Influence of aortic arch type on aortic fluid dynamics: an in vivo quantitative analysis based on 4D Flow MRI

Emerging evidence from the clinical literature suggests a potential role for specific aortic geometric features in the development of thoracic aortic disease, e.g., aortic dissection. Specifically, type III aortic arch is characterized by greater angulation, tortuosity and elongation if compared to type I and type II arch configurations, and it has already demonstrated to be associated with an increased prevalence of aortic dissection. Under the hypothesis that aortic bulk flow derangements can be secondary to the aortic arch morphology, the present thesis aimed to assess in vivo whether the specific arch type, in particular type III, configures a consistent and distinctive hemodynamic pattern. Accordingly, the hemodynamic behavior in the thoracic aorta was assessed in vivo employing time-resolved three-directional velocity-encoded magnetic resonance imaging, i.e., 4D Flow MRI, thus bypassing computational fluid dynamics. 4D Flow MRI was acquired on three cohorts of patients, one for each arch type, to quantitatively assess global and regional aortic hemodynamics in terms of kinetic energy, viscous energy loss, local normalized helicity, forward and reverse flow, flow displacement and flow jet angle, pressure gradients and flow stasis. To do so, a previous Matlab tool was further developed to improve the segmentation of the thoracic aorta and automatize the extraction of the hemodynamic parameters. All the considered 4D Flow MRI datasets were successfully analyzed, requiring less than an hour for each dataset. The hemodynamic results revealed statistical significant differences among the different aortic zones within the same arch type, but only minor differences among the different arch types. Nonetheless, in arch type III, a local persistence of reverse flow was noted close to the aortic isthmus, which frequently represents the region of primary entry tear for type B aortic dissection.

Evidenze emergenti dalla letteratura clinica suggeriscono che specifiche caratteristiche geometriche dell’aorta possano potenzialmente ricoprire un ruolo nell’insorgenza di patologie dell’aorta toracica, come, ad esempio, la dissezione aortica. In particolare, l’arco aortico di tipo III è caratterizzato da una angolazione, tortuosità e allungamento maggiori rispetto agli archi di tipo I e di tipo II, ed è già stato dimostrato essere associato a una aumentata prevalenza di dissezione. Sotto l’ipotesi che le alterazioni del flusso aortico possano essere secondarie alla morfologia dell’arco, la presente tesi mira a valutare in vivo se lo specifico tipo di arco (in particolare quello di tipo III) presenti un pattern emodinamico distintivo. Di conseguenza, è stato analizzato in vivo il comportamento emodinamico del flusso nell’ aorta toracica utilizzando la risonanza magnetica 4D Flow (4D Flow MRI), bypassando quindi la fluidodinamica computazionale. Le immagini di 4D Flow MRI sono state acquisite su tre coorti di pazienti, una per ogni tipo di arco, per valutare quantitativamente l’emodinamica globale e regionale in termini di energia cinetica, dissipazione viscosa, local normalized helicity, flusso anterogrado e retrogrado, flow displacement e flow jet angle, gradienti di pressione, velocità dell’onda di pressione e stasi del flusso. Per fare ciò, è stato ulteriormente sviluppato su Matlab un tool già esistente per migliorare la segmentazione dell’aorta toracica e automatizzare l’estrazione dei parametri emodinamici. Tutti i dataset 4D Flow MRI sono stati analizzati con successo, richiedendo meno di un’ora per ogni dataset. I risultati emodinamici hanno rivelato differenze statisticamente significative tra le diverse regioni dell’aorta all’interno dello stesso tipo di arco, ma solamente differenze minori tra i diversi tipi. Tuttavia, nell’arco di tipo III, è stata notata una locale persistenza di flusso retrogrado nella zona dell’istmo aortico, la quale rappresenta spesso la regione primaria di inizio della lesione nel caso di dissezione aortica di tipo B.