Computational analysis of ascending thoracic aortic aneurysm and aortic root aneurysm

The aortic aneurysm is an abnormal dilatation of the aorta and may involve any aortic segment, from the aortic root to the abdominal aorta. If untreated, acute complications (i.e. dissection) or even death can occur. Currently, rupture risk is evaluated by measuring the aneurysm diameter. Although aneurysm diameter is an important determinant, complications may occur in individuals with aortic aneurysms below the diameter criteria for repairing surgery (≥55mm). Conversely, not all patients with aneurysms exceeding size criteria for surgery present complications. Therefore, novel approaches to better identify patients at increased risk for aneurysm expansion, rupture or dissection are needed. Previous studies have found a relation with hemodynamic factors, such as pressure and stress, and mechanical properties of the vessel, such as elasticity. The current project aims to apply patient-specific computational modelling to derive hemodynamic and wall mechanics descriptors in ascending aortic and aortic root aneurysms. From these computational simulations, a variety of parameters can be extracted such as Wall Stress (WS), Wall Shear Stress (WSS) -maximum and time-averaged (TAWSS) - and Helical Flow Index (HFI). These parameters are fundamental to identify pathological disturbances leading to vessel dilatation, and aneurysm growth and dissection. Computational results have been compared with histologies and mechanical tests results (uniaxial and peeling), which were executed on patient-matched tissue samples. Results show that elevated peak WSS is associated with localized alterations in wall material properties and extracellular matrix composition.

L’aneurisma del tratto aortico è un rigonfiamento della parete sanguigna che può coinvolgere diversi segmenti del vaso dalla radice aortica fino all’aorta discendente. Se non correttamente trattato, questo può sfociare in dissezione della parete aortica e nei casi più gravi, può portare alla rottura della parete del vaso con conseguente decesso del paziente. Attualmente il rischio di rottura dell’aneurisma viene valutato tramite la misura del diametro dell’aneurisma. Sebbene questo sia un indice importante, le complicazioni possono insorgere in pazienti con un diametro inferiore a quello previsto dai criteri di intervento (≥55mm). Al contrario, è possibile che non si verifichino complicazioni nonostante il diametro del vaso del paziente sia ben oltre la soglia prestabilita. E’ quindi importante sviluppare un nuovo approccio per identificare i pazienti più a rischio. Diversi studi hanno dimostrato come esista una forte correlazione con la progressione della patologia e i fattori emodinamici, come la pressione e lo sforzo, e le proprietà del vaso, come l’elasticità. Pertanto, l’obiettivo di questo progetto è quello di applicare un modello computazionale paziente-specifico per derivare fattori emodinamici e le proprietà meccaniche della parete del tratto aortico ascendente e della radice aortica di soggetti affetti da aneurisma. Da tale modello è possibile calcolare diversi parametri come Wall Stress (WS), Wall Shear Stress (WSS) -massimo e mediato nel tempo (TAWSS)- e Helical Flow Index (HFI). Tali parametri sono fondamentali per identificare possibili disturbi che possano favorire la dilatazione del vaso, la crescita dell’aneurisma e la sua dissezione. I risultati delle analisi computazionali sono stati confrontati con le istologie e i risultati dei test meccanici (peeling e uniassiali) eseguiti sul tessuto degli stessi pazienti. Dai risultati è emerso che elevati picchi di WSS sono associati con la locale alterazione sia delle proprietà del materiale sia della composizione della matrice extracellulare.