Biomechanische Neubewertung der Planung für die thorakale endovaskuläre Aortenreparatur (MALAN)

Hypothese und Bedeutung: In den PLZs des Aortenbogens können spezifische und konsistente strömungsdynamische Muster sowie Größe und Verteilung der Widerstandskräfte identifiziert werden, was wertvolle Erkenntnisse für die richtige PLZ- und Stentgraft-Auswahl während der TEVAR-Planung liefert.

Spezifisches Ziel: 1) Bewertung der Widerstandskräfte, die auf verschiedene PLZs des Aortenbogens wirken, mittels computergestützter fluiddynamischer (CFD) Analyse von präoperativen Phasenkontrast-Magnetresonanz (pc-MRI)- und Computertomographie-Angiographie (CTA)-Bildern. Das spezifische Ziel besteht darin, die Korrelation zwischen unterschiedlicher Größe und Richtung von Migrationskräften und geometrischen Mustern des Bogens zu identifizieren, um suboptimale Landezonen für den Stent-Graft-Einsatz zu identifizieren. 2) Entwicklung und Durchführung von In-silico-Simulationen des Einsatzes verschiedener kommerziell erhältlicher Endografts mit patientenspezifischen Randbedingungen. Das genaue Ziel besteht darin, die Auswirkungen der mechanischen Eigenschaften eines bestimmten Geräts auf die Gefäßwand durch strukturelle Finite-Elemente-Analyse (FEA) und auf die Widerstandskräfte in verschiedenen Landezonen durch CFD zu bewerten, um das geeignetere Endograft zu identifizieren. 3) Bewertung der Zugkräfte, die postoperativ auf das Endograft ausgeübt werden, mittels CFD-Analyse basierend auf Folgebildern (d. h. PC-MRI und CTA). Das spezifische Ziel ist es, den prädiktiven Wert der in den PLZs präoperativ gemessenen Widerstandskräfte zu evaluieren und die Ergebnisse aus In-silico-Simulationen zu validieren.

Experimentelles Design Ziel 1: Präoperative medizinische Bilderfassung: CTA wird unter Verwendung einer 16-Schicht-Einheit (150 mAs, 110 kVp; Erfassungsdicke 5 mm, Abstand 1,5; Rekonstruktionsdicke 1,2 mm) vor und nach intravenöser Verabreichung von 100 ml durchgeführt Jodhaltiges Kontrastmittel. Die MRT wird mit einem 1,5-T-Gerät mit 40 mT/m Gradientenleistung (Magneton Sonata Maestro Class, Siemens, Erlangen, Deutschland) und einer Vierkanal-Kardio-Thorax-Spule durchgeführt. EKG-getriggerte, frei durch die Ebene atmende und in der Ebene liegende pc-MRT-Sequenzen werden für die Phasen-Geschwindigkeits-Kartierung des Aorten- und Verzweigungsflusses mit den folgenden technischen Parametern durchgeführt: TR/TE = 4/3,2 ms, Dicke 5 mm, Geschwindigkeitscodierung von 150 bis 350 ms und zeitliche Auflösung 41 ms.

Verarbeitung medizinischer Bilder: Die Ad-hoc-Verarbeitung von präoperativen CTAs, basierend auf einer multiplanaren 3D-Rekonstruktion, wird mit der 3Mensio Vascular Software 8.0® (3Mensio Medical Imaging B.V.) durchgeführt, die spezifische Funktionen für automatische Messungen bietet. Die Patienten werden gemäß der Aortenbogenklassifikation (AAC) stratifiziert. Krümmungsradius, PLZs-Angulation (Tangentenwinkelfunktion) und Tortuosität (Tortuositätswinkelfunktion) werden berechnet. Die 3D-Segmentierung von CTA, die für In-Silico-Simulationszwecke vorgesehen ist, wird von der Software Mimics v18.0 (Materialise, Belgien) durchgeführt. Das 3D-Modell des Aortenlumens im STL-Format wird verwendet, um eine CFD-geeignete Berechnungsdomäne zu erstellen, die vom vmtk-Toolkit (www.vmtk.org) Mesh genannt wird. In-silico-Simulationen: Hochmoderne CFD-Simulationen für die Hämodynamik der Aorta werden vom CFD-Solver durchgeführt, der vom Projekt EmPaTHIC (Emory Pavia Testing Hemodynamics) entwickelt wurde, das LifeV Application Blood Flow durch die Zusammenarbeit zwischen der Emory University, Atlanta, aktualisiert. Georgia, USA (Prof. A. Veneziani) und der Universität Pavia (UniPV) (Prof. F. Auricchio). Die Analyse wird auf dem bei UniPV Nume-Lab verfügbaren Cluster ausgeführt. Das Projekt sieht vor, die Rechenleistung zu erhöhen, indem dem verfügbaren UniPV-Cluster ein weiterer Knoten hinzugefügt wird, sowie die Einrichtung eines Servers in der Policlinico San Donato (PSD), der der Datenspeicherung und Visualisierung der Ergebnisse dient. Berechnung von Widerstandskräften: Die Nachbearbeitung der Simulationen wird durch Python-Skripte basierend auf Visualization Toolkit (VTK)-Bibliotheken und ParaView-Software (Kitware® Inc., Frankreich) durchgeführt. Eine solche Analyse zielt darauf ab, halbautomatisch die Aortenmittellinie zu berechnen, den Aortenbogen in vier Bereiche (d. h. Landezonen) aufzuteilen und die Größe und Richtung der Widerstandskräfte in jeder Zone über den gesamten Herzzyklus zu berechnen. Es wird eine vorläufige Analyse durchgeführt, um zu beurteilen, ob der systolische Höhepunkt der relevanteste Zeitpunkt für unsere Zwecke ist, um möglicherweise den Nachbearbeitungsaufwand zu reduzieren.

Experimentelles Design Ziel 2: Medizinische Bilderfassung: Die für Ziel 1 erfassten präoperativen Bilder werden verwendet. Medizinische Bildverarbeitung: Die 3D-Modelle des Aortenlumens, die aus der für Ziel 1 durchgeführten Verarbeitung stammen, werden verwendet. In-silico-Simulationen. Es werden zwei Arten von Analysen durchgeführt: 1) Simulation von TEVAR durch FEA zur Vorhersage der Endograft-Apposition; 2) CFD-Analyse zur Berechnung der Post-TEVAR-Hämodynamik. Diese Simulationen werden seriell durchgeführt, wobei ein bereits entwickelter und getesteter Rechenrahmen definiert wird. FEA von TEVAR: Wie zuvor von unserer Gruppe berichtet, ähneln die geometrischen Modelle der implantierten Endografts den Hauptmerkmalen echter Endograft-Proben; Die mechanischen Eigenschaften sind aus der verfügbaren Literatur abgeleitet. Als FEA-Solver wird ABAQUSv16 (Simulia, Dassault Systèmes®, FR) verwendet. CFD für Post-TEVAR-Hämodynamik: Ausgehend von der durch die FEA vorhergesagten Konfiguration des Endografts wird die Berechnungsdomäne, die der Aorta mit dem endovaskulären Implantat ähnelt, unter Verwendung der Bildentfernungstechnik aufgebaut. Die Analyse wird dann wie in Ziel 1 beschrieben durchgeführt. Berechnung der Widerstandskräfte: Wie in Ziel 1 beschrieben, wird das entwickelte Nachbearbeitungstool verwendet, um die Größe und Richtung der Widerstandskräfte entlang des Bogens und auch auf der Innenseite zu berechnen Oberfläche des eingesetzten Endografts.

Experimentelles Design Ziel 3: Postoperative medizinische Bilderfassung: CTA- und MRT-Studien und Ad-hoc-Analyse der Bilder werden bei der 6-monatigen Nachsorge bei rekrutierten Patienten durchgeführt, wie in Ziel 1 beschrieben. In-silico-Simulationen: CFD-Analysen werden durchgeführt wie in Ziel 1 beschrieben durchgeführt. Verarbeitung medizinischer Bilder: Es werden derselbe Ansatz und dieselben Werkzeuge wie in Ziel 1 vorgeschlagen verwendet. Eine Segmentierung des postoperativen CTA wird durchgeführt, um ein 3D-Modell des Aortenlumens und der Streben der eingesetzten Endografts zu rekonstruieren. Berechnung der Widerstandskräfte und Validierung: Wie in Ziel 1 wird die 3D-Segmentierung des postoperativen CTA in Kombination mit Flussdaten aus der PC-MRT verwendet, um eine CFD-Analyse durchzuführen, um: 1) den prädiktiven Wert der präoperativ gemessenen Widerstandskräfte zu bewerten (Ziel 1); 2) Validierung der Ergebnisse aus In-silico-Simulationen (Ziel 2).