Characterization of the flow instability in patient-specific arteriovenous fistulae for hemodialysis

Introduction. Despite the technological and clinical advancements in the field of hemodialysis, treatment necessary for patients suffering from end stage renal disease, vascular access still has a significant rate of early failure, mainly due to the formation of neointimal hyperplasia, a pathology linked to the hemodynamicsand responsible for venous stenosis and subsequent thrombosis. Materials and methods. Starting from magnetic resonance images 3D models of side-to-end arterio-venous fistulae (AVF) were reconstructed and characterized geometrically by vmtk (Vascular Modeling Toolkit). Patient-specific fluid-dynamic simulations were performed on 2 radio-cephalic and 2 brachio-cephalic AVF. Additional simulations additional simulations have been computed in order to study the influence of some parameters on the solution. A simulation of a model of normal carotid permitted a comparison of the flow pattern. Results. The trend of the velocity in feature points revealed laminar flow in the feeding proximal artery and significant instability immediately after the anastomosis. The pattern of WSS showed high values in correspondence of the anastomosis, a feature common to all the AVF. Non-zero values and oscillating transWSS found in all simulated cases confirmed the instability and multidirectional nature of the flow. A fluid dynamic simulation performed on a normal carotid bifurcation showed laminar flow in all regions of the model. Conclusion. In all simulated cases, transitional laminar-to-turbulent flow developing in the juxta-anastomotic vein and along the distal artery was observed: laminar flow was detected in the proximal artery, while secondary flows and vortices in the vein and in the distal artery. A comparison simulation study performed on a normal carotid bifurcationled to the conclusion that the flow instability found in the AVF is not observed in such a vascular district, at least for physiological flow and absence of stenosis.

Introduzione. Nonostante i progressi clinici e tecnologici nel campo dell’emodialisi, trattamento necessario per i pazienti che soffrono di insufficienza renale terminale, l’accesso vascolare presenta ancora oggi un notevole tasso di fallimento precoce, principalmente a causa della formazione di iperplasia neointimale, patologia legata alle condizioni emodinamiche e responsabile di stenosi venosa e conseguente trombosi. Materiali e metodi. Partendo da immagini di risonanza magnetica sono state ricostruite e caratterizzate geometricamente tramite vmtk (Vascular Modeling Toolkit) i modelli 3D di fistole artero-venose (FAV) di tipo side-to-end. Sono state poi effettuate delle simulazioni fluidodinamiche patient-specific su 2 FAV radio-cefaliche e 2 FAV brachio-cefalica. Simulazioni supplementari hanno permesso di studiare l'influenza di alcuni parametri sulla soluzione. Una simulazione su un modello di carotide normale ha permesso di eseguire un confronto tra i pattern di flusso. Risultati. L'andamento della velocità in alcuni punti caratteristici ha rivelato flusso laminare nell’arteria prossimale di ingresso e significativa instabilità subito dopo l'anastomosi. I pattern di WSS hanno mostrato valori alti in corrispondenza dell’anastomosi, caratteristica comune a tutte le FAV. Valori non nulli e oscillanti di transWSS riscontrati in tutti i casi simulati confermano l'instabilità e la natura multidirezionale del flusso vicino alla parete. Una simulazione fluidodinamica eseguita su una normale biforcazione carotidea ha mostrato flusso laminare in tutte le regioni del modello. Conclusioni. In tutti i casi simulati è stata osservata la presenza di un regime di moto di transizione da laminare a turbolento in corrispondenza dell’anastomosi e lungo l'arteria distale: flusso laminare è stato rilevato nell’arteria prossimale, mentre flussi secondari e vortici locali nella vena e nell'arteria distale. Il confronto con il regime di moto nella biforcazione carotidea ha portato alla conclusione che l'instabilità di flusso trovata nella FAV non è presente in questo distretto vascolare, perlomeno in caso di flusso fisiologico e assenza di stenosi.