Intraluminal thrombus growth rate in abdominal aortic aneurysm : image-based analysis from computational fluid dynamics

Background and purpose: The Intraluminal Thrombus (ILT) is present in the 80% of Abdominal Aortic Aneurysm (AAA). Its size and morphology is different from patient to patient . The thrombus deposition has been correlated with aneurysm rupture, wall hypoxia, inflammation, weakening and compliance reduction of the vessels. On the other side, it seems to reduce the wall shear stress and the peak wall stress acting on the vessels. The idea of development of thrombus as a combination of biological, chemical and hemodynamic factors took over in the years. The purpose of this thesis is to quantitatively analyse some hemodynamic factors obtained by computational experiments and try to find qualitative correlations with ILT growth estimated by clinical images in follow up cases of three patients. Material and Methods: Computer tomography images of three patient were acquired during their follow-up, thanks to the collaboration with IRCSS Ca’ Granda and Ospedale Maggiore Policlinico (Milan). Geometric reconstruction and meshes of the abdominal aortic aneurysm and thrombus were performed. Computational Fluid Dynamics simulations were computed using LifeV open libraries, modelling blood as a Newtonian fluid, laminar flow and rigid walls. Biomechanical factors such as Wall Shear Stress, Oscillating Stress Index, Time Average Wall Shear Stress, vorticity were analysed. Results: In all the cases regions of high WSS were presented in region of flow impact, and regions of low WSS were located in zones where there was ILT development. The two regions were connected by vortexes. The TAWSS values were 0.1-0.3 Pa in the ILT accumulation zones, expect for Patient III. The OSI values were very low, with value lower than 0.3, in the thrombus zones. Conclusion: The results are in accordance with thesis presented by Biasetti et al. “Hemodynamics of the Normal Aorta Compared to Fusiform and Saccular Abdominal Aneursym with emphasis on a potential thrombus formation mechanism”. Annals of Biomedical Engineering (2009) that qualitatively described the two steps process: the platelets activation in region of high stress and their transportation to regions of low WSS mediated by the creation of vortexes in the mid-time deceleration. The region of low WSS were located in correspondence of ILT accumulation. The behaviour of OSI and TAWSS increases the truthfulness of the theory with coherence to the Arzani et al. theory “A longitudinal comparison of hemodynamics and intraluminal thrombus deposition in abdominal aortic aneurysm” (2014). The American Physiological Society.

Introduzione e obbiettivo: La presenza di Trombo Intraluminale (ILT) si riscontra nel 80% dei pazienti con Aneurisma della Aorta Addominale (AAA). La morfologia e la grandezza del trombo differiscono a seconda del paziente. I suoi vantaggi/svantaggi sono dibattuti. In alcun casi è stato dimostrato provochi ipossia, infiammazione, riduzione della compliance vascolare. Dall’altra parte, sembra ridurre lo stress alle pareti. La letteratura descrive la formazione del trombo come combinazione di fattori biologici, chimici e emodinamici. Lo scopo di questa tesi è quella di analizzare quantitativamente i fattori emodinamici, derivanti da simulazioni su modelli ricostruiti da immagini TAC, e tenendo conto delle letteratura scientifica, comparare qualitativamente la crescita del trombo durante i follow up di tre diversi pazienti. Materiali e Metodi: Le immagini di tre pazienti durante il loro follow up sono state raccolte, grazie alla collaborazione con IRCSS Ca’ Granda e l’Ospedale Maggiore Policlinico di Milano. La ricostruzione delle geometrie e la generazione delle mesh dell’aneurisma e del trombo sono state effettuate grazie all’utilizzo del software VMTK. Le simulazioni fluidodinamiche sono state realizzate grazie alla libreria di LifeV. Il sangue è stato assunto come fluido newtoniano, il flusso laminare e le pareti dei vasi come rigide. I fattori biomeccanici analizzati, sono stati Wall Shear Stress (WSS), Oscillating Stress Index (OSI), Time Average Wall Shear Stress (TAWSS) e la vorticity. Risultati: In tutti e tre i casi vengono individuate regioni ad alto WSS, nella zona di impatto del flusso sanguigno e regioni a basso WSS (0 Pa) dove si riscontra trombo. Le due regioni sono connesse attraverso vortici. I valori di TAWSS sono fra 0.1-0.3 Pa, dove si ha ILT, eccetto nel Paziente III dove i valori aumentano. L’OSI presenta valori molto bassi. Conclusioni: I risultati sono in accordo con la tesi di Bisetti et al. “Hemodynamics of the Normal Aorta Compared to Fusiform and Saccular Abdominal Aneursym with emphasis on a potential thrombus formation mechanism”. Annals of Biomedical Engineering (2009),che descrive la formazione dell’ILT come attivazione piastrinica in regioni di alto WSS e il trasporto delle stesse verso regioni di basso WSS mediato da vortici. Basso WSS si ha in corrispondenza di zone di crescita del trombo. TAWSS e OSI sono in accordo con la teoria di Arzani et al “A longitudinal comparison of hemodynamics and intraluminal thrombus deposition in abdominal aortic aneurysm” (2014). The American Physiological Society.