Bridging computational modelling with in-vitro and mri testing: a methodology applied to aortic annuloplasty

Aortic annuloplasty involves the implantation of a ring external to the aortic root, aiming to reduce annular dimensions and to treat conditions such as aortic valve insufficiency. To evaluate the aortic annuloplasty interventional approach, a combination of in vitro testing systems such as flow-loop test benches, and in silico analyses can effectively elucidate its effects on aortic root hemodynamics. Notably, to date, no computational model of annuloplasty for the aortic valve has been documented in the literature, highlighting a gap in current research. Similarly, the effect of aortic annuloplasty on the aortic hemodynamics is limitedly supported by experimental evidences. Contextually, this Master's Thesis aims to establish a robust integrative methodology for assessing the hemodynamic efficacy of aortic annuloplasty. This involves comparing computational analyses, based on experimental conditions tested through a flow-loop, with clinical imaging data. Once the comparison reveals alignment between results, the computational model is validated and can be used to simulate other conditions that are difficult to reproduce in vitro. Given the novelty of this investigation, a simplified but reference model, potentially 3D-printed, is developed. More in detail, a CAD model of an idealized aortic root in annuloplasty conditions was utilized to generate both a 3D-printed phantom for integration into the experimental Mock Circulatory Loop and a geometric model for fluid-structure interaction simulations. Flow and pressure data collected from the sensors in the flow-loop were then integrated into the computational model as boundary conditions to govern the simulations. The fluid velocity field of the experimental phantom was evaluated through 4D-flow MRI scans, allowing for comparison with the post-processed results of the simulation to assess the computational model of the aortic root. Building upon the methodology established with phantom models, a preclinical protocol was developed for conducting investigations using ex vivo porcine aortic roots. Data collection via sensors was implemented during experiments, along with the acquisition of 2D echographic measurements to evaluate leaflet dynamics under physiological conditions and following annuloplasty ring implantation.

La tecnica chirurgica di annuloplastica aortica consiste nell’impianto di un anello esterno alla radice aortica per ridurre le dimensioni dell’annulus aortico e trattare l’insufficienza della valvola aortica. Per valutare l'approccio interventistico dell'annuloplastica aortica, una combinazione di sistemi di test in vitro e di analisi in silico può efficacemente chiarire gli effetti dell’annuloplastica sull’emodinamica della radice aortica. Ad oggi, nessun modello computazionale di annuloplastica per la valvola aortica è stato documentato in letteratura, evidenziando una lacuna nella ricerca attuale. Inoltre, gli effetti dell’annuloplastica aortica sull’emodinamica aortica sono supportati solo in modo limitato dalle evidenze sperimentali. L’obbiettivo di questo lavoro è quello di stabilire una robusta metodologia integrativa per valutare l'efficacia emodinamica dell'annuloplastica aortica. Ciò comporta il confronto tra analisi computazionali, basate su condizioni sperimentali testate attraverso un flow-loop, con dati di imaging clinico. Una volta che il confronto rivela un allineamento tra i risultati, il modello computazionale viene convalidato e può essere utilizzato per simulare condizioni difficili da riprodurre in vitro. Tuttavia, data la novità di questa indagine, un requisito iniziale è un modello di riferimento semplificato, potenzialmente stampato in 3D. In dettaglio, è stato utilizzato un modello CAD di una radice aortica idealizzata in condizioni di post-annuloplastica per generare sia un modello stampato in 3D per l'integrazione nel flow-loop sperimentale sia un modello geometrico per le simulazioni. I dati dei sensori di flusso e pressione raccolti dal flow-loop sono stati quindi integrati nel modello computazionale come condizioni al contorno per governare le simulazioni ad interazione fluido-struttura. Il campo di velocità del fluido del modello sperimentale è stato valutato attraverso risonanza magnetica 4D-flow, consentendo il confronto con i risultati della simulazione per valutare il modello computazionale della radice aortica. Basandosi sulla metodologia stabilita con modelli stampati in 3D, è stato sviluppato un protocollo preclinico per condurre indagini utilizzando radici aortiche porcine ex vivo. La raccolta dati tramite sensori è stata implementata durante gli esperimenti, insieme all'utilizzo di misurazioni ecografiche 2D per valutare la dinamica delle valvole aortiche porcine sotto condizioni fisiologiche e dopo l'impianto dell'anello di annuloplastica.