Hemodynamic changes due to valve sparing surgery in ascending thoracic aortic aneurysm correction : a tailored multi-patient analysis exploiting the coupled momentum method for fluid-solid interaction

The aim of this master thesis project is to develop a reliable model to study the hemodynamic changes induced by surgical treatment of ascending aneurysmatic aorta by means of a synthetic graft, employing the valve-sparing technique. The complications linked to untreated thoracic aortic aneurysm (TAA) represent one of the leading causes of death overall. About 60% of all the TAAs affect the aortic root or the ascending tract of the aorta. One of the main treatments involves the substitution of the aneurysmatic tract of the aorta with a synthetic graft made of Dacron fibers, which reports different mechanical properties compared to the natural vessel, inducing possible hemodynamic alteration. These alterations may lead to the development of other aortic pathologies (e.g. aortic dissection and atherosclerosis) and therefore it is important to have a tool to evaluate them in a minimally invasive way. From these considerations takes its origin this master thesis project, mainly focused on hemodynamic alterations induced in the descending tract of the aorta, which was reported to be the most critical one for the development of post-operative pathologies. In this study, five patients affected by ascending aortic aneurysm were considered. All the subjects presented a normal tricuspid aortic valve and were treated at New-York Presbyterian Hospital with the valve-sparing technique. For each pre and post-intervention configuration of each patient, a fluid-solid interaction tailored analysis was performed, exploiting SimVascular software. This software employs a new formulation for the solution of FSI problems, the Coupled Momentum Method for Fluid Solid Interaction (CMM-FSI). This formulation starts from a conventional stabilized finite element formulation for the Navier-Stokes equation in a rigid domain and modifies it in order to account for the effect of wall deformation on the fluid domain. This allows to considerably simplify the solution of the FSI problem. For each pre and post-intervention configuration of each subject, the patient-specific anatomy was reconstructed starting from MRA (magnetic resonance angiographic) images, while inlet and outlet boundary conditions were imposed extracting patient-specific velocities and flow rates from patient’s 4D-Flow data. The latter was also used for the evaluation of the model, which showed a good agreement between simulation results and 4D-Flow dataset. This FSI analysis was exploited to compare hemodynamic quantities between pre and post-intervention configuration. Given the various patients considered, a good insight into fluid dynamic changes induced by surgical graft replacement of ascending aneurysmatic aorta was given, highlighting both common patterns and differences observed among the diverse patients.

Questo lavoro di tesi ha come scopo principale quello di studiare i cambiamenti emodinamici dovuti all’impianto di un graft sintetico per il trattamento dell’aneurisma in aorta ascendente, utilizzando una tecnica che permette di mantenere la valvola del soggetto. Un aneurisma è costituito da una dilatazione del vaso, che porta ad un aumento di diametro maggiore del 150%. Le complicazioni dovute ad aneurismi dell’aorta toracica (TAA) rappresentano una delle principali cause di morte a livello mondiale. Nel 60% dei casi questa patologia interessa la radice aortica o l’aorta ascendente. Per il trattamento di questo disturbo viene solitamente impiantato un graft sintetico, costituito da fibre di Dacron. Questo materiale presenta però proprietà meccaniche molto diverse rispetto al vaso originale e può quindi produrre importanti variazioni emodinamiche, che possono portare l’aorta a sviluppare altre patologie, come ad esempio l’arteriosclerosi o la dissezione. È quindi di fondamentale importanza avere uno strumento in grado di valutare questi cambiamenti, in maniera mini-invasiva. In questo lavoro di tesi, l’attenzione è posta principalmente sulla parte discendente dell’aorta che è risultata essere quella maggiormente interessata da possibili patologie post-operatorie. In questo studio sono stati analizzati cinque diversi pazienti, tutti affetti da aneurisma del tratto ascendente dell’aorta ma dotati di una normale valvola tricuspide, che ha permesso di conservare la valvola naturale del paziente durante l’operazione. Tutti i soggetti sono stati operati al New York Presbyterian Hospital. Per ogni paziente, le situazioni pre e post-operatorie sono state studiate tramite un’analisi fluido-strutturale (FSI), sfruttando come piattaforma SimVascular. Questo software utilizza un’innovativa formulazione per la risoluzione di problemi fluido-strutturali: il Coupled Momentum Method for Fluid-Solid Interaction (CMM-FSI). Quest’ultimo parte dalla forma stabilizzata della classica equazione di Navier-Stokes applicata agli elementi finiti in un dominio rigido. Questa formulazione viene poi modificata per tenere conto dell’effetto della deformazione delle pareti sul dominio fluido, semplificando notevolmente la soluzione delle analisi fluido-strutturali. L’anatomia specifica di ogni paziente è stata ricostruita a partire dalle immagini di risonanza magnetica angiografica. Le condizioni all’ingresso e all’uscita sono invece state impostate sfruttando velocità e portate estratte dai dati 4D-Flow, disponibili per ogni paziente. I risultati ottenuti grazie al set up sperimentale che è stato sviluppato, sono stati poi confrontati con i dati di velocità estratti dal 4D-Flow, dimostrando la buona capacità del modello di riprodurre la fluido dinamica all’interno del vaso. Nella fase finale del lavoro i risultati ottenuti sono stati sfruttati per confrontare la fluidodinamica pre e post operatoria di ogni paziente. Grazie alla varietà di pazienti analizzati è stato possibile ottenere una visione piuttosto ampia sugli effetti prodotti dal trattamento dell’aneurisma dell’aorta ascendente tramite graft, evidenziando tratti comuni e differenze tra i vari soggetti considerati.