intervention and hospitalization. However, an accurate simulation process of all the possible conditions in which the implanted device could operate is required. This research project consists of developing a Computer-Aided Design (CAD) model of the ascending aorta which can simulate, with high reliability, the mechanical and morphological properties of the ascending aorta. This model of the ascending aorta can interact with a CAD model of any type of device (eg. stent) to simulate its effects on the aorta. Furthermore, the model can be used for Computational Fluid Dynamics (CFD) evaluations in order to assess Wall Shear Stress (WSS) and blood velocity measurements. In literature, there are several examples of aortic models, however, there is no present evidence of a CFD analysis in which the BAV disease is modeled into a CAD model of the ascending aorta within an aneurysm. For this research project, a database of 140 patients was consulted. Patients were aged between zero and eighteen years old and showed several anomalies, like Marfan syndrome, BAV disease, aortic dilatation and aneurysm, etc. A set of Magnetic Resonance Images (MRIs) of a child patient with an evident ascending aortic aneurysm and BAV disease was chosen as a patient-specific case. The image segmentation process was performed within the software Slice-O-Matic in order to obtain a cloud of points, which then was used to build the CAD model. The latter was conceived using different surface reconstruction techniques executed by the modeling software CATIA while maintaining the highest possible accuracy. Different kinds of meshes were generated into the Ansys ICEM CFD meshing software to better achieve the Finite Volume Method (FVM) analysis. The meshed model was then imported into Ansys Fluent to perform a CFD evaluation in transient blood flow conditions while simulating the presence of an aneurysm and a BAV. Several corroboration and verification steps were taken to assess the quality of the entire reconstruction process. Results from this analysis showed a very low error when comparing the dimensions of the aneurysm of the CAD model with the corresponding segmented part (error less than 1%), as with the dimension of the aneurysm of the CAD model and the MRI images (error less than 3%) as well as the segmented images and the MRI images (error less than 3%). CFD analysis showed very good results compared to the findings in literature. Blood velocity streamlines, WSS and blood velocity values were aligned with the results in literature. The streamlines observed in the aneurysm hit the aorta wall and created helices as observed in literature. The WSS values in the affected region were higher when compared with the nearby region and the speed of the blood exiting the valve was higher when compared with a normal case. In both cases, the values aligned with the same results in literature. Two works published in literature were chosen as references to compare the results in the present study. In conclusion, having achieved results which agreed with the published works, it is possible to affirm that the thoracic aorta CAD model developed is a valuable starting point to investigate the simultaneous presence of an AAoA and a BAV. Even if all the objectives of this study were achieved, the built CAD model, the meshes and the CFD analysis can be still refined or further developed in complementary studies.

L’aneurisma (AAoA) dell’aorta ascendente (AAoA) è una deformazione che interessa la porzione dell’aorta tra la valvola aortica e il tronco brachiocefalico. L’incidenza di questa malattia è maggiore nei casi di pazienti affetti da bicuspidia della valvola aortica (BAV, Bicuspid Aortic Valve). La BAV è la deformazione cardiaca congenita più comune nel mondo, con una prevalenza tra lo 0,5% e il 2%. Molti pazienti con AAoA sono bambini, in quanto questa malattia si manifesta più frequentemente in giovane età. La chirurgia invasiva è attualmente considerata il gold standard per il trattamento della deformazione aortica. Questa procedura chirurgica ha un alto tasso di mortalità, tra il 2,5% e il 5% della totalità di casi trattati, a causa del pericolo intrinseco della procedura, che spesso richiede un tempo di intervento superiore alle 5 ore. L’avvento, nell’ultimo decennio, di tecniche chirurgiche minimamente invasive, mira a ridurre la necessità di procedure invasive, utilizzando dispositivi come gli stent e i graft, impiantabili tramite cateterismo. L’uso di queste nuove tecniche interventistiche, ha vantaggi significativi rispetto alla chirurgia convenzionale, come ad esempio un ridotto rischio di mortalità intra operatoria, di tempo totale di intervento e di ospedalizzazione. Tuttavia, l’uso delle tecniche mini invasive, richiede un processo di simulazione accurato di tutte le condizioni possibili in cui il dispositivo biomedico potrebbe operare una volta impiantato. Questo progetto di ricerca consiste nel costruire un modello d’aorta ascendente umana, tramite progettazione assistita da computer (CAD, Computer-Aided Design). Il modello concepito, simula con elevata affidabilità le proprietà meccaniche e morfologiche dell’aorta ascendente. Esso può interagire con un modello CAD di qualsiasi tipo di dispositivo (e.g. stent) per simularne gli effetti sull’aorta. Inoltre, il modello può essere utilizzato per la valutazione computazionale della fluidodinamica (CFD, Computational Fluid Dynamics) aortica, al fine di valutare caratteristiche fluidodinamiche quali sforzi di taglio alla parete (WSS, Wall Shear Stress) e campo di velocità del sangue. In letteratura esistono diversi esempi di modelli aortici, tuttavia ad oggi non c’è evidenza di un’analisi CFD condotta attraverso un modello CAD di aorta ascendente, che simuli la presenza contemporanea di un aneurisma dell’aorta ascendente e di una bicuspidia della valvola aortica. Per questo progetto di ricerca, un database di 140 pazienti è stato processato. I pazienti, di età compresa tra zero e diciotto anni, hanno mostrato diverse patologie congenite, come la sindrome di Marfan, la BAV, una dilatazione o un aneurisma aortico, etc. Un set di immagini di risonanza magnetica (MRIs, Magnetic Resonance Images) di un paziente adolescente, con un evidente aneurisma dell’aorta ascendente ed affetto da BAV, è stato scelto come caso patient-specific. Il processo di segmentazione di immagini è stato effettuato all’interno del software Slice-O-Matic, che ha permesso di ottenere una nuvola di punti, utilizzata per costruire il modello CAD. Quest’ultimo è stato concepito utilizzando diverse tecniche di ricostruzione di superfici, tramite il software CATIA, mantenendo il più alto grado di accuratezza di ricostruzione possibile. Differenti tipologie di mesh sono state generate tramite il software ICEM CFD, per sviluppare al meglio l’analisi col metodo ai volumi finiti (FVM, Finite Volume Method). La mesh è stata importata in Fluent, al fine di effettuare una valutazione CFD in condizioni di flusso sanguigno transitorio. Sono stati realizzati diversi passi di conferma e di verifica, per valutare la qualità dell’intero processo di ricostruzione. I risultati di quest’analisi hanno mostrato un errore molto basso, quando si confrontano le dimensioni dell’aneurisma nel modello CAD con la corrispondente parte segmentata (errore inferiore all’1% ). Similmente, le dimensioni dell’aneurisma misurate nel modello CAD e nelle corrispondenti immagini MRIs, hanno mostrato una differenza inferiore al 3%. Allo stesso valore di errore si arriva confrontando le dimensioni tra immagini segmentate e corrispondenti immagini MRIs. L’analisi CFD ha mostrato ottimi risultati rispetto alle conclusioni osservate in letteratura. L’andamento delle linee di flusso del sangue, il WSS e la velocità del sangue sono risultati confrontabili con i valori in letteratura. Le linee di flusso entranti nell’aneurisma colpiscono la parete aortica generando linee di flusso a spirale, come osservato in letteratura. I valori di WSS misurati nella porzione di aorta del modello impattata dal flusso sanguigno, risultano più elevati rispetto alle regioni adiacenti e la velocità del sangue all’uscita dalla valvola patologica è superiore rispetto al caso normale. In entrambe le osservazioni, i valori si sono allineati con i risultati della letteratura. Due lavori precedentemente pubblicati, sono stati scelti come riferimento per confrontare i risultati del presente studio. In conclusione, avendo ottenuto risultati che concordano con lavori precedentemente pubblicati, è possibile affermare che il modello CAD dell’aorta toracica sviluppato, rappresenta un valido punto di partenza per indagare la presenza contemporanea di una deformazione aortica di tipo AAoA e di una deformazione valvolare di tipo BAV. Anche se tutti gli obiettivi di questo studio sono stati raggiunti, il modello CAD realizzato, la mesh e l’analisi CFD sono da considerarsi perfezionabili o da sviluppare ulteriormente in studi complementari.

Ascending aorta parametric modeling and fluid dynamics analysis in a child patient with congenital BAV and ascending aorta aneurysm

CRISCIONE, ROSARIO
2013/2014

Abstract

Ascending Aorta Aneurysm (AAoA) is a deformation which affects the portion of the aorta between the aortic valve and the brachiocephalic trunk. The incidence of this disease is higher in cases of patients with the Bicuspid Aortic Valve (BAV ) pathology. BAV is the most common congenital heart deformation in the world with a prevalence between 0.5% and 2%. Many patients with AAoA are children as it occurs more frequently at a younger age. Invasive surgery is currently considered the gold standard for aortic deformation treatment. This surgical procedure has a high mortality rate, between 2.5% and 5% of the treated cases, because of the intrinsic danger of the operation which could take more than 5 hours. The advent of minimally invasive surgical techniques in recent years aims to reduce the need for invasive surgery using devices such as stents and grafts which are implantable by catheterization. The use of these new interventional techniques has significant advantages compared to conventional surgery, such as a decreased risk of operative mortality, total time of intervention and hospitalization. However, an accurate simulation process of all the possible conditions in which the implanted device could operate is required. This research project consists of developing a Computer-Aided Design (CAD) model of the ascending aorta which can simulate, with high reliability, the mechanical and morphological properties of the ascending aorta. This model of the ascending aorta can interact with a CAD model of any type of device (eg. stent) to simulate its effects on the aorta. Furthermore, the model can be used for Computational Fluid Dynamics (CFD) evaluations in order to assess Wall Shear Stress (WSS) and blood velocity measurements. In literature, there are several examples of aortic models, however, there is no present evidence of a CFD analysis in which the BAV disease is modeled into a CAD model of the ascending aorta within an aneurysm. For this research project, a database of 140 patients was consulted. Patients were aged between zero and eighteen years old and showed several anomalies, like Marfan syndrome, BAV disease, aortic dilatation and aneurysm, etc. A set of Magnetic Resonance Images (MRIs) of a child patient with an evident ascending aortic aneurysm and BAV disease was chosen as a patient-specific case. The image segmentation process was performed within the software Slice-O-Matic in order to obtain a cloud of points, which then was used to build the CAD model. The latter was conceived using different surface reconstruction techniques executed by the modeling software CATIA while maintaining the highest possible accuracy. Different kinds of meshes were generated into the Ansys ICEM CFD meshing software to better achieve the Finite Volume Method (FVM) analysis. The meshed model was then imported into Ansys Fluent to perform a CFD evaluation in transient blood flow conditions while simulating the presence of an aneurysm and a BAV. Several corroboration and verification steps were taken to assess the quality of the entire reconstruction process. Results from this analysis showed a very low error when comparing the dimensions of the aneurysm of the CAD model with the corresponding segmented part (error less than 1%), as with the dimension of the aneurysm of the CAD model and the MRI images (error less than 3%) as well as the segmented images and the MRI images (error less than 3%). CFD analysis showed very good results compared to the findings in literature. Blood velocity streamlines, WSS and blood velocity values were aligned with the results in literature. The streamlines observed in the aneurysm hit the aorta wall and created helices as observed in literature. The WSS values in the affected region were higher when compared with the nearby region and the speed of the blood exiting the valve was higher when compared with a normal case. In both cases, the values aligned with the same results in literature. Two works published in literature were chosen as references to compare the results in the present study. In conclusion, having achieved results which agreed with the published works, it is possible to affirm that the thoracic aorta CAD model developed is a valuable starting point to investigate the simultaneous presence of an AAoA and a BAV. Even if all the objectives of this study were achieved, the built CAD model, the meshes and the CFD analysis can be still refined or further developed in complementary studies.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
18-dic-2014
2013/2014
L’aneurisma (AAoA) dell’aorta ascendente (AAoA) è una deformazione che interessa la porzione dell’aorta tra la valvola aortica e il tronco brachiocefalico. L’incidenza di questa malattia è maggiore nei casi di pazienti affetti da bicuspidia della valvola aortica (BAV, Bicuspid Aortic Valve). La BAV è la deformazione cardiaca congenita più comune nel mondo, con una prevalenza tra lo 0,5% e il 2%. Molti pazienti con AAoA sono bambini, in quanto questa malattia si manifesta più frequentemente in giovane età. La chirurgia invasiva è attualmente considerata il gold standard per il trattamento della deformazione aortica. Questa procedura chirurgica ha un alto tasso di mortalità, tra il 2,5% e il 5% della totalità di casi trattati, a causa del pericolo intrinseco della procedura, che spesso richiede un tempo di intervento superiore alle 5 ore. L’avvento, nell’ultimo decennio, di tecniche chirurgiche minimamente invasive, mira a ridurre la necessità di procedure invasive, utilizzando dispositivi come gli stent e i graft, impiantabili tramite cateterismo. L’uso di queste nuove tecniche interventistiche, ha vantaggi significativi rispetto alla chirurgia convenzionale, come ad esempio un ridotto rischio di mortalità intra operatoria, di tempo totale di intervento e di ospedalizzazione. Tuttavia, l’uso delle tecniche mini invasive, richiede un processo di simulazione accurato di tutte le condizioni possibili in cui il dispositivo biomedico potrebbe operare una volta impiantato. Questo progetto di ricerca consiste nel costruire un modello d’aorta ascendente umana, tramite progettazione assistita da computer (CAD, Computer-Aided Design). Il modello concepito, simula con elevata affidabilità le proprietà meccaniche e morfologiche dell’aorta ascendente. Esso può interagire con un modello CAD di qualsiasi tipo di dispositivo (e.g. stent) per simularne gli effetti sull’aorta. Inoltre, il modello può essere utilizzato per la valutazione computazionale della fluidodinamica (CFD, Computational Fluid Dynamics) aortica, al fine di valutare caratteristiche fluidodinamiche quali sforzi di taglio alla parete (WSS, Wall Shear Stress) e campo di velocità del sangue. In letteratura esistono diversi esempi di modelli aortici, tuttavia ad oggi non c’è evidenza di un’analisi CFD condotta attraverso un modello CAD di aorta ascendente, che simuli la presenza contemporanea di un aneurisma dell’aorta ascendente e di una bicuspidia della valvola aortica. Per questo progetto di ricerca, un database di 140 pazienti è stato processato. I pazienti, di età compresa tra zero e diciotto anni, hanno mostrato diverse patologie congenite, come la sindrome di Marfan, la BAV, una dilatazione o un aneurisma aortico, etc. Un set di immagini di risonanza magnetica (MRIs, Magnetic Resonance Images) di un paziente adolescente, con un evidente aneurisma dell’aorta ascendente ed affetto da BAV, è stato scelto come caso patient-specific. Il processo di segmentazione di immagini è stato effettuato all’interno del software Slice-O-Matic, che ha permesso di ottenere una nuvola di punti, utilizzata per costruire il modello CAD. Quest’ultimo è stato concepito utilizzando diverse tecniche di ricostruzione di superfici, tramite il software CATIA, mantenendo il più alto grado di accuratezza di ricostruzione possibile. Differenti tipologie di mesh sono state generate tramite il software ICEM CFD, per sviluppare al meglio l’analisi col metodo ai volumi finiti (FVM, Finite Volume Method). La mesh è stata importata in Fluent, al fine di effettuare una valutazione CFD in condizioni di flusso sanguigno transitorio. Sono stati realizzati diversi passi di conferma e di verifica, per valutare la qualità dell’intero processo di ricostruzione. I risultati di quest’analisi hanno mostrato un errore molto basso, quando si confrontano le dimensioni dell’aneurisma nel modello CAD con la corrispondente parte segmentata (errore inferiore all’1% ). Similmente, le dimensioni dell’aneurisma misurate nel modello CAD e nelle corrispondenti immagini MRIs, hanno mostrato una differenza inferiore al 3%. Allo stesso valore di errore si arriva confrontando le dimensioni tra immagini segmentate e corrispondenti immagini MRIs. L’analisi CFD ha mostrato ottimi risultati rispetto alle conclusioni osservate in letteratura. L’andamento delle linee di flusso del sangue, il WSS e la velocità del sangue sono risultati confrontabili con i valori in letteratura. Le linee di flusso entranti nell’aneurisma colpiscono la parete aortica generando linee di flusso a spirale, come osservato in letteratura. I valori di WSS misurati nella porzione di aorta del modello impattata dal flusso sanguigno, risultano più elevati rispetto alle regioni adiacenti e la velocità del sangue all’uscita dalla valvola patologica è superiore rispetto al caso normale. In entrambe le osservazioni, i valori si sono allineati con i risultati della letteratura. Due lavori precedentemente pubblicati, sono stati scelti come riferimento per confrontare i risultati del presente studio. In conclusione, avendo ottenuto risultati che concordano con lavori precedentemente pubblicati, è possibile affermare che il modello CAD dell’aorta toracica sviluppato, rappresenta un valido punto di partenza per indagare la presenza contemporanea di una deformazione aortica di tipo AAoA e di una deformazione valvolare di tipo BAV. Anche se tutti gli obiettivi di questo studio sono stati raggiunti, il modello CAD realizzato, la mesh e l’analisi CFD sono da considerarsi perfezionabili o da sviluppare ulteriormente in studi complementari.
Tesi di laurea Magistrale
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