Rivalutazione biomeccanica della pianificazione per la riparazione dell'aorta endovascolare toracica (MALAN)

Ipotesi e significato: nei PLZ dell'arco aortico possono essere identificati modelli fluidodinamici specifici e coerenti e l'entità e la distribuzione delle forze di trascinamento, fornendo preziose informazioni per una corretta selezione del PLZ e dell'innesto di stent durante la pianificazione TEVAR.

Scopo specifico: 1) Valutare le forze di trascinamento che agiscono su diversi PLZ dell'arco aortico mediante l'analisi CFD (Computed Fluid Dynamic) di immagini preoperatorie di contrasto di fase-risonanza magnetica (pc-MRI) e angiografia tomografica computerizzata (CTA). L'obiettivo specifico è identificare la correlazione tra la diversa entità e direzione delle forze di migrazione e i modelli geometrici dell'arco per identificare le zone di atterraggio non ottimali per il dispiegamento dell'endoprotesi. 2) Sviluppare ed eseguire simulazioni in-silico del dispiegamento di diversi endoprotesi disponibili in commercio con condizioni al contorno specifiche del paziente. L'obiettivo esatto è valutare l'impatto delle caratteristiche meccaniche di un dispositivo specifico sulla parete del vaso mediante analisi strutturale agli elementi finiti (FEA) e sulle forze di trascinamento in diverse zone di atterraggio mediante CFD, per identificare l'endoprotesi più adatta. 3) Valutare le forze di trascinamento esercitate dopo l'intervento sull'endoprotesi mediante analisi CFD basate su immagini di follow-up (ad esempio, pc-MRI e CTA). L'obiettivo specifico è valutare il valore predittivo delle forze di trascinamento misurate preoperatoriamente nelle PLZ e convalidare i risultati delle simulazioni in silico.

Disegno sperimentale Obiettivo 1: Acquisizione di immagini mediche preoperatorie: la CTA verrà eseguita utilizzando un'unità a 16 strati (150 mAs, 110 kVp; spessore di acquisizione 5 mm, passo 1,5; spessore di ricostruzione 1,2 mm), prima e dopo la somministrazione endovenosa di 100 mL di materiale di contrasto iodato. La risonanza magnetica verrà eseguita utilizzando un'unità da 1,5 T con una potenza del gradiente di 40 mT/m (Magneton Sonata Maestro Class, Siemens, Erlangen, Germania) e una bobina cardio-toracica a quattro canali. Verranno eseguite sequenze pc-MRI innescate da ECG, respiro libero attraverso il piano e in piano per la mappatura della velocità di fase del flusso aortico e dei rami con i seguenti parametri tecnici: TR/TE = 4/3.2 ms, spessore 5 mm, velocità di codifica da 150 a 350 ms e risoluzione temporale 41 ms.

Elaborazione di immagini mediche: l'elaborazione ad hoc di CTA preoperatorie, basata sulla ricostruzione multiplanare 3D, sarà eseguita con il software 3Mensio Vascular 8.0® (3Mensio Medical Imaging B.V.), che fornisce funzioni specifiche per le misurazioni automatiche. I pazienti saranno stratificati secondo la classificazione degli archi aortici (AAC). Verranno calcolati il ​​raggio di curvatura, l'angolazione delle PLZ (funzione dell'angolo tangente) e la tortuosità (funzione dell'angolo di tortuosità). La segmentazione 3D di CTA, finalizzata a scopi di simulazione in-silico, sarà eseguita dal software Mimics v18.0 (Materialise, Belgio). Il modello 3D del lume aortico in formato stl verrà utilizzato per creare un dominio computazionale CFD adatto, chiamato mesh da vmtk toolkit (www.vmtk.org). Simulazioni in-silico: simulazioni CFD allo stato dell'arte per l'emodinamica aortica saranno eseguite dal solutore CFD sviluppato dal progetto EmPaTHIC (Emory Pavia Testing Hemodynamics) che aggiorna LifeV Application Blood Flow attraverso la collaborazione tra Emory University, Atlanta, Georgia, Stati Uniti (prof. A. Veneziani) e Università di Pavia (UniPV) (Prof. F.Auricchio). L'analisi verrà eseguita sul cluster disponibile presso UniPV Nume-Lab. Il progetto prevede di aumentare la potenza computazionale aggiungendo un altro nodo al cluster UniPV disponibile e anche la realizzazione di un server presso il Policlinico San Donato (PSD) dedicato all'archiviazione dei dati e alla visualizzazione dei risultati. Calcolo delle forze di trascinamento: la post-elaborazione delle simulazioni sarà eseguita da script Python basati sulle librerie Visualization Toolkit (VTK) e sul software ParaView (Kitware® Inc., Francia). Tale analisi mira a calcolare in modo semiautomatico la linea centrale aortica, dividendo l'arco aortico in quattro regioni (cioè zone di atterraggio) e calcolando l'entità e la direzione delle forze di trascinamento in ciascuna zona, attraverso l'intero ciclo cardiaco. Verrà eseguita un'analisi preliminare per valutare se il picco sistolico è l'istante temporale più rilevante per i nostri scopi, al fine di ridurre eventualmente gli sforzi di post-elaborazione.

Disegno sperimentale Obiettivo 2: Acquisizione di immagini mediche: Verranno utilizzate le immagini pre-operatorie acquisite per l'obiettivo 1. Elaborazione di immagini mediche: Verranno utilizzati i modelli 3D del lume aortico derivati ​​dall'elaborazione eseguita per l'obiettivo 1. Simulazioni in-silico Verranno eseguiti due tipi di analisi: 1) Simulazione di TEVAR mediante FEA per predire l'apposizione dell'endoprotesi; 2) Analisi CFD per il calcolo dell'emodinamica post-TEVAR. Queste simulazioni verranno eseguite in modo seriale definendo un framework computazionale, che è già stato sviluppato e testato. FEA di TEVAR: come riportato in precedenza dal nostro gruppo, i modelli geometrici degli endoprotesi impiantati assomigliano alle caratteristiche principali dei campioni di endoprotesi reali; le proprietà meccaniche sono derivate dalla letteratura disponibile. ABAQUSv16 (Simulia, Dassault Systèmes®, FR) viene utilizzato come risolutore FEA. CFD per l'emodinamica post-TEVAR: a partire dalla configurazione dell'endoprotesi prevista dalla FEA, il dominio computazionale, simile all'aorta con l'impianto endovascolare, viene costruito utilizzando la tecnica della distanza dell'immagine. L'analisi viene quindi eseguita come descritto nell'Obiettivo 1. Calcolo delle forze di resistenza: come descritto nell'Obiettivo 1, lo strumento di post-elaborazione sviluppato verrà utilizzato per calcolare l'entità e la direzione delle forze di resistenza lungo l'arco e anche all'interno superficie dell'endoprotesi dispiegata.

Disegno sperimentale Obiettivo 3: Acquisizione di immagini mediche postoperatorie: studi CTA e MRI e analisi ad hoc delle immagini saranno eseguiti al follow-up di 6 mesi in pazienti reclutati come descritto nell'obiettivo 1. Simulazioni in-silico: le analisi CFD saranno eseguita come descritto nell'Obiettivo 1. Elaborazione di immagini mediche: Verranno utilizzati lo stesso approccio e gli stessi strumenti proposti nell'Obiettivo 1. La segmentazione della CTA post-operatoria sarà eseguita per ricostruire un modello 3D del lume aortico e dei puntoni degli endoprotesi dispiegati. Calcolo delle forze di trascinamento e convalida: come nell'obiettivo 1, la segmentazione 3D della CTA postoperatoria combinata con i dati di flusso da pc-MRI verrà utilizzata per eseguire l'analisi CFD al fine di: 1) Valutare il valore predittivo delle forze di trascinamento misurate prima dell'intervento (Obiettivo 1); 2) Validare i risultati delle simulazioni in-silico (Obiettivo 2).