A fluid-structure interaction patient-specific computational methodology to study aortic roots with native calcified valves

Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is a minimally invasive treatment for patients with aortic stenosis. Imaging techniques, biomechanics and numerical simulations are powerful tools to investigate this new procedure, since long-term risks of TAVI and prosthesis durability are still unknown. In this study a fluid-structure simulation (FSI) was carried out, combining structural and fluid dynamics aspects. The aim of this work was the development of a patient-specific FSI model to reproduce the pathological condition of seven patients before TAVI. Patient-specific data were collected from computed tomography, Doppler and pressure curves measurements and provided by the Humanitas hospital of Rozzano (Milan). The FSI model predicted a maximum velocity compatible with Doppler measurements. The annulus diameter measured on the model was comparable to the clinical data, except for a patient because of low resolution of CT images. Peak values of stress and strain on the inner aortic wall were found near commissures and in the curvature region of the aorta during systole because the aortic root dilates, especially in these points. Regarding leaflets, stress and strain distribution was not uniform due to anatomical asymmetry, size and shape. Nevertheless, peak values were found near commissures, attachments edges and free margins. The model represents the first step for further studies in which the prosthesis deployment could be simulated within the aorta. This will allow to evaluate long terms risks and to choose the best positioning and prosthesis features for the specific patient. Other studies have to be done in order to achieve a better knowledge on TAVI and the development of FSI patient-specific can be used as a support for clinical decisions before the implantation.

L’impianto di valvola aortica transcatetere (TAVI) è una procedura mininvasiva per pazienti affetti da stenosi aortica. Le immagini diagnostiche, la biomeccanica e le simulazioni numeriche rappresentano dei potenti strumenti per lo studio di questa nuova tecnica chirurgica che presenta ad oggi rischi a lungo termine. In questo studio sono state effettuate simulazioni fluido-strutturali, permettendo sia l’analisi di sforzi e deformazioni ma anche la fluidodinamica del sangue. L’obiettivo di questo lavoro è stato lo sviluppo di un modello paziente-specifico per riprodurre la condizione patologica di sette pazienti prima di essere sottoposti alla procedura TAVI. I dati di ciascun paziente sono stati forniti dall’ospedale Humanitas di Rozzano (Milano) sottoforma di immagini di tomografia computerizzata, Doppler e curve di pressione. Il modello fluido-strutturale ha predetto un valore di velocità massima in accordo con le informazioni fornite dal Doppler. Il diametro dell’annulus valvolare è stato calcolato sul modello ricostruito ed è risultato essere coerente con le misurazioni cliniche, ad eccezione di un paziente a causa della bassa risoluzione delle immagini della tomografia computerizzata. I valori di picco di sforzo e deformazione sulla parete dell’aorta sono stati osservati in prossimità della zona delle commissure e della curvatura dell’aorta. Tali regioni, infatti, durante la fase di sistole sono soggette a dilatazione. Per quanto riguarda i foglietti valvolari, la distribuzione di sforzo e deformazione non è risultata essere uniforme a causa della fisiologica asimmetria anatomica e diversa dimensione e forma. Tuttavia, i valori di picco si sono concentrati nella zona delle commissure, nei punti di attacco alla parete dell’aorta e in prossimità del margine libero. Il modello rappresenta il primo passo per studi successivi nei quali potrebbe essere simulato il rilascio della protesi nell’aorta. Ciò permetterebbe di valutare i rischi a lungo termine e aiutare i chirurghi a scegliere la migliore posizione dell’impianto e il tipo di protesi più adatta al singolo paziente. Altri studi devono essere ancora condotti per avere piena conoscenza della procedura TAVI e lo sviluppo di modelli paziente-specifico può rappresentare un concreto supporto per le decisioni cliniche prima di un impianto.