Experimental investigation on collateral pathways and hemodynamic variations in a 3D phantom of the circle of Willis with aplastic vessels

The circle of Willis (CoW) is a complex arterial network providing blood perfusion to cerebral tissues that is found complete in 30-50% of the population. When anatomical variants, such as absent or surgically clamped vessels, are present, they can lead to undesirable flow patterns. These flow patterns can affect the brain's ability to maintain cerebral perfusion, which can ultimately result in the formation of cerebral aneurysms. The aim of this thesis is to better understand the effects of occluded or missing vessels on the hemodynamic of the CoW. To this aim, an experimental test system was developed to simulate cerebral physiological conditions using a flexible 3D patient-specific model of both complete and incomplete CoW geometries. In this study, an in-vitro test phantom made of silicone was created by making a negative from a printed plastic form. To assess the symmetrical features of the system, seven different variants were considered for each hemisphere, including a set of varying degrees of stenosis in the ICA. Volume flow rates and pressure of the afferent and efferent arteries were recorded for each case. The test phantom was subjected to sinusoidal pressure waveforms as the inlet boundary condition. The first set of experiments conducted on stenosis in ICAs showed a decrease in tBFR on both sides with increasing stenosis degree. The results indicated good symmetry between the two sides. The ipsilateral MCA was found to be the most affected vessel, as it reached critical values of flow with stenosis greater than 50%. Other cases provided further evidence of symmetry. Among the communicating arteries, the anterior communicating artery (ACoA) was found to be the most supplied in terms of flow rate. The left and right posterior communicating arteries were also found to play a fundamental role in providing an alternative pathway to help supply the anterior circulation from the vertebrobasilar system. The flow rate among ACoA, LPCoA, and RPCoA ranged from 55 to 85 ml/min across all cases. Furthermore, the experimentation on internal aplastic vessels revealed only a minor reduction in total blood flow rate, while only severe stenosis of the ICA led to a consistent reduction in total blood flow rate. These findings demonstrate the main feature of the CoW as a system providing collateral pathways for blood supply to the brain. The focus on the communicating arteries revealed a narrow range of flow rate, which is consistent with the aim of the investigation to provide an idea of the maximum capacity of these vessels to distribute blood to non-supplied vessels in aplastic conditions. Overall, these findings have the potential to provide a better foundation for future diagnostic and therapeutic applications.

Il circolo di Willis (CoW) è una rete arteriosa complessa che provvede perfusione di sangue ai tessuti cerebrali che si trova completa nel 30-50% della popolazione. Quando sono presenti varianti anatomiche, come vasi assenti o clampati chirurgicamente, possono portare a modelli di flusso indesiderati. Questi schemi di flusso possono influenzare la capacità del cervello di mantenere la perfusione cerebrale, con conseguente formazione di aneurismi cerebrali. L’obbiettivo di questa tesi è di meglio comprendere l’effetto di vasi mancanti o occlusi sulla emodinamica del CoW. Per questo scopo, è stato sviluppato un sistema di test sperimentale per simulare le condizioni fisiologiche cerebrali utilizzando un modello 3D flessibile specifico di paziente con geometrie del CoW complete e incomplete. In questo studio, è stato creato un modello in silicone, ricavando un negativo da una forma di plastica stampata. Per valutare le caratteristiche simmetriche del sistema, sono state prese in considerazione sette diverse varianti per ciascun emisfero, compresa una serie di diversi gradi di stenosi nell'ICA. Per ogni caso sono state registrate le portate e la pressione delle arterie afferenti ed efferenti. Il modello di prova è stato sottoposto a forme d'onda di pressione sinusoidale come condizione limite di ingresso. La prima serie di esperimenti condotti sulla stenosi delle ICA ha mostrato una diminuzione del tBFR su entrambi i lati con l'aumento del grado di stenosi. I risultati indicano una buona simmetria tra i due lati. L'MCA omolaterale è risultato essere il vaso più colpito, poiché ha raggiunto valori critici di flusso con stenosi superiori al 50%. Altri casi hanno fornito ulteriori prove di simmetria. Tra le arterie comunicanti, l'arteria comunicante anteriore (ACoA) è risultata la più fornita in termini di portata. Anche le arterie comunicanti posteriori destra e sinistra hanno svolto un ruolo fondamentale nel fornire un percorso alternativo per contribuire a rifornire la circolazione anteriore dalla circolazione vertebrobasilare. La velocità di flusso tra ACoA, LPCoA e RPCoA variava da 55 a 85 ml/min in tutti i casi. Inoltre, la sperimentazione sui vasi aplastici interni ha rivelato solo una riduzione minima della portata ematica totale, mentre solo la stenosi grave dell'ICA ha portato a una riduzione consistente della portata ematica totale. Questi risultati dimostrano la caratteristica principale del circolo come sistema che fornisce vie collaterali per l'apporto di sangue al cervello. L'attenzione alle arterie comunicanti ha rivelato un intervallo ristretto di portate, il che è coerente con l'obiettivo dell'indagine di fornire un'idea della capacità massima di questi vasi di distribuire il sangue ai vasi non forniti in condizioni di plasticità. Nel complesso, questi risultati hanno il potenziale per fornire una migliore base per future applicazioni diagnostiche e terapeutiche.