Patient-specific FSI analysis of a bicuspid aortic valve case

Bicuspid aortic valve (BAV) is the most common congenital cardiac disease with an estimated incidence among the world population that ranges from 1% up to 2%. It occurs when two of the three leaflets that constitute the healthy tricuspid aortic valve are fused together. At least one third of BAV patients develops secondary pathologies that can affect either the valve or the aorta, e.g., aortic dilation or dissection as well as calcific aortic valve disease (CAVD). Altered aortic hemodynamics, characterized by abnormal flow patterns and wall shear stresses (WSS) overloads both on aortic wall and cusps, has emerged to play a role in the pathogenesis of BAV-related complications along with genetic factors. To further investigate these hemodynamic alterations, a patient-specific fluid-structure interaction (FSI) model is herein implemented to accurately capture the valve dynamics and reliably compute the mechanical stimuli transferred by the momentum between the deforming leaflets and the blood flow in a single patient-specific anatomy. In this study, a variation of the Cut-Cell method called Sub-Grid Geometry Resolution (SGGR) which automatically adapts the Cartesian grid to the moving boundaries and allows an accurate data transfer between the fluid and the structural domain was implemented. This analysis extended in time for the same patient can be helpful to guide clinical treatments and to link the hemodynamic parameters to the progression of BAV-related diseases. Moreover, it can potentially be applied to a cohort of patients to better understand the hemodynamic etiology of BAV-related complications.

La valvola aortica bicuspide (BAV) è la patologia congenita cardiaca più diffusa, con una prevalenza nella popolazione mondiale dell'1-2%. Si presenta quando due dei tre foglietti che costituiscono la valvola tricuspide sana sono fusi assieme. Almeno un terzo dei pazienti con valvola bicuspide sviluppa patologie secondarie che possono interessare sia la valvola che l’aorta, e.g. dilatazione o dissezione dell’aorta così come calcificazioni della valvola aortica. Dall’analisi di letteratura è emerso che l’alterata emodinamica caratteristica delle BAV, caratterizzata da flussi sanguigni anomali e sovraccarichi di sforzi di taglio (WSS) sia sulla parete aortica che sui lembi valvolari, gioca, in concomitanza con fattori genetici, un ruolo significativo nella patogenesi delle complicazioni secondarie legate alla BAV. Nel presente lavoro è stato implementato un modello fluido-struttura (FSI) paziente-specifico per descrivere accuratamente la dinamica valvolare e stimare l’entità degli stimoli meccanici che nascono dall’interazione tra i lembi deformabili e il flusso sanguigno, in una singola anatomia BAV. In particolare, è stata implementata una variante del metodo Cut-Cell, chiamata Sub-Grid Geometry Resolution (SGGR), la quale adatta automaticamente la griglia cartesiana alle interfacce in movimento e permette un accurato trasferimento di dati tra il dominio fluido e quello strutturale. Questa analisi estesa nel tempo per lo stesso paziente può essere utile nel guidare le scelte cliniche e trovare un nesso tra i parametri emodinamici caratteristici del paziente e la progressione delle patologie secondarie legate alla valvola bicuspide. Potrebbe inoltre essere applicata a un gruppo di pazienti per approfondire l’origine emodinamica delle complicazioni che si sviluppano nei pazienti BAV.