Biofluid dynamic analysis of abdominal aortic aneurysm treated with chimney graft technique

The chimney technique to extend landing zones for endovascular aortic repair (ChEVAR) has been increasingly used to treat the branched portions of the aorta. Although successful in the short-tem, long-term durability has been questioned due to concerns about device interactions and interferences in branch vessel anatomy implicit to ChEVAR. This study was performed to determine local anatomic and hemodynamic changes that result from ChEVAR and to define the critical parameters that correlate to stent graft thrombosis. Patients undergoing ChEVAR were evaluated with CT imaging pre and post-operatively, and images were used to reconstruct the vessel 3D-geometry. Computational fluid dynamic (CFD) simulations were used to evaluate changes in cross-sectional areas, pressure, and wall shear stress in the superior mesenteric (SMA) and renal arteries. Due to the inherent configuration of each visceral artery, it was found that ChEVAR had varying effects on the 3D conformation of the vessels, and consequently on the hemodynamics. In the SMA, which has a natural caudal orientation, the conformational change was modest, and there were minimal changes in the local flow dynamics. However, dramatic changes in the 3D configuration of the naturally perpendicular renal arteries were observed, with the stents forcing the vessels into a caudal orientation. These changes resulted in significant perturbations in flow dynamics, with up to a 300% elevation increase in both the local wall shear stress and pressure gradient. Despite striking anatomic and hemodynamic changes from pre-op, only 3 of 13 branch grafts occluded within the follow-up period. An analysis of those factors associated with graft thrombosis demonstrates that a change in the maximum shear stress greater than 35 Pa (350 dynes/cm2) was correlated with branch graft occlusion. The spatial distribution of wall shear, both pre-operatively and following stent graft placement, for the three patients who demonstrated branch graft occlusion demonstrate a markedly elevated shear stress in the interval preceding graft failure. Pressure gradients greater than 2000 Pa (15 mmHg) or minimum lumen areas less than 20 mm2 were not associated with graft thrombosis. The placement of intravascular stents in aortic branch vessels often leads to an unavoidable change in vessel conformation, causing significant modifications in the local flow patterns. In particular, the perpendicular orientation of the renal arteries was forced into a caudal angle by the stents inducing dramatic hemodynamic changes. The natural caudal orientation of the SMA was minimally affected, and demonstrated fewer alterations in these flow patterns. While changes in cross-sectional area, local pressure gradient, and wall shear stress are commonplace, marked elevations in wall shear appear to be predictive of impending branch graft failure. These findings suggest a potential role for CFD analysis in the follow-up evaluation of complex aortic endograft repairs.

INTRODUZIONE e BACKGROUND L’aneurisma aortico (AA) e’ un complesso disturbo vascolare che consiste nella dilatazione dell’aorta (circa 3 cm nel tratto toracico se 2 cm nel tratto addominale). Ha patogenesi multifattoriale con fattori di rischio legati a componenti genetiche e ambientali, che risultano in un indebolimento locale della parete aortica. E’ un distrurbo silente, che negli ultimi stadi puo’ presentare sintomi causati dall’imminente rottura dell’aneurisma; l’emorragia interna causata da rottura, se non trattata in tempo, puo’ condurre a shock e decesso del paziente. In generale, gli aneurismi aortici addominali (AAA) colpiscono tra il 6-9% della popolazione modiale industializzata sopra i 65 anni di eta’.5,6 Il 3-9% degli di essi non viene diagnosticato fino alla rottura, ed il tasso di mortalita’ in seguito a rottura dell’ aneurisma raggiunge il 90%. Il riparo dell’AA ha due principali obiettivi: la prevenzione da rottura e il mantenimento della perfusione periferica. Esistono approcci chirurgici differenti per il riparo aortico, le due principali macro- famiglie sono l’open repair e le piu’ recenti tecniche endovascolari. Fra gli approcci endovascolari piu’ utilizzati vi sono la Fenestrated branched endovascular (FBE) e la Chimney graft techniques (CG), che nella maggior parte dei casi vedono il coinvolgimento della arteria mesenterica superiore e delle arterie renali (sporadicamente anche il tronco celiaco). Inizialmente, la chimney endovascular aortic repair (ChEVAR) e’ stata utilizzata allo scopo di ripristinare il flusso sanguigno in ramificazioni aortiche incidentalmente o intenzionalmente coperte dallo stent aortico durante la TEVAR per pazienti affetti da juxtarenal AAA. La CG consiste nell’utilizzo di uno stent aortico ed n chimney stents dedicati alle ramificazioni aortiche, che vengono inseriti nel lume dell’arteria, in pressione fra la parete aortica e lo stent. La ChEVAR per l’estensione delle landing zones nelle riparazioni endovascolari aortiche e’ stata utilizzata sempre piu’ frequentemente nell’ultimo decennio, in quanto ha mostrato potenziale nel trattamento di situazioni aneurismatiche con anatomia critica in cui sono coinvolte le arterie renali e mesenteriche, nel trattamento di casi d’urgenza (casi in cui la FBE viene esclusa per lunghe tempistiche di manifattura degli stents), ed ha dunque il vantaggio dei minori costi di manifattura. Sebbene siano stati ottenuti buoni risultati nel breve termine, il lungo termine ha mostrato risultati chirurgici discutibili a causa di riadattamenti anatomici dei vasi dotati di stent che hanno portato al fallimento degli stessi nel post- intervento.16 Questo studio ha lo scopo di determinare i cambiamenti anatomici ed emodinamici che risultano dalla ChEVAR e di definire i parametri critici correlati ai casi di trombosi che si verificano all’interno di vasi dotati di stent graft. Nello specifico, e’ stato ipotizzato che le analisi di sezioni trasversali, sforzi di taglio e differenze di pressione possono fornire buoni indici per il riconoscimento del fallimento degli stent graft e rappresentare strumenti di trigger per la prevenzione e cura del caso paziente- specifico. METODI Sono stati analizzati cinque pazienti, da un gruppo di 49 operati nel North Florida/South Georgia Veterans Health Affair of Gainesville (Florida), affetti da anerusma aortico addominale trattato con tecnica chirurgica Chimney Graft. Due donne e tre uomini fra i 65 ed gli 83 anni che presentano casi ipertensione, ed altre comorbidita’ (CAD, CHF, COP) come e’ solito nei pazienti sottoposti a ChEVAR. Durante gli interventi chirurgici sono stati utilizzati stent graft della Zenith® (Cook Medical®, Bloomington, Indiana, IN) per il lume aortico ed iCAST™ pallone- espandibile in PTFE (Atrium Medical Corporation, Hudson, NH) per la tecnica chimney adottata sulle ramificazioni aortiche. I pazienti sono stati monitorati nel tempo (0 – 45 mesi) con Computed Tomography Angiography (CTA) e alcuni mesi post- intervento alcuni stents hanno presentato occlusioni causate da trombi e coauguli sanguigni. Inoltre, per alcuni interventi si e’ ritenuta necessaria l’occlusione intenzionale di una delle due arterie renali grazie all’utilizzo di coils in platino con fibre sintetiche che ne agevolano l’embolizzazione (COOK® Medical Nester®), decisione chirurgica determinata dallo scarso flusso sanguigno nel rene interessato (funzionamento non fisiologico) o criticita’ della situazione anatomica. Le geometrie 3D sono state ricavate dalla segmentazione delle immagini CT sulla piattaforma commerciale per 3D e 4D data analysis, Amira®, e sono state utilizzate per la costruzione di modelli aortici paziente- specifici. Le geometrie sono state levigate in superficie con il software Geomagic Studio® e successivamente estese in lunghezza grazie a Vascular Modeling Toolkit (VMTk, collezione di librerie per la ricostruzione 3D, l’analisi geometrica e analisi di superfici per image- based modeling di vasi sanguigni). L’estensione del vaso deriva dalla necessita’ di avere profili di velocita’ sviluppati sui boundary layers delle geometrie in particolare nei tratti di interesse, e per evitare reverse flow all’uscita dalle arterie. ANSYS® ICEM CFDTM Meshing Software (R14.5) e’ stato utilizzato per la creazione della mesh. Sono state generate mesh global Delunay con tre boundary layers allo scopo di ottenere 1.5-2 milioni di elementi che hanno dimostrato garantire buoni risultati in termini di convergenza delle simulazioni in tempi adeguati. Infine, sono state eseguite simulazioni computazionali fluidodinamiche (CFD) in Ansys FLUENT allo scopo di valutare i cambiamenti temporali successivi all’intervento sulle arterie di interesse. Sono state impostate le caratteristiche fluidodinamiche del sangue ipotizzato fluido incomprimibile, omogeneo, Newtoniano con viscosita’ μ= 0.0035 Kg/m/s e densita’ ρ = 1050 Kg/m3 nella geometria del tronco aortico addominale idealizzata a parete rigida. Sono state risolte le equazioni di Navier-Stokes sfruttando il metodo dei volumi finiti tramite simulazioni fluidodinamiche a tempo transiente usando Upwind di second’ordine per la quantita’ di moto e la pressione, lo schema SIMPLE (Semi Implicit for Pressure Limited Equation) come algoritmo di pressure-velocity coupling e valori di scaled residuals di 10-5. Sono state impostate condizioni al contorno stazionarie e di no-slip alla parete, ed una curva di velocita’ paziente- specifica sull’inlet aortico (con 2122.39 ml/min di flusso sanguigno in ingresso a livello addominale post- tronco celiaco), pressione nulla sull’inlet, percentuali di outflow sugli outlet delle arterie (18.5% per le arterie renali, 19% per la sma, nel caso standard) e dimensioni di time step di 0.002 sec. Su ciascuna geometira sono state, inoltre, eseguite simulazioni nei due casi: ± 25% del flusso sanguigno standard considerato, allo scopo di analizzare anche cambiamenti legati e differenti flussi sanguigni correlati a peso ed altezza del singolo paziente. In seguito, sono state calcolate le centerlines in VMTk sulle geometrie delle ramificazioni aortiche prive di estensioni e sono stati elaborati i risultati in MatLab al fine di ottenere dati inerenti alle sezioni trasversali e alle centerlines leggibili dal software di visualizzazione e analisi dati Tecplot 360 (Tecplot Inc, Bellevue, Washington). Infine, sono stati elaborati i dati in Excel allo scopo di estrarre curve di pressione intravasale, sforzi di taglio alla parete (wss) e sezione trasversale (csa) sulle arterie mesenteriche superiori (sma) e sulle arterie renali dei cinque pazienti nell’istante di picco della curva di velocita’ (0.22/0.9 sec = 110o time step). RISULTATI Tre pazienti su cinque hanno presentato occlusione (fallimento) di uno stent graft: il Paziente1 (1 mese post- intervento) sull’arteria renale sinistra, il Paziente 2 (7 mesi post- intervento) sulla arteria mesenterica superiore, il Paziente 3 (13 mesi post- intervento) sull’arteria renale sinistra. Durante l’intervento dei Pazienti 2 e 5 si e’ ricorsi all’occlusione intenzionale rispettivamente sulle arterie destra e sinistra. Infine il Paziente 4 ha avuto impianto dello stent graft solo sull’arteria renale sinistra, la destra e la sma mostravano funzionamento fisiologico, senza duqnue necessitare supporto ed espansione del lume di questi vasi. Sono state analizzate curve di pressione totale, pressione statica, sforzi di taglio e sezioni trasversali lungo l’estensione dei tre vasi d’interesse per ciascun paziente nel caso standard. Sono stati rilevati casi di differenze di pressione statica negativa tra l’inlet del vaso e il suo outlet, la spiegazione di questo fenomeno viene trovata nella legge di Bernoulli, secondo cui il flusso in questi segmenti di arteria sarebbe guidato dalla pressione dinamica (inerzia). In generale, le geometrie dei cinque pazienti hanno presentato ingenti cambiamenti morfologici che hanno causato variazioni in termini emodinamici dal pre- al post- intervento. Le arterie renali hanno un orientamento in natura perpendicolare alla direzione aortica nel pre- intervento, che subiscono un brusco cambiamento nel post- intervento assumendo conformazione caudale causata dallo stent. Al contrario, la sma ha un orientamento caudale in natura che, in genere subisce minori variazioni confromazionali nel post- intervento, generando moderati cambiamenti emodinamici. I risultati di maggior rilievo sono stati ottenuti in termini di sforzi di taglio. Il valore di picco di wss sulla arteria mesenterica superiore e’ nel range di 2-40 Pa per i cinque pazienti; i valori di picco degli sforzi di taglio su vasi privi di stent (pertanto con fluidodinamica fisiologica) sono di circa 2.5 Pa. Sulla arteria renale destra, il picco di wss e’ nel range di 13- 127 Pa. I Pazienti 1 e 3 hanno mostrato valori molto elevati (96- 127 Pa), una possibile spiegazione e’ stata individuata nella geometria delle arterie: entrambe presentano gravi stenosi dovute a kinking dello stent e/o compressione da parte di un’altra arteria. Infine, i valori di picco degli sforzi di taglio alla parete sull’arteria renale sinistra sono nel range di 10-190 Pa; in particolare il Paziente 2 e 4 hanno mostrato valori fra i 175-190 Pa causati da stenosi e kinking del vaso. Concludendo, sulle arterie dotate di stent nel post- intervento si osservano interessanti cambiamenti in termini di sforzi di taglio alle pareti che secondo uno studio di Malek et al. (1999) 12 sono valori piu’ che sufficienti a determinare rischio di occlusioni (wss>7 Pa). DISCUSSIONI Nei cinque pazienti analizzati, i cambiamenti morfologici sulla sma, che ha una conformazione per natura caudale, sono risultati modesti ed hanno mostrato ridotti cambiamenti nelle dinamiche del flusso locale. Al contrario, importanti differenze morfo- emodinamiche sono emerse fra le configurazioni 3D pre- e post- intervento sulle arterie renali, che hanno direzione in natura pressoche’ perpendicolare a quella aortica, ma che viene forzata ad una configurazione caudale nel post-intervento. Questi cambiamenti sono tradotti in significative perturbazioni nella fluidodinamica con valori di wss e differenze di pressione fino a tre volte superiori. Da notare, d’altra parte, che nonostante gli evidenti cambiamenti anatomici ed emodinamici dalle situazioni pre- intervento alle post- intervento, solo 3 stent graft su 13 sono falliti a causa di trombi nel periodo di follow-up. Successive valutazioni sull’analisi dei fattori associati alla trombosi hanno dimostrato che in caso di occlusione dello stent, le variazioni del valore di massimo wall shear stress sono risultati superiori a 35 Pa (350 Dynes/cm2). Inoltre, la distribuzione spaziale di sforzi di taglio, in entrambi i casi pre- e post- operativi per i tre pazienti che hanno presentato occlusioni ha mostrato elevati valori di wss nelle configurazioni precendenti all’occlusione. Al contrario, valori di differenze di pressione superiori a 2000 Pa (15 mmHg) o valori di lume delle arterie inferiori a 20 mm2 sono risultati non direttamente associabili a casi di trombosi. CONCLUSIONI Il posizionamento di stents intravascolari nelle ramificazioni aortiche a livello addominale spesso conduce ad inevitabili cambi nella conformazione del vaso, causando significativi cambiamenti a livello della fluidodinamica locale. Tra i cambiamenti in termini di sezioni trasversali, differenze di pressione locali e sforzi di taglio, i marcati cambiamenti negli sforzi di taglio sembrano essere un valido indice di allarme per stent in procinto di fallimento. In generale, questi risultati suggeriscono un potenziale ruolo delle analisi di simulazioni CFD per valutazioni di follow-up di casi di riparazioni aortiche con endograft.