Fluid-structure interaction computational study of blood forces in the thoracic aorta in presence of aneurysms

Thoracic aortic aneurysm (TAA) is a significant local dilation of the lumen of the tract of aorta above the diaphragm, which almost always develops as asymptomatic, hence diagnosis takes place accidentally during imaging performed for other screening purposes. Because of the risk of devastating complications associated to TAAs, their treatment is essential to restore the features of physiological circulation. Nowadays, minimally invasive clinical approaches are preferred over traditional open repair; among such procedures, thoracic endovascular aortic repair (TEVAR) is based on the deployment of a stentgraft to exclude blood from filling the aneurysmal sac. Fixation of the device is the key to achieve the desired outcome; however, especially when the anchoring has to be performed close to the aortic arch, anatomical factors, such as curvature, as well as loads experienced by the endograft once implanted, could be responsible of TEVAR related late side effects, the most critical of which is migration. Growing clinical interest is focused on the identification of suitable parameters for predicting those complications and so avoiding secondary interventions. The aim of this work is to build a computational model based on Fluid-Structure Interaction (FSI) simulation of aortic haemodynamics in presence of TAAs in the pre-operative scenario to analyse physical quantities capable of providing valuable information on factors which are most likely to affect the optimal fixation of the stent-graft. Starting from CT data of a healthy aorta, nine virtual configurations have been generated by varying arch type, i.e. geometrical arrangement of the main aortic curvature, as well as position of the aneurysm. All the cases in exam have undergone fluid dynamics characterisation, with a peculiar focus on the analysis of the drag forces exerted mainly by blood pressure contribution. Both their magnitude and orientation, combined with an insight into structural quantities enabled by the choice of FSI numerical method, have allowed to conclude that arch type, as well as aneurysm location, can be deemed, at first approximation, as determinant parameters for predicting unwanted TEVAR related migration.

Gli aneurismi dell’aorta toracica (TAA) corrispondono ad una dilatazione del lume localizzata nel tratto del vaso sopra al diaframma; nella maggior parte dei casi non sono associati a sintomi, pertanto la diagnosi avviene nel corso di screening effettuati per altre ragioni. Dato il rischio di complicanze devastanti associate ai TAA, il trattamento è essenziale per ripristinare la circolazione fisiologica. Ad oggi, approcci clinici mininvasivi sono preferiti alla chirurgia tradizionale; tra tali procedure, il trattamento endovascolare dell’aorta toracica (TEVAR) prevede l’impiego di uno stent-graft, rilasciato a livello dell’aneurisma per escluderlo dal flusso ematico. L’ancoraggio del device è la chiave per raggiungere il risultato desiderato; tuttavia, specialmente in prossimità dell’arco aortico, fattori anatomici quali la curvatura, così come i carichi sopportati dal graft una volta impiantato, possono essere responsabili di effetti collaterali associati al TEVAR, il più critico dei quali è la migrazione. Da parte dei clinici, un’attenzione crescente è riservata all’identificazione di parametri adatti a predire tali complicazioni e quindi evitare secondi interventi. L’obiettivo di questo lavoro è sviluppare un modello computazionale basato su simulazioni di interazione fluido-struttura (FSI) dell’emodinamica aortica in presenza di TAA in un contesto preoperatorio per analizzare grandezze fisiche capaci di fornire informazioni rilevanti sui fattori che possano determinare la scelta del migliore ancoraggio dello stent. A partire da dati CT di un’aorta sana, nove configurazioni virtuali sono state generate variando il tipo di arco, ossia la diversa conformazione della principale curvatura aortica, e la posizione dell’aneurisma. Tutti i casi studiati sono stati sottoposti a una caratterizzazione fluido dinamica, con particolare attenzione alle forze di trascinamento esercitate principalmente dalla pressione sanguigna. L’intensità e la direzione di esse, insieme ad alcune grandezze strutturali prese in esame dall’FSI, hanno consentito di concludere che sia il tipo di arco sia l’ubicazione dell’aneurisma possono essere ritenuti, in prima approssimazione, fattori determinanti nel predire il rischio di migrazione associato a TEVAR.