Blood flow in cerebral aneurysms : comparison among 4D flow guided-CDF, FSI and 3D variational data assimilation

Intracranial aneurysm (IA) rupture is the most common cause of subarachnoid hemorrhage (SAH), a life-threatening neurovascular emergency with significant mortality. Accurate hemodynamics analysis may improve IA risk assessment and treatment-planning. In this work, a novel approach combining computational fluid dynamics (CFD) and 4D flow magnetic resonance imaging (MRI) is proposed. A 3D variational data assimilation (3DVar) approach was implemented and evaluated in reconstructing blood flow in an IA model from 4D flow measurements. Together 4D flow guided-CFD and FSI simulations were carried out on the same model. The 3DVar approach proved to be efficient in reconstructing blood flow within the IA and more accurate than the CFD simulation. The 3DVar approach allowed therefore to improve the CFD accuracy in the hemodynamic analysis within the IA exploiting entirely the 4D flow measurements, with an important implication in improving the IA risk assessment.

La rottura degli aneurismi intracranici è la principale causa di emorragia subaracnoidea, un’emergenza neurovascolare con elevata mortalità. Un’accurata analisi emodinamica può migliorare la valutazione del rischio di rottura degli aneurismi intracranici e la pianificazione del loro trattamento. In questo lavoro di tesi, viene proposto un approccio innovativo che combina la fluidodinamica computazionale e la risonanza magnetica 4D flow. Un algoritmo di data assimilation (3DVar) è stato implementato, andando poi a valutare la capacità di quest’ultimo nel ricostruire il flusso sanguigno in un modello tridimensionale di un aneurisma cerebrale a partire dai dati forniti dalla risonanza magnetica 4D flow. Sullo stesso modello sono state eseguite una simulazione fluidodinamica a pareti rigide (CFD) e una a pareti deformabili (FSI), imponendo le misure di velocità fornite dalla risonanza magnetica 4D flow come condizioni al contorno. L’algoritmo di 3DVar si è dimostrato efficiente nel ricostruire il flusso sanguigno all’interno dell’aneurisma risultando più accurato della simulazione CFD. L’algoritmo qui implementato ha permesso quindi, di migliorare l’accuratezza della CFD nell’analisi emodinamica all’interno dell’aneurisma cerebrale sfruttando interamente le misure di velocità fornite dalla risonanza magnetica 4D flow, con un importante risvolto nel migliorare la valutazione del rischio di rottura degli aneurismi intracranici.