The influence of the native leaflets on transcatheter aortic valve fluid dynamics : an in-vitro study investigation using 2D particle tracking velocimetry

Background: Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is a minimally invasive technique indicated for patients with severe aortic stenosis. TAVI has been performed on highsurgical risk patients and subsequently extended to intermediate-risk patients. It has been given proof that also for this enlarged cohort of patients TAVI is a valuable alternative to surgical valve replacement (SAVR) (Adams et al., 2014). Recently, trials on low-risk patients shown non-inferior or even superior short-term outcomes for all mortality causes with respect to standard SAVR (Popma et al., 2019; Mack et al., 2019; Hwang et al., 2019; Siontis et al., 2019). Nevertheless, a long term follow up has to be carried out to assess the long term outcomes. Problematics such as positional shift, mitral or aortic valve injury, atrioventricular block, prosthesis mismatch, paravalvular leaks, and thrombosis are well-known limits of this procedure that have to be further investigated (Shannon et al., 2011). When TAV is implanted, native leaflets are pushed aside, and the native sinus of Valsalva is divided into two smaller regions: a neo-sinus and a reduced-sinus. In this thesis, the fluid dynamics in the reduced-sinus and its influence on the prosthesis valve kinematics are studied in-vitro. Methods: An auto-expandable TAV from Biotronik AG, Bülach,Switzerland was implanted in phantoms mimicking the aortic root. A distensibility comparable to the one of the 60 years old population was obtained using Elastosil 601 silicone and a thickness of 2mm to cast the phantoms. A first silicone phantom featuring built-in leaflets simulated the presence of the reduced sinus while a second silicone phantom without leaflets was used as control. A mock loop was used to reproduce physiological conditions and a flow field analysis was carried out using particle tracking velocimetry (PTV). The influence of the reduced-sinus on the prosthesis valve kinematics is discussed evaluating projective orifice areas and analysing the flow field extracted with the PTV. Conclusion: Results exacerbate the literature findings (Ducci et al., 2016; Midha et al., 2017), and underline that the reduced-sinus increases the risk of stagnation and could enhance the risk of thromboembolic events.

Stato dell’arte: L’impianto valvolare aortico transcatetere in inglese transcatheter aortic valve implantation (TAVI), è una tecnica mininvasiva indicata per pazienti con stenosi aortica severa. Questa procedura è stata inizialmente usata su pazienti ad alto-rischio chirurgico e successivamente è stata estesa a pazienti con rischio intermedio. È stato dimostrato che anche per questa coorte allargata di pazienti la TAVI rappresenta una valida alternativa alla sostituzione della valvola aortica mediante chirurgia (in inglese surgical aortic valve replacement, SAVR). (Adams et al., 2014) Recenti studi condotti su pazienti a basso-rischio chirurgico hanno mostrato esiti a brevetermine non inferiori o addirittura superiori per tutte le cause di mortalità, rispetto alla SAVR che è oggigiorno la procedura standard per questa coorte di pazienti (Popma et al., 2019; Mack et al., 2019; Hwang et al., 2019; Siontis et al., 2019). Tuttavia, è necessario effettuare un monitoraggio a lungo termine e valutarne i risultati. Problemi come dislocazione della protesi valvolare, lesione alla valvola mitrale o aortica, blocco atrio-ventricolare, scelta della giusta dimensione della protesi valvolare, perdite paravalvolari e trombosi, sono ben noti limiti di questa procedura, che devono essere ulteriormente studiati. (Shannon et al., 2011). Quando la TAV viene impiantata i foglietti nativi vengono spinti in direzione radiale, verso la parete dei seni di Valsalva. Ciascun seno di Valsalva viene così diviso in due regioni più piccole: un neo-seno e un seno ridotto. In questa tesi, la fluidodinamica nel seno ridotto e la sua influenza sulla cinematica della valvola protesica sono studiate in vitro. Metodi: Una TAV autoespandibile (Biotronik AG, Bülach,Switzerland) è stato impiantata in modelli di radice aortica. Per questi modelli è stata ottenuta una distensibilità paragonabile a quella della popolazione di 60 anni, usando silicone Elastosil 601 ed uno spessore della parete dei modelli di 2 mm. Un primo modello in silicone con foglietti incorporati è stato usato per simulare la presenza del seno ridotto, mentre un secondo modello in silicone senza foglietti è stato usato come modello di controllo. Un circuito idraulico è stato utilizzato per riprodurre condizioni fisiologiche, mentre l’analisi fluidodinamica è stata effettuata utilizzando Particle Tracking Velocimetry (PTV). L’influenza del seno-ridotto sulla cinematica della valvola protesica è stata discussa valutando l’area dell’orifizio (calcolata come proiezione sul piano immagine messo a fuoco) e analizzando le velocità calcolate con PTV. Conclusioni: I risultati ottenuti confermano i risultati riportati in letteratura (Ducci et al., 2016; Midha et al., 2017) e sottolineano che il seno-ridotto aumenti il rischio di ristagno e possa aumentare il rischio di eventi tromboembolici.