A patient-specific 4Dflow-based FSI model of ascending thoracic aortic aneurysm grafting: impact of different graft lengths on the native aorta

Surgical prosthetic graft implantation is a life-saving procedure for treating ascending thoracic aortic aneurysms (aTAA), known for its high safety and low complication rates. However, it can cause lasting changes to the biomechanics and hemodynamics of the non-grafted distal aorta, potentially leading to adverse events such as aneurysms and dissections. This master thesis project, conducted in collaboration with cardiologists at Weill Cornell Medicine/New York Presbyterian Hospital, introduces a patient-specific Fluid-Structure Interaction (FSI) model to analyze the hemodynamic and biomechanical effects of aTAA replacement with different vascular graft lengths. Utilizing the CMM-FSI numerical framework, the study addresses the limitations of previous methods by incorporating patient-specific boundary conditions to improve model accuracy. Three-dimensional pre- and post-operative geometries were reconstructed from retrospectively collected medical imaging data, consisting of MRI including MRA and 4Dflow sequences. The research aims to enhance surgical planning and patient outcomes by assessing how varying graft lengths impact critical hemodynamic parameters such as wall shear stress (WSS), time-averaged wall shear stress (TAWSS), oscillatory shear index (OSI), and strain. The model was validated against clinical data and 4D flow acquisitions, demonstrating good agreement and ensuring reliable reproduction of in vivo conditions. The findings reveal that graft length substantially impacts all biomarkers in the proximal descending aorta. Alternative longer grafts were shown to redistribute these forces more uniformly, potentially reducing adverse remodeling in non-grafted regions. However, a slight increase in WSS and TAWSS in the proximal descending aorta highlights the importance of carefully selecting graft length to balance hemodynamic stress and achieve optimal surgical outcomes. By analyzing three patient cases, this research demonstrates the robustness of the FSI framework and its potential to provide valuable insights into graft-induced biomechanical changes, laying the groundwork for future studies aimed at improving surgical strategies and patient care through personalized vascular prosthesis design.

L’impianto chirurgico di un dispositivo protesico vascolare è una procedura salvavita per il trattamento dell’aneurisma dell'aorta toracica ascendente, noto per la sua elevata sicurezza e bassa incidenza di gravi complicazioni post-operatorie. Tuttavia, può causare alterazioni permanenti nella biomeccanica e nell'emodinamica dell'aorta discendente, potenzialmente portando a eventi avversi come aneurismi e dissezioni. Questo progetto di tesi di laurea magistrale, svolto in collaborazione con i cardiologi della Weill Cornell Medicine, introduce un modello di interazione fluido-struttura specifico per il paziente per analizzare gli effetti emodinamici e biomeccanici della sostituzione dell'aorta toracica ascendente aneurismatica con dispositivo protesico vascolare di diversa lunghezza. Utilizzando modellazione fluido-struttura (coupled momentum method for fluid-structure interaction), lo studio affronta i limiti dei metodi precedenti incorporando condizioni al contorno specifiche del paziente per migliorare l'accuratezza del modello. I modelli geometrici tridimensionali pre- e post-operatori sono stati ricostruiti a partire dall’elaborazione di dati e immagini mediche (MRA e 4D flow). La ricerca mira a migliorare la pianificazione chirurgica e i risultati per i pazienti valutando come le diverse lunghezze del graft influenzino parametri fluidodinamici (WSS, TAWSS, OSI) e strutturali (deformazioni). Il modello è stato validato confrontandolo quantitativamente con dati clinici e acquisizioni 4D flow, dimostrando un buon accordo e garantendo una riproduzione affidabile delle condizioni in vivo. I risultati hanno rivelato che l'intervento chirurgico influisce significativamente sui parametri fluidodinamici e strutturali dell'aorta discendente prossimale. Graft alternativi più lunghi hanno mostrato di redistribuire queste forze in modo più uniforme, potenzialmente riducendo potenziali avventi avversi nelle regioni distali, sebbene con un leggero aumento di WSS e TAWSS nell'intradosso dell'aorta discendente prossimale. Questo studio sottolinea l'importanza di una selezione accurata della lunghezza del graft per bilanciare lo stress emodinamico e ottenere risultati chirurgici favorevoli. Analizzando tre diversi pazienti, questa ricerca dimostra la robustezza della modella fluido-struttura e il suo potenziale per fornire preziose intuizioni sui cambiamenti biomeccanici indotti dal dispositivo protesico, ponendo le basi per studi futuri mirati a migliorare le strategie chirurgiche e la cura del paziente attraverso la progettazione di protesi vascolari personalizzate.