Biomekanisk revurdering af planlægning for thorax endovaskulær aorta reparation (MALAN)

Hypotese og betydning: Specifikke og konsistente væskedynamiske mønstre og trækkræfternes størrelse og fordeling kan identificeres i PLZ'erne i aortabuen, hvilket giver værdifuld indsigt for korrekt PLZ- og stent-graftvalg under TEVAR-planlægning.

Specifikt mål: 1) At vurdere trækkræfterne, der virker på forskellige PLZ'er i aortabuen ved hjælp af Computed Fluid Dynamic (CFD) analyse af præoperativ fasekontrast-magnetisk resonans (pc-MRI) og computertomografi angiografi (CTA) billeder. Det specifikke mål er at identificere sammenhængen mellem forskellige størrelser og retninger af migrationskræfter og geometriske mønstre af buen for at identificere suboptimale landingszoner for stent-graft-udlægning. 2) At udvikle og udføre in-silico-simuleringer af indsættelsen af ​​forskellige kommercielt tilgængelige endografter med patientspecifikke randbetingelser. Det nøjagtige mål er at vurdere indvirkningen af ​​en specifik enheds mekaniske egenskaber på karvæggen ved strukturel finite element-analyse (FEA) og på trækkræfterne i forskellige landingszoner ved hjælp af CFD for at identificere den mere egnede endograft. 3) At vurdere de trækkræfter, der udøves postoperativt på endotransplantatet ved hjælp af CFD-analyse baseret på opfølgende billeder (dvs. pc-MRI og CTA). Det specifikke mål er at evaluere den prædiktive værdi af trækkræfterne målt præoperativt i PLZ'erne og validere resultaterne fra in-silico-simuleringer.

Eksperimentelt design Mål 1: Præoperativ medicinsk billedoptagelse: CTA vil blive udført ved hjælp af en 16-slice enhed (150 mAs, 110 kVp; optagelsestykkelse 5 mm, pitch 1,5; rekonstruktionstykkelse 1,2 mm), før og efter intravenøs administration af 100 mL jodholdigt kontrastmateriale. MR vil blive udført ved hjælp af en 1,5-T enhed med 40-mT/m gradienteffekt (Magneton Sonata Maestro Class, Siemens, Erlangen, Tyskland) og en fire-kanals cardio-thorax spole. EKG-triggede, frit vejrtrækning gennem plan og in-plan pc-MRI-sekvenser vil blive udført til fasehastighedskortlægning af aorta- og forgreningsflow med følgende tekniske parametre: TR/TE = 4/3,2 ms, tykkelse 5 mm, hastighedskodning fra 150 til 350 ms og tidsmæssig opløsning 41 ms.

Medicinsk billedbehandling: Ad hoc behandling af præoperative CTA'er, baseret på 3D multiplanar rekonstruktion, vil blive udført med 3Mensio Vascular software 8.0® (3Mensio Medical Imaging B.V.), som giver specifikke funktioner til automatiske målinger. Patienterne vil blive stratificeret i henhold til Aortic Arches Classification (AAC). Krumningsradius, PLZs vinkling (tangensvinkelfunktion) og snoethed (krøjevinkelfunktion) vil blive beregnet. 3D-segmentering af CTA, rettet til in-silico-simuleringsformål, vil blive udført af softwaren Mimics v18.0 (Materialise, Belgien). 3D-modellen af ​​aorta-lumen i stl-format vil blive brugt til at skabe et CFD-egnet beregningsdomæne, kaldet mesh af vmtk toolkit (www.vmtk.org). In-silico-simuleringer: Avancerede CFD-simuleringer til aortahæmodynamik vil blive udført af CFD-løseren udviklet af projektet EmPaTHIC (Emory Pavia Testing Hemodynamics), der opdaterer LifeV Application Blood Flow gennem samarbejdet mellem Emory University, Atlanta, Georgia, USA (Prof. A. Veneziani) og University of Pavia (UniPV) (Prof. F. Auricchio). Analysen vil køre på klyngen tilgængelig på UniPV Nume-Lab. Projektet forudser at øge beregningskraften ved at tilføje endnu en node til den tilgængelige UniPV-klynge og også opsætningen af ​​en server på Policlinico San Donato (PSD) dedikeret til datalagring og visualisering af resultaterne. Beregning af trækkræfter: Efterbehandlingen af ​​simuleringerne vil blive udført af python-scripts baseret på Visualization Toolkit (VTK) biblioteker og ParaView software (Kitware® Inc., Frankrig). En sådan analyse har til formål at beregne halvautomatisk aortas midterlinje, opdele aortabuen i fire områder (dvs. landingszoner) og beregne størrelsen og retningen af ​​trækkræfterne i hver zone gennem hele hjertecyklussen. Foreløbig analyse vil blive udført for at vurdere, om den systoliske peak er det mest relevante tidspunkt for vores formål, for eventuelt at reducere efterbehandlingsindsatsen.

Eksperimentelt design Mål 2: Medicinsk billedoptagelse: De præoperative billeder erhvervet til mål 1 vil blive brugt. Medicinsk billedbehandling: 3D-modellerne af aorta-lumen afledt af behandlingen udført for mål 1 vil blive brugt. In-silico-simuleringer, To typer analyser vil blive udført: 1) Simulering af TEVAR ved FEA for at forudsige endotransplantatapposition; 2) CFD-analyse for at beregne post-TEVAR hæmodynamik. Disse simuleringer vil blive udført på en seriel måde, der definerer en beregningsramme, som allerede er udviklet og testet. FEA af TEVAR: Som tidligere rapporteret af vores gruppe, ligner de geometriske modeller af de implanterede endografter hovedtrækkene af ægte endograftprøver; mekaniske egenskaber er afledt af tilgængelig litteratur. ABAQUSv16 (Simulia, Dassault Systèmes®, FR) bruges som FEA-løser. CFD for post-TEVAR hæmodynamik: Med udgangspunkt i konfigurationen af ​​endotransplantatet forudsagt af FEA, bygges det beregningsmæssige domæne, der ligner aorta med det endovaskulære implantat, ved hjælp af billedafstandsteknik. Analysen køres derefter som beskrevet i mål 1. Beregning af trækkræfter: Som beskrevet i mål 1 vil det udviklede efterbehandlingsværktøj blive brugt til at beregne størrelsen og retningen af ​​trækkræfterne langs buen, og også på den indre overfladen af ​​det udsatte endotransplantat.

Eksperimentelt design Mål 3: Postoperativ medicinsk billedoptagelse: CTA- og MR-studier og ad-hoc-analyse af billederne vil blive udført ved 6-måneders opfølgning hos rekrutterede patienter som beskrevet i mål 1. In-silico-simuleringer: CFD-analyser vil blive udført. udføres som beskrevet i mål 1. Medicinsk billedbehandling: Den samme tilgang og de samme værktøjer foreslået i mål 1 vil blive brugt. Segmentering af postoperativ CTA vil blive udført for at rekonstruere en 3D-model af aorta-lumen og af stivere af de indsatte endotransplantater. Beregning af modstandskræfter og validering: Som i mål 1 vil 3D-segmentering af postoperativ CTA kombineret med flowdata fra pc-MRI blive brugt til at køre CFD-analyse for at: 1) Vurdere den prædiktive værdi af de præoperativt målte modstandskræfter (Mål 1); 2) Valider resultaterne fra in-silico-simuleringer (Mål 2).