Geometric and computational fluid dynamics analyses to investigate restenosis development in patient-specific stented superficial femoral arteries

Peripheral arterial disease (PAD) is the third cause of cardiovascular morbidity, following coronary artery disease and stroke. Nowadays, early stage recognition of the disease is more frequent and endovascular approaches, such as stenting, may result effective as a minimally-invasive treatment for diseased superficial femoral arteries (SFAs). Nevertheless, a common negative outcome of this procedure is in-stent restenosis (ISR). Both clinical and biomechanical factors are at the basis of the phenomenon. Indeed, among the biomechanical factors, altered hemodynamics, occurring over time after stent implantation, seem to play an important role on the lumen remodelling. Current computational tools enable the quantitation of both lumen area change and the distribution of wall shear stress (WSS) and derived quantities by means of patient-specific vessel geometry 3D reconstructions and the execution of computational fluid dynamics (CFD) simulations. In this context, the aim of this thesis are to analyse in terms of geometric and hemodynamic descriptors the temporal evolution of ISR in patient-specific stented SFAs along different follow-ups, namely 1-week (1W), 1-month (1M), 6-months (6M) and 1-year (1Y). In order to do that, 3D vessel reconstructions, starting from patients’ computed tomography (CT) images, were performed, patient-specific CFD simulations were set and results relative to the stented portion were post-processed in terms of lumen area change and near-wall descriptors, at all the available follow-ups. In the end, statistical analyses, first only regarding the vessel geometry, subsequently, only regarding vessel hemodynamics and, finally, regarding the combination of geometric and hemodynamic descriptors were performed both at an individual level (i.e. by considering each follow-up of a single patient) and at a global level (i.e. by considering one representative point for each patient or by collecting all the cases’ points in a unique dataset). The most critical post-operative time interval resulted to be the 1W-1M one, in the sense that only modest SFA lumen cross-sectional area and near-wall hemodynamic descriptors changes occurred after 1M follow-up. Moreover, in the 1W-1M interval, the correlation between hemodynamic variables and respective vessel lumen area change was stronger than in any other post-operative time interval.

La arteriopatia periferica, dall’inglese peripheral arterial disease (PAD), è la terza causa di malattia cardiovascolare, preceduta dalla patologia delle arterie coronarie e dall’infarto. Oggi giorno, il riconoscimento della patologia ad uno stadio iniziale è più frequente e l’approccio endovascolare mini-invasivo, come l’impianto di uno stent, può risultare efficace nel trattamento delle arterie femorali superficiali (SFA, dall’inglese superficial femoral artery). Tuttavia, uno dei principali eventi avversi del trattamento con stent è la ristenosi (ISR, dall’inglese in-stent restenosis). Alla base di questo fenomeno vi sono sia fattori clinici che biomeccanici. In particolare, tra i fattori biomeccanici, l’alterazione dell’emodinamica a seguito dell’impianto del dispositivo sembra svolgere un ruolo rilevante nel rimodellamento del lume. Gli odierni strumenti computazionali permettono la quantificazione locale sia del rimodellamento del vaso, sia della distribuzione degli sforzi di taglio (WSS, dall’inglese wall shear stress), ottenibili tramite la ricostruzione della geometria dell’arteria e simulazioni fluidodinamiche computazionali (CFD, dall’inglese computational fluid dynamics) paziente-specifiche. In questo contesto, l’obiettivo di questa tesi è quello di analizzare la progressione della ISR in SFA paziente-specifiche stentate, considerando sia le variazioni geometriche che emodinamiche a diversi follow-up post-operatori, ovvero 1-settimana (1W, 1-week), 1-mese (1M, 1-month), 6-mesi (6M, 6-months) e 1-anno (1Y, 1-year). Per raggiungere questo obiettivo, sono state effettuate le ricostruzioni 3D dei vasi, partendo dalle immagini TAC dei pazienti, sono state impostate simulazioni CFD paziente-specifiche e i risultati relativi alla porzione stentata sono stati post-elaborati per tutti i follow-up disponibili, in termini di variazione dell’area del lume e di quantità emodinamiche vicine alla parete. Infine, sono state effettuate analisi statistiche nelle quali, in primo momento, la variazione dell’area del lume e il comportamento emodinamico sono stati studiati separatamente e, solo successivamente, combinati. Le analisi sono state effettuate sia a livello individuale (cioè considerando ogni follow-up di ciascun paziente), sia a livello globale (cioè considerando una misura significativa per ogni paziente o raccogliendo tutti i risultati relativi ai pazienti in un unico dataset). L’intervallo post-operatorio più critico è risultato quello tra 1W-1M, nel senso che le variazioni dell’area delle sezioni trasversali del lume della SFA e dei descrittori emodinamici sono modeste dopo il follow-up a 1M. Inoltre, nell’intervallo 1W-1M, la correlazione tra variabili emodinamiche e corrispondenti variazioni dell’area del lume è risultata più forte che in qualsiasi altro intervallo post-operatorio.