A computational fluid structure interaction study of the aorta in presence of thoracic aortic aneurysm

Aortic aneurysm is one of the most serious complications regarding arteries: it consists of a vessel round dilation of at least 50% of the healthy size. It can occur in several locations and patients of all ages are at risk. Causes can be related to genetics, congenital reasons, high blood pressure, smoking habits and vascular pathologies. It is important to detect its presence soon enough to prevent negative outcomes that may derive from its growth, such as rupture or dissection, which can lead to even more serious complications and, sometimes, death. Aneurysm treatment is still challenging nowadays: minimally-invasive approached are preferred (TEVAR), but complications may arise, such as migration of the implanted endograft, due to the development of internal forces. Our work focuses on studying the thoracic aortic aneurysms, e.g. aneurysms that develop in the upper segment of the descending aorta, from the aortic arch to the diaphragm. Particularly, we investigated a healthy case and 9 pathological scenarios, differing according to two main features: location of the aneurysm along the aortic segment (proximal, central and distal) and distal tortuosity angle of it (low, moderate and high). The aim of our work is to understand whether both of them could influence the hemodynamics and particularly displacement forces, e.g. forces that arise inside the aneurysms and the landing zones in which the endograft is placed, causing its migrations and thus the implant failure. In the first phase of the thesis, we focused on the virtual reconstruction of the scenarios of interest. Starting from real data of a healthy aorta CT, provided by clinicians of Policlinico di Milano, we obtained the thoracic segment we wanted to analyze by employing specific tools. Then we virtually created the different aneurysms and distal tortuosity levels, in order to meet the criteria our work is focused on. The second phase consisted in applying to the obtained geometries numerical methods able to solve partial differential equations regarding the main physical quantities that best describe a real aortic behaviour. We chose to employ fluid structure interaction methods in order to get results regarding both the fluid domain (the blood) and the structural domain (the vessel wall). First of all, we had to generate a mesh for both domains, on which numerical simulations could be applied. Several parameters needed to be set in order to resemble a real case, such as inlet flow rate, boundary conditions and flow division among the aortic branches. During the third phase, we analyzed the results obtained from numerical simulations: we noticed that both aneurysm location and thoracic aorta distal tortuosity angle affect blood pressure, velocity, wall shear stress and Von Mises stresses acting on the vessel walls. Moreover, we focused on the analysis of displacement forces in the proximal and distal landing zones: their analysis and deeper comprehension of the obtained outcomes could lead to a better planification of TEVAR and therefore a reduction of implant failures.

L'aneurisma aortico rappresenta una tra le più serie complicazioni riguardanti le arterie: si tratta di una dilatazione sferica di un vaso sanguigno di almeno il 50% della dimensione fisiologica. Può manifestarsi in diverse ubicazioni e sono a rischio pazienti di ogni età. Le cause possono essere legate alla genetica, a fattori congeniti, ad alti valori di pressione, al vizio del fumo e a patologie vascolari. È importante rilevarne la presenza preventivamente, in modo da prevenire complicazioni che potrebbero derivare dal suo ingrossamento, come rottura o dissezione, che possono portare a complicazioni più serie e, a volte, anche alla morte. Il trattamento degli aneurismi è al giorno d'oggi ancora complicato: si preferiscono approcci mininvasivi (TEVAR), ma potrebbero sorgere delle complicazioni, come la migrazione dell'endograft impiantato, a causa dello sviluppo di forze interne. Il nostro lavoro si concentra sullo studio di aneurismi dell'aorta toracica, ossia aneurismo che si sviluppano nel segmento superiore dell'aorta discendente, a partire dall'arco aortico fino al diaframma. In particolare, abbiano analizzato un caso sano e 9 scenari patologici, che differiscono in base a due principali caratteristiche: l'ubicazione dell'aneurisma lungo il segmento aortico (prossimale, centrale e distale) e l'angolo di tortuosità distale dello stesso (basso, moderato e alto). Lo scopo del lavoro è comprendere se entrambe possano influenzare l'emodinamica e in particolare le forze di spostamento, ossia forze che si sviluppano all'interno dell'aneurisma e nelle zone di ancorraggio in cui l'endograft viene posizionato (landing zones), causando la sua migrazione e dunque il fallimento dell'impianto. Durante la prima fase della tesi, ci siamo concentrati sulla ricostruzione virtuale degli scenari di interesse. A partire da dati reali di una TAC su un'aorta sana, forniti da medici del Policlinico di Milano, abbiamo ottenuto il segmento toracico che volevamo analizzare, attraverso l'uso di strumenti specifici. In seguito abbiamo generato virtualmente i diversi aneurismi e i livelli di tortuosità distale, in modo da soddisfare le specifiche sulle quali si basa il nostro lavoro. La seconda fase prevedeva l'uso di metodi numerici sulle geometrie ottenute, in grado di risolvere equazioni differenziali alle derivate parziali riguardanti le principali grandezze fisiche che descrivono il comportamento di una aorta reale. Abbiamo scelto di utilizzare metodi di interazione fluido-struttura al fine di ottenere risultati riguardanti sia il dominio fluido (il sangue) sia il dominio strutturale (la parete del vaso). In primo luogo, abbiamo dovuto generare una mesh per entrambi i domini, sulle quali potessero essere impiegate simulazioni numeriche. Per avvicinarsi ad un caso reale, abbiamo dovuto impostare molti parametri, come il flusso in ingresso, condizioni al bordo e la suddivisione del flusso tra i rami aortici. Durante la terza fase, abbiamo analizzato i risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche: si è notato che sia l'ubicazione dell'aneurisma sia l'angolo di tortuosità distale dell'aorta toracica influencano la pressione sanguigna, la velocità, il wall shear stress e gli forzi di Von Mises nelle landing zones prossimali e distali: la loro analisi e una conseguente maggiore comprensione dei risultati ottenuti potrebbe portare ad una migliore pianificazione della TEVAR e dunque ad una riduzione di fallimenti degli impianti.