A computational framework for comparative hemodynamic and biomechanical analysis of bicuspid and tricuspid aortic valves

Congenital bicuspid aortic valve (BAV) is the most prevalent form of valvuloaortopathy, and it is associated with elevated cardiovascular morbidity. Yet, the underlying physical phenomena that drive the development of complications remain poorly understood. In this thesis, the biomechanical and hemodynamic characteristics associated with bicuspid aortic valve (BAV) disease are compared with those of the normal tricuspid aortic valve (TAV) through the development of advanced computational models. Computational simulations provide an ethically unobtrusive and cost-effective alternative to experimental methods, offering high-resolution data and controllable conditions, often challenging to achieve in experimental settings. This work aimed at developing fluid-structure interaction (FSI) models able to simulate the complex interplay between the aortic valve and blood flow in the aorta, based on the integration of computational fluid dynamics (CFD) and structural finite element (FE) analyses. The adopted computational framework involved Large Eddy Simulation (LES) for the blood flow analysis and a nearly-incompressible nonlinear hyperelastic material model for the structural analysis. The two-way strong coupling of the fluid and solid domains was handled with an adaptation of the Chimera method that implements oversetting meshes. The results of the computational analysis indicated that both the CFD and the FE simulations were in qualitative alignment with clinical observations and previous computational studies. Moreover, the findings of the CFD analyses revealed that the BAV model exhibits higher systolic jet velocities and greater flow unsteadiness compared to the TAV model. The results of the FE simulations demonstrated considerable differences in valve dynamics and stress distributions between BAV and TAV. Finally, the FSI models faced significant challenges in achieving robust fluid-structure interaction, highlighting critical limitations in the current setup configurations. Future improvements should primarily focus on the implementation of remeshing techniques and, subsequently, on enhancing mesh resolution and addressing boundary condition sensitivity.

La valvola aortica bicuspide (BAV) congenita è la forma più comune di valvulopatia, ed è associata a una maggiore morbilità cardiovascolare. Tuttavia, i fenomeni fisici che determinano lo sviluppo di complicanze rimangono ancora poco chiari. In questa tesi, le caratteristiche biomeccaniche ed emodinamiche associate alla BAV sono confrontate con quelle della normale valvola aortica tricuspide (TAV) tramite modelli computazionali avanzati. Le simulazioni computazionali offrono un'alternativa eticamente accettabile e conveniente rispetto ai metodi sperimentali, fornendo dati ad alta risoluzione e condizioni controllabili, spesso difficili da ottenere in ambito sperimentale. L'obiettivo di questo lavoro è di sviluppare modelli di interazione fluido-struttura (FSI), basati sull'integrazione tra fluidodinamica computazionale (CFD) ed elementi finiti (FE), capaci di simulare la complessa interazione tra la valvola aortica e il flusso sanguigno. La metodologia computazionale impiega un approccio Large Eddy Simulation (LES) per l'analisi del flusso sanguigno e un modello di materiale iperelastico quasi-incomprimibile per l'analisi strutturale. L'accoppiamento bidirezionale tra il dominio fluido e il dominio solido è gestito tramite un adattamento del metodo Chimera che impiega mesh sovrapposte. I risultati delle simulazioni computazionali indicano che sia i modelli CFD che quelli strutturali sono qualitativamente in linea con le osservazioni cliniche e con studi computazionali precedenti. Inoltre, i risultati delle analisi CFD rivelano che il modello bicuspide presenta velocità del getto sistolico più elevate e una maggiore instazionarietà del flusso rispetto al modello tricuspide. I risultati delle simulazioni agli elementi finiti dimostrano notevoli differenze nella dinamica della valvola e nella distribuzione degli stress tra BAV e TAV. Infine, i modelli FSI hanno incontrato difficoltà rilevanti in termini di convergenza e stabilità, mettendo in luce limitazioni significative nelle configurazioni attuali. Sviluppi futuri si dovranno focalizzare in primis sull'implementazione di tecniche di remeshing e, successivamente, sul miglioramento dell'accuratezza e sull'analisi della sensibilità rispetto alle condizioni al contorno.