Biomechanické přehodnocení plánování reparace hrudní endovaskulární aorty (MALAN)

Hypotéza a význam: V PLZ oblouku aorty lze identifikovat specifické a konzistentní vzorce dynamiky tekutin a velikost a distribuci tahových sil, což poskytuje cenné poznatky pro správný výběr PLZ a stentgraftu během plánování TEVAR.

Specifický cíl: 1) Zhodnotit unášecí síly působící na různé PLZ oblouku aorty pomocí analýzy předoperační fázové kontrastní magnetické rezonance (pc-MRI) a počítačové tomografie angiografie (CTA) pomocí počítačové analýzy fluidní dynamiky (CFD). Specifickým cílem je identifikovat korelaci mezi různou velikostí a směrem migračních sil a geometrickými vzory oblouku, aby se identifikovaly suboptimální přistávací zóny pro nasazení stentgraftu. 2) Vyvinout a provést in-silico simulace nasazení různých komerčně dostupných endograftů s hraničními podmínkami specifickými pro pacienta. Přesným cílem je posoudit dopad mechanických charakteristik konkrétního zařízení na cévní stěnu pomocí strukturální analýzy konečných prvků (FEA) a na odporové síly v různých přistávacích zónách pomocí CFD, aby se identifikoval vhodnější endograft. 3) Zhodnotit unášecí síly působící po operaci na endograft pomocí CFD analýzy založené na následných snímcích (tj. pc-MRI a CTA). Specifickým cílem je vyhodnocení prediktivní hodnoty odporových sil naměřených předoperačně v PLZ a validace výsledků z in-silico simulací.

Experimentální design Cíl 1: Předoperační pořízení lékařských snímků: CTA bude provedena pomocí 16-dílné jednotky (150 mAs, 110 kVp; akviziční tloušťka 5 mm, rozteč 1,5; rekonstrukční tloušťka 1,2 mm), před a po intravenózním podání 100 ml jodovaná kontrastní látka. MRI bude prováděna pomocí 1,5-T jednotky s gradientovým výkonem 40 mT/m (Magneton Sonata Maestro Class, Siemens, Erlangen, Německo) a čtyřkanálové kardio-hrudní cívky. Sekvence pc-MRI spouštěné EKG, volné dýchání přes rovinu a in-plane pc-MRI budou provedeny pro mapování fázově-rychlostního průtoku aortou a větvemi s následujícími technickými parametry: TR/TE = 4/3,2 ms, tloušťka 5 mm, kódování rychlosti od 150 do 350 ms a časové rozlišení 41 ms.

Zpracování lékařských snímků: Ad hoc zpracování předoperačních CTA, založené na 3D multiplanární rekonstrukci, bude provedeno pomocí softwaru 3Mensio Vascular 8.0® (3Mensio Medical Imaging B.V.), který poskytuje specifické funkce pro automatická měření. Pacienti budou stratifikováni podle klasifikace oblouků aorty (AAC). Bude vypočítán poloměr zakřivení, PLZs angulace (funkce tečného úhlu) a tortuozita (funkce úhlu tortuosity). 3D segmentaci CTA, zaměřenou na účely in-silico simulace, bude provádět software Mimics v18.0 (Materialise, Belgie). 3D model lumenu aorty ve formátu stl bude použit k vytvoření CFD vhodné výpočetní domény, nazývané mesh vmtk toolkit (www.vmtk.org). In-silico simulace: Nejmodernější CFD simulace pro aortální hemodynamiku budou prováděny CFD řešičem vyvinutým v projektu EmPaTHIC (Emory Pavia Testing Hemodynamics), který aktualizuje LifeV Application Blood Flow prostřednictvím spolupráce mezi Emory University, Atlanta, Georgia, USA (Prof. A. Veneziani) a University of Pavia (UniPV) (Prof. F. Auricchio). Analýza poběží na clusteru dostupném na UniPV Nume-Lab. Projekt předpokládá zvýšení výpočetního výkonu přidáním dalšího uzlu do dostupného clusteru UniPV a také zřízením serveru na Policlinico San Donato (PSD) určeného pro ukládání dat a vizualizaci výsledků. Výpočet tažných sil: Následné zpracování simulací bude prováděno pomocí pythonových skriptů založených na knihovnách Visualization Toolkit (VTK) a softwaru ParaView (Kitware® Inc., Francie). Cílem takové analýzy je poloautomaticky vypočítat středovou linii aorty, rozdělit oblouk aorty do čtyř oblastí (tj. přistávací zóny) a vypočítat velikost a směr odporových sil v každé zóně v průběhu celého srdečního cyklu. Provedeme předběžnou analýzu, abychom posoudili, zda je systolický vrchol tím nejrelevantnějším časovým okamžikem pro naše účely, abychom případně snížili úsilí po zpracování.

Experimentální design Cíl 2: Pořízení lékařských snímků: Budou použity předoperační snímky pořízené pro Cíl 1. Zpracování lékařských snímků: Budou použity 3D modely lumen aorty odvozené ze zpracování provedeného pro Cíl 1. In-silico simulace. Budou provedeny dva typy analýz: 1) Simulace TEVAR pomocí FEA pro predikci apozice endograftu; 2) CFD analýza pro výpočet post-TEVAR hemodynamiky. Tyto simulace budou prováděny sériovým způsobem definujícím výpočetní rámec, který je již vyvinut a testován. FEA společnosti TEVAR: Jak již dříve naše skupina uvedla, geometrické modely implantovaných endograftů se podobají hlavním rysům skutečných vzorků endograftů; mechanické vlastnosti jsou odvozeny z dostupné literatury. Jako řešič FEA se používá ABAQUSv16 (Simulia, Dassault Systèmes®, FR). CFD pro post-TEVAR hemodynamiku: Počínaje konfigurací endograftu předpovězenou FEA je výpočetní doména, připomínající aortu s endovaskulárním implantátem, vytvořena pomocí techniky zobrazení vzdálenosti. Analýza se poté spustí tak, jak je popsáno v cíli 1. Výpočet odporových sil: Jak je popsáno v cíli 1, vyvinutý nástroj pro následné zpracování bude použit k výpočtu velikosti a směru odporových sil podél oblouku a také na vnitřní povrchu nasazeného endograftu.

Experimentální design Cíl 3: Získávání pooperačních lékařských snímků: Studie CTA a MRI a ad-hoc analýza snímků budou provedeny při 6měsíčním sledování u přijatých pacientů, jak je popsáno v Cíli 1. In-silico simulace: CFD analýzy budou provedeny provedené tak, jak je popsáno v cíli 1. Zpracování lékařských snímků: Bude použit stejný přístup a stejné nástroje navržené v cíli 1. Segmentace pooperační CTA bude provedena za účelem rekonstrukce 3D modelu lumenu aorty a vzpěr rozmístěných endograftů. Výpočet odporových sil a validace: Stejně jako v cíli 1 bude 3D segmentace pooperační CTA kombinovaná s průtokovými daty z pc-MRI použita k provedení CFD analýzy za účelem: 1) Posouzení prediktivní hodnoty odporových sil naměřených před operací (Cíl 1); 2) Ověřte výsledky simulací in-silico (cíl 2).