A semi-automatic pipeline for the assessment of cardiogenic emboli stroke risk using CFD simulations

One of the major risks associated with transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is characterized by the occurrence of cerebrovascular events (CVE), that can lead to disabling or fatal complications, e.g. the stroke. These events are generally caused by the embolization of debris that, transported through the aortic arch (AoArch) and the supra-aortic arteries, may reach and occlude the cerebral arteries. It is supposed that haemodynamics in the AoArch, depending on its morphology, can be a factor to consider for the assessment of this risk. Therefore, this work is aimed to study five anatomies of different AoArch types (I, II, III) to find the relationship between anatomy and particle emboli transport to the supra-aortic arteries, originating from the brachiocephalic trunk (BCT), left common carotid artery (LCCA) and left subclavian artery (LSA). AoArch models, firstly pre-processed with ANSA to generate a finer discretization for supra-aortic vessels, were simulated with SimVascular to perform unsteady computational fluid dynamics (CFD) simulations. These simulations were carried out with the assumption of rigid aortic wall, inlet boundary conditions extracted from the patient-specific 4DFlow magnetic resonance and outlet boundary conditions defined by a lumped-parameter model (LPM) calibration to reproduce a physiological flow split. For each patient, two simulations have been performed, one with patient-specific profile from 4DFlow imaging and one with an ideal plug profile. Post-processing, performed with FlowVC, consisted of performing a particle tracking (PT) of spherical Lagrangian particles with different density and dimension, for the prediction of the main particle pathway, studying the inlet velocity profile influence. Model validation has demonstrated the potential replaceability of the patient-specific profile with an ideal profile, the good overall prediction of flow patterns and time-dependent mean velocity trend, and the potentialities of the LPM calibration of the boundary conditions, although showing some discrepances between imaging mean velocity data and resulted mean velocity. PT analyses demonstrated that higher-density debris are more likely to remain in the AoArch, while lower-density particles tend to enter supra-aortic insertions. Type II arch resulted the most prone to the cardiogenic emboli stroke risk, with particles being transported mainly through the BCT. The difference in modelling the inlet profile shown minimum difference in terms of particles remaining in the arch and globally ending their path in the supra-aortic branches. 4DFlow profile appeared to be more able to provide an equal partition of the particles among the three supra-aortic arteries for type I and II anatomies, while for type III, demonstrated to be the AoArch type least prone to CVE risk, the recirculation at the level of the isthmus may influence the transport of particles through the LSA, more enhanced when a patient-specific profile is considered. Type I patients were characterized by different particles percentages, demonstrating that patient-specific anatomical features may influence the CVE risk, even with the same arch type. From this study, it emerged that anatomical features and debris characteristics can have an important role in cardiogenic emboli stroke risk assessment. Furthermore, the comparison of PT for the same anatomy simulated with different inlet velocity profiles represents an interesting analysis for the adaptability of the model to clinical environments where 4DFlow imaging is not available.

Uno dei maggiori rischi associati all’impianto di valvola aortica transcatetere (TAVI) è rappresentato dall’insorgenza di eventi cerebrovascolari ischemici (CVE), che possono sfociare in complicanze invalidanti o mortali quali l’ictus. Tali eventi sono generalmente causati dall’embolizzazione di detriti che, trasportati attraverso l’arco aortico (AoArch) e i vasi sovra-aortici, possono raggiungere ed occludere le arterie cerebrali. Si suppone che l’emodinamica in AoArch, influenzata dalla sua morfologia, sia un fattore di cui tenere conto nella valutazione di questo rischio. Pertanto, questo lavoro si pone lo scopo di studiare cinque anatomie di AoArch di tipi diversi (I, II, III) al fine di individuare la relazione tra anatomia e trasporto di particolato embolico alle arterie sovra-aortiche, originanti dal tronco brachiocefalico (BCT), dall’arteria carotide comune sinistra (LCCA) e dall’arteria succlavia sinistra (LSA). I modelli di AoArch, pre-processati su ANSA per la generazione di una discretizzazione più fine sui vasi sovra-aortici rispetto a quella dell’arco, sono stati simulati tramite SimVascular con lo scopo di eseguire simulazioni fluidodinamiche computazionali (CFD) non stazionarie. Le simulazioni sono state eseguite con l’assunzione di parete aortica rigida, condizioni al contorno di ingresso provenienti dalla risonanza magnetica 4DFlow del paziente e condizioni al contorno in uscita ottenute da calibrazione tramite modelli a parametri concentrati (LPM) per ottenere una ripartizione dei flussi più vicina possibile a percentuali fisiologiche. Per ciascun paziente, sono state eseguite due simulazioni, una con profilo paziente-specifico da imaging 4DFlow ed una con un profilo idealizzato piatto. La post-elaborazione, eseguita su FlowVC, ha permesso di effettuare il tracciamento di particelle (PT) sferiche lagrangiane di diametro e densità variabile per definire i percorsi preferenziali del particolato, studiando l’influenza del profilo di velocità in ingresso. La validazione del modello ha dimostrato la possibile sostituibilità del profilo paziente-specifico con un profilo idealizzato, la buona predizione generale dei pattern di flusso e dell’andamento di velocità media nel tempo e infine le potenzialità della calibrazione mediante LPM, seppur dimostrando una certa discrepanza tra le velocità medie in aorta discendente simulate ed ottenute da imaging. Dalle analisi di PT, emerge che il particolato più denso tende a rimanere nell’AoArch, mentre quello con minore densità è più propenso a depositarsi nei vasi sovra-aortici. L’arco di tipo II è risultato essere il più incline al rischio di ictus da embolia cardiogenica, con trasporto del particolato principalmente attraverso il BCT. La diversa scelta di modellizzazione del profilo in ingresso ha dimostrato delle differenze minime in termini di particolato rimanente in arco e particolato che globalmente termina il proprio percorso nei vasi sovra-aortici. Negli archi di tipo I e II il profilo da 4DFlow tende a ridistribuire in maniera più equa il particolato tra i tre vasi sovra-aortici, mentre negli archi di tipo III, dimostratosi essere il tipo di arco meno soggetto al rischio di CVE, i ricircoli a livello dell’istmo potrebbero aver influenzato la risalita del particolato attraverso la LSA, maggiormente accentuati dall’utilizzo di un profilo paziente-specifico. Le anatomie di tipo I sono state caratterizzate da percentuali di particolato differenti, dimostrando che caratteristiche anatomiche paziente-specifiche possono influenzare il rischio di CVE anche a parità di tipo di arco. Dallo studio emerge che le caratteristiche anatomiche e del particolato possono avere un impatto importante sulla determinazione del rischio di ictus embolico cardiogenico. Inoltre, il confronto del PT nella stessa anatomia simulata con diversi profili di velocità rappresenta un’analisi molto interessante per l’adattamento del modello ad ambienti clinici in cui l’immagine 4DFlow non è disponibile.