Finite element quantification of arch-type effects on aortic dissection risk using paradigmatic models

Aortic dissection (AD) is a rare and highly lethal syndrome involving the thoracic aorta, leading to severe damage of the aortic wall. Current indications for preventive surgery are mainly based on morphological criteria, mostly diameter, which remains an imperfect predictor since a strong fraction of dissections occur below the recommended surgical threshold. In recent years, increasing attention has been devoted to the role of aortic arch shape and anatomy as potential contributors to adverse wall loading. In particular, different aortic arch configuration such as Type I, Type II, Type III and Bovine have been associated with distinct clinical patterns and may influence the distribution of mechanical stresses along the vessel. In this thesis, the impact of aortic arch geometry on wall's stresses of the thoracic aorta is investigated through advanced finite element (FE) simulations. Starting from patient-specific 3D vascular models, a pipeline is developed to process centerlines and lumen surfaces, align anatomies in a common reference frame and derive representative paradigmatic geometries for each arch category. For every group, an average centerline and average local cross-sections are computed and used to reconstruct a baseline model that preserve key anatomical landmarks while reducing inter-subject variability. The resulting parametric geometries enable a comparison of arch types under consistent boundary conditions and loading, isolating the effect of global arch morphology. Each model is discretized with hexaedral elements and embedded in an equivalent sorrounding continuum to account for perivascular support. Aortic tissue is described with Holzapfel-Gasser-Ogden model, a hyperelastic, transversally isotropic and nearly incompressible constitutive law while the sorrounding medium is modeled as linear elastic and isotropic. Simulations are performed in two stages. First, a stress-free configuration is identified through an inverse procedure to remove pre-stress from the imaged geometry. Second, starting from the stress-free state, physiologic pressurization and cardiac-induced longitudinal and torsional kinematics are imposed to reproduce clinically relevant loading scenarios. The mechanical response is then post-processed in anatomically meaningful regions such as the ascending aorta and the aortic isthmus where the entry tear of Stanford type A and type B dissection originate respectively. The results show that aortic morphological affects both the magnitude and the spatial distribution of wall stresses, with marked differences among arch types and between anatomical regions. These findings support the hypothesis that arch configuration contributes to localized mechanical conditions potentially associated with dissection susceptibility, complementing diameter-based assessments. This work provides a reproducible framework to derive class-specific representative geometries and to quantify how clinically observed arch variants modulate aortic wall stresses, offering insight that may improve risk stratification for thoracic aortic diseases.

La dissezione aortica (AD) è una sindrome rara e letale che interessa l’aorta toracica, causando un grave danneggiamento della parete aortica. Le attuali indicazioni alla chirurgia preventiva si basano principalmente su criteri morfologici, soprattutto sul diametro, che tuttavia rappresenta un predittore non ottimale poiché un numero rilevante di dissezioni si verifica al di sotto della soglia chirurgica raccomandata. Negli ultimi anni è cresciuto l’interesse verso il ruolo della geometria e dell’anatomia dell’arco aortico come possibili determinanti di condizioni di carico sfavorevoli sulla parete vascolare. In particolare, diverse configurazioni dell’arco aortico, quali Tipo I, Tipo II, Tipo III e Bovino, sono state associate a pattern clinici differenti e potrebbero influenzare la distribuzione delle tensioni meccaniche lungo il vaso. In questa tesi, l’impatto della geometria dell’arco aortico sulla distribuzione degli sforzi nella parete dell’aorta toracica viene studiato tramite simulazioni avanzate agli elementi finiti (FE). A partire da modelli vascolari 3D paziente-specifici, è stata sviluppata una pipeline per processare le centerline e le superfici del lume, allineare le anatomie in un riferimento comune e derivare geometrie paradigmatiche rappresentative per ciascuna categoria di arco. Per ogni gruppo sono state calcolate una centerline media e sezioni trasversali locali medie, utilizzate per ricostruire un modello di riferimento che preserva i principali punti di repere anatomici riducendo al contempo la variabilità inter-soggetto. Le geometrie parametriche ottenute consentono un confronto tra i diversi tipi di arco in condizioni di vincoli e carichi coerenti, isolando l’effetto della morfologia globale dell’arco. Ciascun modello è stato discretizzato mediante elementi esaedrici ed è stato incorporato in un continuo equivalente circostante per rappresentare il supporto perivascolare. Il tessuto aortico è descritto tramite il modello di Holzapfel-Gasser-Ogden, iperelastico, trasversalmente isotropo e quasi incomprimibile, mentre il mezzo circostante è modellato come lineare elastico e isotropo. Le simulazioni sono state condotte in due fasi. In primo luogo, la configurazione stress-free è stata identificata tramite una procedura inversa per rimuovere le pre-tensioni dalla geometria acquisita tramite immagini. Successivamente, a partire dallo stato stress-free, sono stati applicati la pressurizzazione fisiologica e vincoli cinematici longitudinali e torsionali indotti dalla dinamica cardiaca, al fine di riprodurre scenari di carico clinicamente rilevanti. La risposta meccanica è stata poi post-processata in regioni di interesse anatomico, quali l’aorta ascendente e l’istmo aortico, sedi tipiche della cricca nelle dissezioni di tipo Stanford A e Stanford B, rispettivamente. I risultati mostrano che la morfologia dell’arco aortico influenza in modo significativo sia l’entità sia la distribuzione spaziale delle tensioni di parete, con differenze marcate tra i diversi tipi di arco e tra le regioni anatomiche analizzate. Queste evidenze supportano l’ipotesi che la configurazione dell’arco contribuisca a determinare condizioni meccaniche localizzate potenzialmente associate alla suscettibilità alla dissezione, affiancando i criteri basati sul diametro. Nel complesso, questo lavoro propone un framework riproducibile per derivare geometrie rappresentative specifiche per classe e per quantificare come le varianti anatomiche dell’arco modulino le tensioni sulla parete aortica, offrendo spunti utili per migliorare la stratificazione del rischio nelle patologie dell’aorta toracica.