A virtual automated process to aid Abdominal Aorta Aneurysm diagnosis and treatment

In the last few years several academic works have tested different simulation tools in order to understand the cause behind the rupture of aneurysms. However, these tools have no actual or limited impact on patients’ treatment. Due to this, the present work aims at developing a rule-based virtual automated process to aid Abdominal Aorta Aneurysm (AAA) diagnosis, which is useful in consequent treatment. The Computational Fluid Dynamics (CFD) is here the main tool employed to support the decision making process and the final therapy. So, CFD modelling is the main part of the entire workflow, which starts from medical images (DICOM) and ends with the 3D visualization of AAA rupture risk. For CFD simulations, CAD anatomy reconstruction of the AAA is required. To the purpose, the DICOM data is read, properly segmented and exported to obtain the CFD-ready CAD model. The entire process employs knowledge-based rules. Concerning the next step of CFD simulation, the latter are necessary to implement a correct physics and numerical setup, too. In particular, the mesh study considers a simplified geometric model of arteries and the aneurysm, and analyses 2D and 3D grid topology, the effects of grid refinement, the presence of prismatic boundary layer and the fluid viscosity, eventually. Moreover, it will be considered the influence of full developed boundary conditions by using a commercial finite volume code. The above mentioned rules are extracted from the analysis of the influence of the time step size, the number of inner iterations per time step, typology of numerical schemes and fluid rheology. The post-processing and its visualization make numerical data presentable in a portable format, which is easily understandable, since it allows an immediate visual analysis of the velocity gradients, pressure and WSS, as well as characteristic variables which indicate possible development of local vortices and helical flows. An automated procedure is able to perform the time integration of transient CFD data, compute hemodynamic indices and generate relative the 3D render visualization. Besides, an overview and further development of this workflow in HPC and cloud computing environment are presented. Findings, application and validation on real patient specific case show the feasibility of the entire workflow in an embedded mode. Rules extracted from the research activity are at the base of the embedded algorithms that drive the entire workflow from DICOM PACS to 3D visualization.

Negli ultimi anni diversi lavori scientifici hanno testato differenti strumenti di simulazione per capire la causa dietro la rottura di aneurismi. Tuttavia, questi strumenti non hanno avuto alcun impatto reale o limitato per il trattamento dei pazienti. A causa di questo, il presente lavoro intende sviluppare un processo virtuale automatico basato su regole a supporto della diagnosi dell'aneurisma dell'aorta addominale (AAA), che è utile nel trattamento medico successivo. Le Computational Fluid Dynamics (CFD) è il principale strumento utilizzato per supportare il processo decisionale e la terapia definitiva. Quindi, la modellazione CFD è la parte principale del flusso di lavoro, che parte da immagini mediche (DICOM) e termina con la visualizzazione 3D con indici del rischio di rottura dell'AAA. Per le simulazioni CFD, è richiesta la ricostruzione anatomica in formato CAD del AAA. A tale scopo, i dati DICOM vengono letti, correttamente segmentati ed esportati per ottenere il modello CAD "CFD-ready". L'intero processo impiega regole basate sulla conoscenza. Per quanto riguarda i passi successivi della simulazione CFD, è necessario implementare una fisica e una implementazione numerica corretta . In particolare, lo studio della griglia di calcolo considera un modello geometrico semplificato delle arterie e l'aneurisma; analisi di topologia di griglia 2D e 3D, gli effetti di affinamento griglia, la presenza di strato limite prismatica e la viscosità del fluido sono parametri presi in considerazione. Inoltre, sarà considerato l'influenza delle condizioni al contorno utilizzando un codice commerciale a volumi finiti. Le regole sopra citate sono estratte dall'analisi dell'influenza della dimensione del passo temporale, il numero di iterazioni interne per passo temporale, algoritmi e schemi numerici e reologia del fluido. La post-elaborazione e la visualizzazione dei dati numerici è necessaria per rendere presentabile in un formato portatile i risultati, tale da consentire una facile comprensione, in quanto permette una immediata analisi visiva dei gradienti di velocità, pressione e WSS, così come variabili caratteristiche che indicano possibile sviluppo di vortici locali e flussi elicoidali. Una procedura automatica è in grado di eseguire l'ntegrazione temporale dei dati transitori CFD, calcolare gli indici emodinamici e generare la relativa visualizzazione 3D. Inoltre, una visione d'insieme e l'ulteriore sviluppo di questo flusso di lavoro in HPC e ambiente di cloud computing sono presentati. I risultati, l'applicazione e la validazione su casi reale casi specifici per paziente, dimostrano la fattibilità dell'intero flusso di lavoro in modalità embedded. Le regole estratte dall'attività di ricerca sono alla base degli algoritmi embedded che guidano l'intero flusso di lavoro dal DICOM PACS alla visualizzazione 3D.