Spatiotemporal investigation of the influence of the aortic root geometry on the hemodynamics of a biological aortic valve prosthesis using particle tracking velocimetry

BACKGROUND: Thousand prosthetic valves are implanted in patients every year relieving them from aortic valve stenosis or insufficiency. One of the most severe complications of valve replacement is prosthetic valve thrombosis. The hemodynamics through the valve and in the aortic root plays a key role in the pathogenesis of this disease. OBJECTIVES: The aim of this work is to understand how the geometry of the aortic root affects the fluid dynamics throughout a biological heart valve prosthesis and in the sinus of Valsava. METHODS: The fluid dynamics investigation focused on a biological Edwards Intuity valve prosthesis and was performed using Particle Tracking Velocimetry. The Intuity valve was inserted in silicon phantoms suitably casted to reproduce different aortic root geometries and a blood mimicking fluid matching the refracting index of silicone was used. The phantoms with the valves were integrated inside a dedicate test cell in a flow loop simulating the left heart and the systemic circulation. The test fluid was seeded with microspheres and a high-speed camera was used to acquire images of the seeded fluid during one pulse of the cardiac cycle in the phantoms. The paths of the particles during the cardiac pulse were extracted with ImageJ (Fiji) and successively processed with MATLAB to analyze the flow topology. RESULTS: Our results show that close to the aortic wall at late systole a backflow forms and enters into the sinus increasing the kinetic energy of the stagnant fluid. In the sinus, the increment of kinetic energy is associated with a chaotic fluid dynamics and no structured vortex could be observed. CONCLUSIONS: The geometry of the aortic root influences the strength and the timing of the backflow towards the sinus and the velocity magnitude inside it. The increment of velocity magnitude caused by the backflow could be a hint for a wash out event of the sinus, but it remains unclear which geometry is preferable to prevent thrombosis.

Migliaia di protesi valvolari sono impiantate ogni anno in pazienti al fine di correggere stenosi o insufficienze della valvola aortica. La trombosi della protesi valvolare è una delle più gravi complicanze derivanti dalla sostituzione valvolare. L'emodinamica attraverso la valvola e nella radice aortica svolge un ruolo chiave nella patogenesi di questa malattia. Lo scopo di questo lavoro è comprendere come la geometria della radice aortica influenza la fluidodinamica di una protesi valvolare biologica e nel seno di Valsalva. L'indagine fluidodinamica è stata effettuata con una protesi valvolare biologica Edwards Intuity utilizzando Particle Tracking Velocimetry. La valvola Intuity è stata inserita in fantocci in silicone opportunamente fabbricati per riprodurre diverse geometrie di radice aortica ed è stato utilizzato un fluido con le stesse caratteristiche reologiche del sangue e avente l’indice di rifrazione ottica del silicone. I fantocci con le valvole sono stati integrati all'interno di una sezione di prova di un circuito idraulico in grado di simulare il cuore sinistro e la circolazione sistemica. Il fluido di prova è stato seminato con microsfere e una telecamera ad alta velocità è stato utilizzata per acquisire immagini del fluido durante un ciclo cardiaco nei fantocci. Le traiettorie delle particelle durante il ciclo cardiaco sono state estratte con ImageJ (Fiji) e successivamente rielaborate con MATLAB per analizzare la topologia del flusso. I nostri risultati mostrano che, un flusso retrogrado si forma in prossimità della parete aortica a tarda sistole ed entra nel seno aumentando l'energia cinetica del fluido stagnante. Nel seno, l'incremento di energia cinetica è associato ad una fluidodinamica caotica e non è stato osservato nessun vortice strutturato. La geometria della radice aortica influenza la velocità e il tempo di comparsa del riflusso verso il seno e il modulo della velocità al suo interno. In conclusione, l'incremento del modulo della velocità causato dal riflusso potrebbe essere un indizio per il lavaggio del seno, ma rimane non chiaro quale geometria sia preferibile per prevenire la trombosi.