Modellazione numerica della fluidodinamica di biforcazioni coronariche in presenza di stent

Atherosclerosis is considered one of the major causes of death and premature disability in developed societies. Atherosclerotic lesions in coronary arteries reduce arterial lumen size through plaque formation and arterial thickening, reducing blood flow to the heart and frequently leading to severe complications like myocardial infarction or angina pectoris (Harrison et al. 2008, Lloyd-Jones et al. 2010). In order to restore blood flow perfusion to the downstream tissues, one of the most common procedures consists of placing tubular metallic scaffolds, commonly known as stents, into the diseased vessels. Although the use of stents in coronary arteries has been promising, local reduction in lumen size as a result of neointimal hyperplasia, known as in-stent restenosis (ISR), remains an unsolved problem and the main clinical complication. This adverse phenomena has partially been attenuated by the introduction in 2003 of drug-eluting stents, especially in noncomplex lesions. However bifurcation treatment remains a challenging area in interventional cardiology because of a lower rate of procedural success and a higher rate of restenosis compared with nonbifurcation interventions (Iakovou et al. 2005, Louvard et al. 2008). Mechanisms and causes of ISR remain nowadays not fully understood: stent design, vascular injury caused by device implantation and hemodynamic alterations induced by its presence can be all associated with neointimal hyperplasia (Dehlaghi et al. 2008). Regarding this issue, computational fluid dynamics (CFD) provides a very useful tool for studying macro and micro aspects of blood flow through stented vessels and their influence on neointimal growth. Several CFD research studies have been performed on strongly simplified and idealised geometry, considering non-bifurcated vessels (LaDisa et al. 2004, 2005, 2006, Balossino et al. 2008, Pant et al. 2010). Although this can provide a great deal of information, fully three-dimensional studies, especially on bifurcated lesions, need to be furthermore considered and fully investigated. Bifurcation lesion morphology is quite complex; many factors, like severity of the disease in the main branch and the side branches, the absolute and relative diameters of involved vessels, the amount and distribution of calcium and fibrous tissue in the lesion, stent design and implantation technique, have a direct bearing on the outcome of revascularization efforts (Rizik et al. 2008). Because of the complexity of stented arteries geometry, the high computational cost required for this kind of simulations represents one of the main problems. This project will start on the development of an efficient volume mesh method, which will lead us to correct results on 3D complex geometries in the shortest possible time consistent with computational resources available at Laboratory of Biologic Structures (LaBS), Politecnico di Milano; commercial software ANSYS (Ansys Inc. - Canonsburg, PA, USA) will be used for this purpose. At first this mesh method will be tested on simplified geometries, creating and optimizing a hybrid discretization of the volume made both of hexahedral and tetrahedral elements. Once the mesh method will be ready quicker CFD simulations can be performed. In order to obtain geometries for fluid dynamic analysis, finite element models of stenting procedures in coronary arteries (non-bifurcated and bifurcated) - previously developed at LaBS by the use of commercial software ABAQUS (Simulia - Providence, RI, USA) - will be used. These models consist of 3D idealised vessel geometries with realistic dimensions and different angles of bifurcation in which several commercial devices have been deployed and expanded according to the most used stent deploying techniques (two-stent technique, T-stenting, V-stenting, Culotte technique…) (Migliavacca et al. 2005, Gastaldi et al. 2010). The obtained fluid domains will be used to perform both steady state and time variant CFD amylases, considering blood like a Newtonian or non-Newtonian fluid (e.g. Carreau model). In these simulations many parameters, like wall shear stress (WSS), oscillatory index (OSI) or particle residence time (RT), will be considered. In particular, low WSS and high OSI or RT represent key factors, probably associated with neointimal hyperplasia. Some studies in the literature have suggested a connection between stent design and restenosis (Kastrati et al. 2004, LaDisa et al. 2006). It is also clear that local blood flow patterns are affected by stent design; hence, the relationship between blood flow patterns, stent design, and the process of restenosis should be investigated thoroughly. Local fluid patterns obtained by CFD simulations will be validated by experimental analyses performed using LaBS test machines like micro particle image velocimetry (micro-PIV). Primary objective of this project is to better understand existing connections between in-stent restenosis phenomenon and the alterations on hemodynamic field and drug elution due to stents presence. Incoming results should then give indications and benefits to both stent designers in the development of new drug eluting stents and to clinicians on the choice of the best stent configuration and position during percutaneous coronary interventions.

La causa più comune di morte o di invalidità precoce nei Paesi sviluppati è la cardiopatia ischemica da insufficiente flusso coronarico. Si stima che durante l’anno in corso, solamente negli Stati Uniti, circa 600.000 persone subiranno un infarto miocardico acuto, considerato una delle complicazioni più gravi dell’ischemia cardiaca (Lloyd-Jones et al. 2010). Il ridotto apporto ematico al miocardio è generalmente dovuto all’aterosclerosi, patologia caratterizzata da lesioni infiltrate di lipidi (placche ateromatose) che si sviluppano nella superficie interna dei vasi coronarici, riducendone il lume e provocando un inspessimento delle pareti delle arterie stesse. Una delle tecniche chirurgiche maggiormente utilizzate per ripristinare il corretto flusso ematico al miocardio consiste nell’inserimento, all’interno della regione stenotica, di una o più strutture metalliche, chiamate stent; tali dispositivi si autoespandono o vengono espansi tramite un palloncino per angioplastica. Sebbene l’impianto di questi dispositivi medicali sia una procedura clinica affermata, esistono diverse complicazioni, tra cui la principale è la riocclusione parziale o totale del lume del vaso nel periodo successivo all’impianto. Tale processo, noto come ristenosi, è stato parzialmente attenuato con l’introduzione nel 2004 degli stent a rilascio controllato di farmaco; tuttavia, specialmente nel caso delle biforcazioni coronariche, il minor tasso di successo degli interventi chirurgici e proprio il più alto tasso di ristenosi rispetto agli interventi su vasi non biforcati rendono l’uso di stent ancora insicuro e soggetto ad ulteriori approfondimenti (Iakovou et al. 2005, Louvard et al. 2008). I meccanismi della ristenosi non sono stati ancora completamente spiegati. Si ritiene che la riocclusione dell’arteria possa essere causata sia dal danno alle pareti, provocato dall’espansione dello stent, sia dalle alterazioni emodinamiche indotte dalla sua presenza (Dehlaghi et al. 2008). Riguardo a quest’ultimo fenomeno, la fluidodinamica computazionale risulta essere un valido strumento di indagine. In letteratura, sono stati proposti diversi lavori su geometrie idealizzate e semplificate, per vasi non biforcati (LaDisa et al. 2004, 2005, 2006, Balossino et al. 2008, Dehlaghi et al. 2008). Tuttavia, geometrie tridimensionali complesse devono essere ancora oggetto di analisi approfondite. Il lavoro di tesi qui riassunto si inserisce in tale ambito e presenta come principale obiettivo e novità lo studio della fluidodinamica locale nelle biforcazioni coronariche trattate appunto con stent. La prima attività compiuta è consistita nello sviluppo di un metodo di mesh che consenta di ottenere risultati corretti nel minor tempo possibile, compatibilmente con le risorse computazionali disponibili al Laboratorio di Meccanica delle Strutture Biologiche (LaBS) del Politecnico di Milano. Infatti, uno dei principali problemi nell’effettuare simulazioni fluidodinamiche su geometrie realistiche complesse è proprio l’elevato costo computazionale richiesto. Il metodo, sviluppato per mezzo del software commerciale ANSYS (Ansys Inc. - Canonsburg, PA, USA), prevede l’utilizzo sia di elementi tetraedrici che esaedrici, realizzando così una mesh ibrida, al fine di ridurre il numero totale di elementi e rendere, di conseguenza, le simulazioni più veloci. Successivamente, a partire da modelli di biforcazioni coronariche e stent espansi al loro interno tramite simulazioni agli elementi finiti, sono stati ricavati i domini fluidi necessari per le simulazioni fluidodinamiche. L’espansione degli stent all’interno dei vasi è stata in precedenza effettuata al LaBS tramite il software ABAQUS (Simulia - Providence, RI, USA), in accordo con le principali tecniche di impianto esistenti. Nel proseguimento del lavoro, mediante l’utilizzo di ANSYS Fluent, saranno effettuate simulazioni numeriche stazionarie e tempo varianti, considerando il sangue sia come un fluido Newtoniano sia come un fluido non Newtoniano (ad esempio, come un fluido alla Carreau). In particolare, verranno calcolati alcuni parametri che possono essere correlati con il fenomeno di restenosi dei vasi coronarici, quali lo sforzo di taglio in parete (wall shear stress – WSS), l’indice oscillatorio (oscillatory shear index - OSI) ed il tempo di ristagno delle particelle fluide (particle residence time - RT) (Malek et al. 2004, Kastrati et al. 2004, LaDisa et al. 2006). I risultati verranno infine confrontati con quelli presenti in letteratura. Il lavoro di tesi è stato così programmato: •Prima fase -ricerca bibliografica sull’aterosclerosi, le tecniche chirurgiche di trattamento della patologia e gli studi di fluidodinamica locale degli stent fino ad oggi proposti in letteratura (sia sperimentali sia computazionali); -acquisizione delle nozioni necessarie ad operare con i software da utilizzare per le analisi fluidodinamiche, in particolare ANSYS Fluent; •Seconda fase -sviluppo di un metodo di mesh efficace; •Terza fase -applicazione del metodo di mesh sui modelli di biforcazioni coronariche considerati; -analisi fluidodinamiche e confronto dei risultati ottenuti con i dati riportati in letteratura; •Quarta fase -stesura dell’elaborato di tesi.