Emodinamica del fegato : studio computazionale in modelli reali del distretto portale

The aim of our work is to analyse the fluid dynamics of the portal venous system, which brings blood to the liver, using computational fluid dynamics. We think that a better understanding of the fluid dynamics in the portal district can help to increase the knowledge regarding the linkage between the liver and the portal venous system and, according to medical opinions, it is useful to plan surgeries in a more efficient way. In fact, it is known that wall shear stresses (WSS) exerted by blood are connected to the liver’s regenerative power and the fluid dynamics in the portal district can influence the success of the liver’s resection. Moreover, WSS play a crucial role in vein remodelling. According to medical opinions, low WSS values are connected to the possibility of vein’s thrombosis, while high WSS values are connected to a reduction in the thickness of the vein’s wall. In the current work, we segmented 3 real patient’s geometries extracted from CT-scans provided by Policlinico G.B. Rossi in Verona using VMTK. In particular, p1 has a regular structure of the portal district, p2 has an aneurysm and a stenosis, while p3 has a stenosis that is bypassed by portal collaterals. For this reason, we analysed also a p3’s modified geometry (p3_sc) excluding the collaterals from the segmentation. Simulations were run using LifeV, a Finite Element Methods’ library, considering blood as a Newtonian fluid and vessels as rigid walls. For what concerns boundary conditions, we simulated two different scenarios: the first representing a control case, the second representing a portal hypertension case. As inlet boundary conditions we imposed different velocities according to the scenario and found in literature, while we applied a traction-free boundary condition to the outlets. The numerical results were elaborated in Paraview and Matlab. Looking at pressure, velocity and WSS fields, it was possible to understand their variations connected to particular features in the different geometries such as the presence of aneurysm and stenosis. Thanks to the collaboration of the Policlinico G.B. Rossi in Verona, it was possible to validate our results looking at some histological reports. In fact, by analyse the WSS maps and the histological analyses, we found that WSS values in the physiological range (0.1-0.6 Pa) seem to be strictly related to regions featuring no changes in the vessel structure, even if tumoral cells are present in the tissue; instead, high WSS values (WSS>0.6 Pa) seem to be related to a wall vessel’s thinning even if the tissue is healthy.

Lo scopo del presente studio è quello di analizzare la fluidodinamica all’interno del sistema venoso portale, che porta il sangue al fegato, mediante simulazioni fluidodinamiche computazionali. Si ritiene infatti che uno studio della fluidodinamica all’interno del distretto portale possa portare ad una migliore conoscenza del legame tra il fegato e il sistema venoso portale e, secondo pareri medici, ad una più efficiente pianificazione delle operazioni chirurgiche al fegato. Infatti, è risaputo che i wall shear stresses (WSS) esercitati dal sangue sono connessi alla velocità di rigenerazione del fegato e la fluidodinamica nel distretto portale può influenzare il successo di un’operazione di resezione del fegato. Inoltre, lo studio dei WSS gioca un ruolo fondamentale nel rimodellamento venoso. A tal proposito, secondo pareri medici, è importante distinguere le zone a basso WSS, dove c’è il rischio di trombosi e ad alto WSS, dove c’è il rischio di assottigliamento delle pareti endovascolari. Nel nostro studio sono state utilizzate geometrie reali da CT-scans di 3 pazienti fornite dal Policlinico G.B. Rossi di Verona. In particolare, p1 ha una struttura regolare del distretto, p2 ha una stenosi e un aneurisma, p3 ha una stenosi che è bypassata da un cavernoma portale. Per questo motivo, si è deciso di analizzare anche una geometria modificata di p3 (p3_sc) escludendo il cavernoma portale dalla segmentazione. Tutte le geometrie sono state segmentate tramite VMTK. Le simulazioni sono state effettuate con LifeV, una libreria che consente di risolvere simulazioni numeriche tramite il Metodo degli Elementi Finiti. Le simulazioni sono state condotte considerando il sangue come un fluido newtoniano e le pareti dei vasi come pareti rigide. Per quanto riguarda le condizioni al contorno, sono stati rappresentati due diversi scenari: nel primo caso si è simulata una condizione di controllo, nel secondo caso si è simulata una condizione di ipertensione portale. In inlet sono state imposte delle velocità da letteratura per simulare i due diversi casi, mentre in outlet si è deciso di applicare una trazione nulla. L’analisi dei risultati è stata condotta utilizzando Paraview e Matlab. Analizzando i risultati numerici si sono potute apprezzare le variazioni di pressioni, velocità e WSS connesse a particolari caratteristiche delle vene, come la presenza di aneurismi e stenosi. Infine, i risultati ottenuti sono stati confrontati con dei referti istologici ottenuti dal Policlinico G.B. Rossi di Verona, permettendo di validare i nostri risultati. Infatti, analizzando le mappe dei WSS e le analisi istologiche, abbiamo trovato che valori di WSS nel range fisiologico (0.1-0.6 Pa) non sembrano essere correlati ad alcun rimodellamento vascolare, nonostante la presenza di cellule tumorali; invece, alti valori di WSS (WSS>0.6 Pa) sembrano essere strettamente connessi ad un assottigliamento della parete vascolare, anche in presenza di un tessuto sano.