Image-based computational fluid dynamics to assess the effect of aortic arch morphology on cardiogenic embolic transport to the brain

Ischaemic cerebrovascular adverse events, e.g, following transcatheter AV implantation (TAVI), represent a significant clinical risk for major and disabling complications such as stroke due to embolization of particles, with different size and density, through the aortic arch to cerebral vessels. While the causes of ischaemia in TAVI patients have been extensively studied, the influence of aortic arch morphology on embolic pathways remains underexplored. To address this knowledge gap, this work investigates the relationship between aortic arch anatomy and embolic transport to supra-aortic branches, namely the brachiocephalic artery (BCA), the left common carotid artery (LCC) and the left subclavian artery (LSA). Computational fluid dynamics (CFD) analysis was complemented by particle tracking (PT) post-processing to model aortic bulk flow and characterize the debris embolization pathways in three patients with different types (I, II and III) of aortic arch. Patient-specific CFD simulations were run in SimVascular using BCs derived from three dimensional time-resolved magnetic resonance imaging (4D Flow MRI) and assuming aortic rigid wall. Potential debris embolization pathways were predicted using FlowVC to track Lagrangian spherical particles, also varying their diameter and density. Reliability of CFD analysis was validated against 4D Flow ground-truth data of bulk flow velocity in the aortic arch. PT results highlighted that large particles (around 4 mm) predominantly reached the descending aorta (DAo), generally exceeding 80 % of the overall particle distribution, while small particles ( < 1 mm) entered the BCA and LSA, especially in Type II aortic arch. Lower density particles favored the BCA and LSA, while higher density particles accumulated predominantly in the DAo. Approximately 10 % of particles reached the cerebral circulation, with the arch-specific anatomical configuration influencing the pattern of debris embolization. These findings highlight the importance of anatomical and particle-specific characteristics in determining ischemic risk and suggest the relevance of arch-specific risk factor for predicting debris embolization to the brain.

Gli eventi cerebrovascolari ischemici, ad esempio in seguito all'impianto di una valvola aortica transcatetere (TAVI), rappresentano un rischio clinico significativo per complicanze maggiori e invalidanti, come l'ictus, a causa dell'embolizzazione di particelle, di dimensioni e densità diverse, attraverso l'arco aortico fino ai vasi cerebrali. Mentre le cause di ischemia nei pazienti con TAVI sono state ampiamente studiate, l'influenza della morfologia dell'arco aortico sulle vie emboliche rimane poco esplorata. Per colmare questa lacuna di conoscenze, questo lavoro studia la relazione tra l'anatomia dell'arco aortico e il trasporto embolico ai rami sovra-aortici, ovvero l'arteria brachiocefalica (BCA), l'arteria carotide comune sinistra (LCC) e l'arteria succlavia sinistra (LSA). L'analisi fluidodinamica computazionale (CFD) è stata integrata da una post-elaborazione di particle tracking (PT) per modellare il flusso aortico e caratterizzare le vie di embolizzazione dei detriti in tre pazienti con diversi tipi (I, II e III) di arco aortico. Le simulazioni CFD specifiche per il paziente sono state eseguite in SimVascular utilizzando condizioni al contorno derivate dalla risonanza magnetica 4D Flow e assumendo una parete aortica rigida. Le potenziali vie di embolizzazione dei detriti sono state previste utilizzando FlowVC per tracciare le particelle sferiche lagrangiane, variandone anche il diametro e la densità. L'affidabilità dell'analisi CFD è stata convalidata rispetto ai dati di verità di 4D Flow sulla velocità del flusso di massa nell'arco aortico. I risultati della PT hanno evidenziato che le particelle di grandi dimensioni (circa di 4 mm) raggiungono prevalentemente l'aorta discendente (Dao), superando generalmente l'80 % della distribuzione complessiva delle particelle, mentre le particelle di piccole dimensioni (< 1 mm) entrano nella BCA e nella LSA, soprattutto nell'arco aortico di tipo II. Le particelle a bassa densità hanno privilegiato la BCA e la LSA, mentre quelle a più alta densità si sono accumulate prevalentemente nella DAo. Circa il 10 % delle particelle ha raggiunto la circolazione cerebrale, con la configurazione anatomica specifica dell'arco che influenza il modello di embolizzazione dei detriti. Questi risultati evidenziano l'importanza delle caratteristiche anatomiche e particellari nel determinare il rischio ischemico e suggeriscono la rilevanza di un fattore di rischio specifico dell'arco per prevedere l'embolizzazione dei detriti nel cervello.