Fluid-structure interaction computational study in thoracic aortic aneurysm scenarios

Aneurysms are pathological dilations of human blood vessels that can develop in different regions of the vasculature. This thesis work investigates thoracic aortic aneurysms (TAAs) located in the descending aorta: a condition associated with extremely high risks for patients. Although initially they are asymptomatic, TAAs can lead to complications over time, such as blood clots formation or rupture of the aortic wall. The most advanced treatment for TAAs is thoracic endovascular aortic repair (TEVAR), a minimally invasive surgical procedure that consists in inserting a stent-graft into the portion of the aorta where the aneurysm is situated. This way, the vessel can recover its healthy diameter and the dilation is excluded from blood flow. In this computational work, different types of aortic arches and positions of thoracic aneurysms are studied, comparing each pathological scenario with a healthy configuration. Virtually manipulated patient-specific aortic geometries are generated and taken as input to carry out Fluid-Structure Interaction (FSI) numerical simulations of TAAs; this modelling approach allows for a study of both haemodynamics and aortic wall mechanics. Particular emphasis is placed on wall shear stress and turbulence-related quantities in the dilation, as well as Von Mises stress characterizing the vessel's wall. This provides insight on possible atherosclerotic plaque formation, further dilation of the aneurysm and eventual rupture. Moreover, drag forces acting on the wall, result of the blood pressure in the vessel, are evaluated in order to establish which landing zone could be optimal for TEVAR sealing. The purpose of this work is to quantitatively describe thoracic aortic aneurysm scenarios and provide a comprehensive view of such clinical pathology.

Gli aneurismi sono dilatazioni patologiche dei vasi sanguigni che possono svilupparsi in diverse regioni del sistema vascolare. Questo lavoro studia gli aneurismi dell'aorta toracica (TAA) situati in aorta discendente, condizione associata ad elevati rischi per il paziente. Nonostante siano inizialmente asintomatici, i TAA possono, col tempo, portare a complicazioni quali la formazione di coaguli o la rottura della parete aortica. Il trattamento più avanzato per i TAA è la riparazione aortica endovascolare toracica (TEVAR): si tratta di una procedura chirurgica mininvasiva che consiste nell'inserimento di uno stent-graft nella regione di aorta in cui è localizzato l'aneurisma. In questo modo viene ripristinato il diametro originale del vaso e la dilatazione viene esclusa dal passaggio del sangue. In questo lavoro computazionale viene proposto uno studio di diversi tipi di arco aortico e diverse posizioni degli aneurismi toracici, comparando ogni configurazione patologica con una sana. Prendendo come input alcune geometrie aortiche paziente-specifiche manipolate virtualmente, vengono eseguite simulazioni numeriche di Interazione Fluido-Struttura (FSI) su TAA; questo approccio consente di studiare sia la fluidodinamica del sangue, sia la meccanica della parete arteriosa. Un interesse particolare è rivolto allo sforzo di taglio sulla parete, alle quantità correlate alla turbolenza nella dilatazione e agli sforzi di Von Mises che agiscono sul vaso. Questi consentono di acquisire informazioni sulla potenziale formazione di placche aterosclerotiche, su ulteriori dilatazioni dell'aneurisma e su un'eventuale rottura. Inoltre, le forze di trascinamento che agiscono sulle pareti, frutto della pressione sanguigna nel vaso, vengono esaminate al fine di stabilire quale landing zone possa essere ottimale per l'ancoraggio del TEVAR. L'obiettivo di questo lavoro è descrivere quantitativamente alcuni casi di aneurisma dell'aorta toracica e fornire una visione complessiva di tale patologia clinica.