4D flow MRI-based non-invasive hemodynamic assessment and diagnosis in aortic coarctations

In the clinical context of aortic coarctation, non-invasive evaluation of pressure differences can improve hemodynamic assessment and diagnosis. Magnetic resonance time-resolved 3D phase contrast velocity acquisitions (4D flow) represent a recent technology capable of measuring blood flow velocities in vivo. The Poisson pressure equation, derived directly from the Navier-Stokes equations, can theoretically be used to calculate pressure differences from 4D flow data by taking advantage of the finite element method. The main objective of this work is to assess the feasibility and reliability of 4D flow-based pressure estimation in aortic coarctations. The algorithm developed in this thesis (referred to as 4DF-FEPPE) exploits the finite element method to solve the Poisson pressure equation for pressure from 4D flow velocities. In this thesis, 4DF-FEPPE was first validated against a synthetically generated 4D flow dataset obtained from a computational fluid dynamics (CFD) simulation, where CFD-derived pressure fields are taken as ground truth. Successively, 4DF-FEPPE was applied to a 4D flow dataset of a CoA patient. To validate 4DF-FEPPE pressure results two numerical simulations, accounting for vessel wall displacement, were carried out on the same patient-specific geometry. Both simulations results were first validated against raw 4D flow data in terms of flow rates and velocity color maps. Once the reliability of the simulations was assessed, 4DF-FEPPE pressure results were compared to both simulations results. To provide further validation, an in vitro experimental test bench was set up using a 3D printed model of the aorta at issue. Both in silico and in vitro trans-coarctation pressure drops were in good agreement with 4DF-FEPPE results, despite the latter required only a fraction of the time to produce pressure drop estimations. Therefore, the algorithm developed in this thesis proved to be reliable and efficient in estimating pressure drops across coarctations and enabled enhanced in vivo evaluation of cardiovascular blood flow.

Nel contesto clinico della coartazione dell'aorta, la stima non invasiva delle differenze di pressione può migliorare la valutazione emodinamica e la diagnosi della patologia. Le acquisizioni di risonanza magnetica a contrasto di fase 3D risolte nel tempo (4D flow) rappresentano una recente tecnologia in grado di misurare le velocità del flusso sanguigno in vivo. L'equazione di Poisson per la pressione, ricavata direttamente dalle equazioni di Navier-Stokes, può teoricamente essere utilizzata per calcolare le differenze di pressione dai dati di 4D flow sfruttando il metodo degli elementi finiti. L'obiettivo principale di questo lavoro è valutare la fattibilità e l'affidabilità della stima della pressione da 4D flow nelle coartazioni dell'aorta. L'algoritmo sviluppato in questa tesi (denominato 4DF-FEPPE) sfrutta il metodo degli elementi finiti per risolvere l'equazione di Poisson per la pressione partendo dalle velocità misurate dal 4D flow. In questa tesi, 4DF-FEPPE è stato validato inizialmente con un set di dati di 4D flow ricreati sinteticamente da una simulazione di fluidodinamica computazionale (CFD), dove i campi di pressione derivati ​​da CFD sono considerati come soluzione di riferimento. Successivamente, 4DF-FEPPE è stato applicato a un dataset di 4D flow di un paziente con coartazione dell'aorta. Per convalidare i risultati di pressione ottenuti con 4DF-FEPPE, sono state eseguite due simulazioni numeriche, che tengono conto dello spostamento della parete del vaso, sulla stessa geometria specifica del paziente. I risultati di entrambe le simulazioni sono stati prima validati con dati di 4D flow grezzi in termini di portate e mappe a colori di velocità. Una volta stabilita l'affidabilità delle simulazioni, i risultati di pressione di 4DF-FEPPE sono stati confrontati con i risultati delle simulazioni. Per fornire ulteriore validazione, è stato allestito un banco prova sperimentale utilizzando un modello stampato in 3D dell'aorta in questione. Sia le perdite di carico trans-coartazione ottenute in silico sia quelle ottenute in vitro sono state trovate in buon accordo con i risultati di 4DF-FEPPE, nonostante quest'ultimo richiedesse solo una frazione del tempo per produrre stime di caduta di pressione. Pertanto, l'algoritmo sviluppato in questa tesi si è dimostrato affidabile ed efficiente nella stima delle cadute di pressione attraverso le coartazioni e ha consentito una migliore valutazione in vivo del flusso sanguigno.