Modello computazionale di interazione fluido-struttura per l'analisi della degenerazione di impianti TAVI

Purpose - The Transcatheter Aortic Valve Implantation (TAVI) is a minimally invasive aortic valve replacement surgery for the treatment of severe stenosis, mainly adopted on patients with high surgical risk, but increasingly extended to younger and lower-risk subjects as well. Despite its advantages over the invasive technique (Surgical Aortic Valve Replacement - SAVR), there are complications that need to be investigated, including long-term degeneration due to structural deterioration of the implanted valve. This thesis aims to propose fluid dynamic or structural indices that, from FSI (Fluid Structure Interaction) simulations of virtual postoperative scenarios, can predict the outcome of implantation, supporting the clinician in the decision-making process. Methods - Patient-specific domains were reconstructed from CT images provided by Centro Cardiologico Monzino and they include the aortic root, the ascending aorta and the related calcifications. The device (stent and leaflets) was modeled to mimic the Sapien XT valve (Edwards LifeSciences). Finally, FSI simulations were performed after imposing in this virtual post-operative scenario appropriate boundary conditions and input data with the aim of discriminating between degenerate and non-degenerate cases. Results - Some hemodynamics and structural quantities were analyzed. The results show a significant difference between degenerate and non-degenerate patients, except for the structural indices (displacements, strains and stresses), which are not predictive. Conclusions - The most promising results can be observed from the representation of the Wall Shear Stress (WSS), Time Averaged Wall Shear Stress (TAWSS), Oscillatory Shear Index (OSI), Volume Fraction (as the ratio of the vortex volume to the aortic root volume) and the Turbolent Viscosity in the aortic root section. Indeed, degenerate subjects, show different values and patterns of these parameters with respect to nondegenerate subjects. Therefore, these indices, are proposed as predictive of structural deterioration of the bioprosthetic valve in the long term.

Obiettivo - La Transcatheter Aortic Valve Implantation (TAVI) è un intervento di sostituzione di valvola aortica mininvasivo per il trattamento di stenosi severa, ad oggi adottato su pazienti ad alto rischio chirurgico, ma sempre più esteso anche a soggetti giovani e a basso rischio. Nonostante i vantaggi rispetto alla tecnica invasiva (Surgical Aortic Valve Replacement), vi sono ancora complicazioni da investigare, tra cui la degenerazione nel lungo periodo dovuta a deterioramento strutturale della valvola impiantata. Questa tesi ha lo scopo di proporre indici fluidodinamici o strutturali che, a partire da simulazioni FSI (Fluid Structure Interaction) di scenari virtuali post-operatori, siano in grado di predire l’esito dell’impianto, supportando il clinico in fase decisionale. Metodi - I domini paziente-specifici sono stati ricostruiti a partire da immagini CT fornite dal Centro Cardiologico Monzino ed includono radice aortica, aorta ascendente e relative calcificazioni. Il device (stent e foglietti) è stato modellato per riprodurre la valvola Sapien XT (Edwards LifeSciences). Infine, sono state eseguite simulazioni FSI dello scenario postoperatorio, previa imposizione di opportune condizioni al contorno e dati in ingresso con l’obiettivo di discriminare tra casi degenerati e non degenerati. Risultati - Sono state analizzate alcune quantità emodinamiche e strutturali. I risultati mostrano una differenza significativa tra pazienti degenerati e non, ad esclusione degli indici strutturali (spostamento, deformazioni e sforzi), che non risultano predittivi. Conclusioni - I risultati più promettenti sono quelli osservabili dalla rappresentazione del Wall Shear Stress (WSS), Time Averaged Wall Shear Stress (TAWSS), Oscillatory Shear Index (OSI), Volume Fraction (rapporto tra il volume dei vortici ed il volume della radice aortica) e la Viscostà Turbolenta nella sezione relativa alla radice aortica. Infatti, i soggetti degenerati, mostrano valori e pattern di tali parametri differenti rispetto ai non degenerati. Perciò, tali indici, sono proposti come predittivi del deterioramento strutturale della valvola bioprotesica nel lungo periodo.