Analisi computazionale in valvole transcatetere aortiche tramite modellazione di interazione fluido-struttura

Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is a minimally invasive intervention for the treatment of severe aortic valve stenosis and currently adopted on high surgical risk patients. Despite the obvious benefits brought, there are still many complications to be investigated, such as the possibility of structural valvular deterioration of the implanted prosthesis. In order to assist the clinicians in the decision-making phase, the aim of this work is to identify fluid-dynamic and structural indices, obtained from fluid-structure interaction (FSI) analysis on patient-specific domains, in the view of the prediction of the outcome of the implant. The patient-specific domains of four TAVI patients including aortic root, ascending aorta and related calcifications were reconstructed from CT images provided by Centro Cardiologico Monzino, while the bioprosthetic valve was modelled as a hollow cylinder placed inside the aortic root and the annulus manually traced and extruded. The domains were discretized with tetrahedral meshes. Then simulations were performed using an FSI code, prior imposition of input flow data and appropriate boundary conditions. Analysis of velocity field, transvalvular pressure drop, stresses generated within the annulus (Von Mises stresses) and wall shear stresses (WSS) on the stent-leaflets complex and aortic wall, and displacement of annulus and bioprosthesis model for the four patients were performed. The results show a significant difference regarding the WSS in the aortic wall, Von Mises stresses on annulus and the displacement of the annulus, albeit of a very small magnitude thus considered irrelevant, between the two patients in whom the bioprosthetic valve was degenerated, as compared to those in whom the implant was successful. However, the clearest discrimination can be seen by evaluating the wall shear stresses, while the other indices implement a less defined separation. Transvalvular pressure drop, shear stresses on the bioprosthesis wall and the displacement of the implanted valve have proved to be not predictive. The most promising results are therefore those observable from the representation of shear stress on the aortic wall. In fact, degenerated cases show really higher values of this parameter, as compared to the not degenerated cases, probably also due to the particular morphology of the aorta determining alteration of fluid dynamics. For these reasons, we think that those have to be considered predictive indicators of the structural valvular deterioration of the implanted prosthesis valve.

L’impianto di valvole aortiche transcatetere (TAVI, da Transcatheter Aortic Valve Implantation) è un intervento miniinvasivo per il trattamento di stenosi severe della valvola aortica e attualmente adottato su pazienti ad alto rischio chirurgico. Nonostante gli evidenti benefici apportati vi sono ancora molte complicazioni da investigare, tra cui la possibilità di deterioramento strutturale della valvola impiantata. Questo lavoro ha lo scopo di individuare indici fluidodinamici e strutturali, ottenuti da analisi di interazione fluido-struttura (FSI, da Fluid-Structure Interaction) su domini paziente-specifici, utili nel predire l’esito dell’impianto col fine di supportare i clinici durante la fase decisionale preoperatoria. I domini paziente-specifici di quattro pazienti sottoposti a TAVI che includono radice aortica, aorta ascendente e relative calcificazioni sono stati ricostruiti a partire da immagini tomografiche fornite dal Centro Cardiologico Monzino. La valvola bioprotesica è stata modellata come un cilindro cavo posizionato all’interno della radice aortica. Infine, l’annulus aortico è stato tracciato manualmente ed estruso. I domini sono stati discretizzati con mesh tetraedriche. Quindi sono state eseguite simulazioni utilizzando un codice FSI, previa imposizione di dati in ingresso relativi alla portata e opportune condizioni al contorno. È stata effettuata l’analisi del campo di velocità, della caduta di pressione transvalvolare, degli sforzi generati all’interno dell’annulus (sforzo di Von Mises), sforzi di trascinamento esercitati dal fluido (WSS, da Wall Shear Stress) sul dispositivo e sulla parete aortica, e dello spostamento di annulus e dispositivo per i quattro pazienti. I risultati mostrano una differenza significativa per quanto riguarda gli sforzi viscosi in parete aortica, gli sforzi di Von Mises sull’annulus e lo spostamento dell’annulus, seppur di entità molto piccola quindi reputato ininfluente, tra i due pazienti in cui la valvola bioprotesica è degenerata rispetto a quelli in cui l’impianto ha avuto successo. La discriminazione più netta si evince però valutando gli sforzi viscosi, mentre gli altri indici attuano una separazione meno definita. Caduta di pressione transvalvolare, sforzi viscosi sulla parete del dispositivo e spostamento del modello della valvola impiantata non risultano invece predittivi. I risultati più promettenti sono dunque quelli osservabili dalla rappresentazione di WSS e TAWSS sulla parete aortica. Infatti, i soggetti degenerati mostrano valori di tale parametro notevolmente più elevati, in confronto ai soggetti non degenerati, dovuto probabilmente anche alla particolare morfologia dell’aorta che determina una fluidodinamica alterata. Per tali ragioni riteniamo che questi siano da considerarsi indici predittivi del deterioramento strutturale della valvola bioprotesica nel lungo periodo.