Biomekanisk revurdering av planlegging for thorax endovaskulær aorta-reparasjon (MALAN)

Hypotese og betydning: Spesifikke og konsistente væskedynamiske mønstre og dragkraftens størrelse og distribusjon kan identifiseres i PLZ-ene til aortabuen, og gir verdifull innsikt for riktig PLZ- og stentgraftvalg under TEVAR-planlegging.

Spesifikt mål: 1) Å vurdere dragkreftene som virker på ulike PLZs i aortabuen ved hjelp av Computed Fluid Dynamic (CFD) analyse av preoperativ fasekontrast-magnetisk resonans (pc-MRI) og computertomografi angiografi (CTA) bilder. Det spesifikke målet er å identifisere korrelasjonen mellom forskjellig størrelse og retning av migrasjonskrefter og geometriske mønstre av buen for å identifisere suboptimale landingssoner for utplassering av stent-graft. 2) Å utvikle og utføre in-silico-simuleringer av utplasseringen av forskjellige kommersielt tilgjengelige endografter med pasientspesifikke grenseforhold. Det eksakte målet er å vurdere virkningen av de mekaniske egenskapene til en spesifikk enhet på karveggen ved strukturell endelig elementanalyse (FEA), og på dragkreftene i forskjellige landingssoner ved hjelp av CFD, for å identifisere det mer passende endotransplantatet. 3) For å vurdere dragkreftene som utøves postoperativt på endograftet ved hjelp av CFD-analyse basert på oppfølgingsbilder (dvs. pc-MRI og CTA). Det spesifikke målet er å evaluere den prediktive verdien av dragkreftene målt preoperativt i PLZ-ene, og validere resultatene fra in-silico-simuleringer.

Eksperimentell design Mål 1: Preoperativ medisinsk bildeinnsamling: CTA vil bli utført ved bruk av en 16-slice enhet (150 mAs, 110 kVp; innsamlingstykkelse 5 mm, pitch 1,5; rekonstruksjonstykkelse 1,2 mm), før og etter intravenøs administrering av 100 mL av jodert kontrastmateriale. MR vil bli utført ved bruk av en 1,5-T enhet med 40-mT/m gradientstyrke (Magneton Sonata Maestro Class, Siemens, Erlangen, Tyskland) og en fire-kanals kardio-thorax spole. EKG-utløste, fritt pustende gjennom plan, og i-plan pc-MRI-sekvenser vil bli utført for fasehastighetskartlegging av aorta- og grenstrøm med følgende tekniske parametere: TR/TE = 4/3.2 ms, tykkelse 5 mm, hastighetskoding fra 150 til 350 ms, og tidsmessig oppløsning 41 ms.

Medisinsk bildebehandling: Ad hoc-behandling av preoperative CTAer, basert på 3D-multiplanrekonstruksjon, vil bli utført med 3Mensio Vascular programvare 8.0® (3Mensio Medical Imaging B.V.), som gir spesifikke funksjoner for automatiske målinger. Pasienter vil bli stratifisert i henhold til Aortic Arches Classification (AAC). Krumningsradius, PLZs vinkling (tangensvinkelfunksjon) og tortuositet (tortuositetsvinkelfunksjon) vil bli beregnet. 3D-segmentering av CTA, rettet for in-silico-simuleringsformål, vil bli utført av programvaren Mimics v18.0 (Materialise, Belgia). 3D-modellen av aorta-lumen i stl-format vil bli brukt til å lage CFD-egnet beregningsdomene, kalt mesh av vmtk toolkit (www.vmtk.org). In-silico-simuleringer: State-of-the-art CFD-simuleringer for aortahemodynamikk vil bli utført av CFD-løseren utviklet av prosjektet EmPaTHIC (Emory Pavia Testing Hemodynamics) som oppdaterer LifeV Application Blood Flow gjennom samarbeidet mellom Emory University, Atlanta, Georgia, USA (Prof. A. Veneziani) og University of Pavia (UniPV) (Prof. F. Auricchio). Analysen vil kjøre på klyngen som er tilgjengelig på UniPV Nume-Lab. Prosjektet tar sikte på å øke beregningskraften ved å legge til en annen node til den tilgjengelige UniPV-klyngen og også sette opp en server ved Policlinico San Donato (PSD) dedikert til datalagring og visualisering av resultatene. Beregning av dragkrefter: Etterbehandlingen av simuleringene vil bli utført av python-skript basert på Visualization Toolkit (VTK) biblioteker og ParaView programvare (Kitware® Inc., Frankrike). En slik analyse tar sikte på å beregne halvautomatisk aortas senterlinje, dele aortabuen i fire regioner (dvs. landingssoner), og beregne størrelsen og retningen til dragkreftene i hver sone, gjennom hele hjertesyklusen. Foreløpig analyse vil bli utført for å vurdere om den systoliske toppen er det mest relevante øyeblikket for våre formål, for å muligens redusere etterbehandlingsinnsatsen.

Eksperimentell design Mål 2: Medisinsk bildeinnhenting: De preoperative bildene som er innhentet for mål 1 vil bli brukt. Medisinsk bildebehandling: 3D-modellene av aorta-lumen avledet fra behandlingen utført for Mål 1 vil bli brukt. In-silico-simuleringer, To typer analyser vil bli utført: 1) Simulering av TEVAR ved FEA for å forutsi endograftapposisjon; 2) CFD-analyse for å beregne post-TEVAR hemodynamikk. Disse simuleringene vil bli utført på en seriell måte som definerer et beregningsrammeverk, som allerede er utviklet og testet. FEA av TEVAR: Som tidligere rapportert av vår gruppe, ligner de geometriske modellene av de implanterte endograftene hovedtrekkene til ekte endograftprøver; mekaniske egenskaper er avledet fra tilgjengelig litteratur. ABAQUSv16 (Simulia, Dassault Systèmes®, FR) brukes som FEA-løser. CFD for post-TEVAR hemodynamikk: Med utgangspunkt i konfigurasjonen av endotransplantatet forutsagt av FEA, bygges det beregningsmessige domenet, som ligner aorta med det endovaskulære implantatet, ved hjelp av bildeavstandsteknikk. Analysen kjøres deretter som beskrevet i Mål 1. Beregning av dragkrefter: Som beskrevet i Mål 1 vil det utviklede etterbehandlingsverktøyet brukes til å beregne størrelsen og retningen til dragkreftene langs buen, og også på den indre overflaten av det utplasserte endotransplantatet.

Eksperimentell design Mål 3: Postoperativ medisinsk bildeinnsamling: CTA- og MR-studier og ad-hoc-analyse av bildene vil bli utført ved 6-måneders oppfølging hos rekrutterte pasienter som beskrevet i mål 1. In-silico-simuleringer: CFD-analyser vil bli utført utføres som beskrevet i Mål 1. Medisinsk bildebehandling: Den samme tilnærmingen og de samme verktøyene foreslått i Mål 1 vil bli brukt. Segmentering av postoperativ CTA vil bli utført for å rekonstruere en 3D-modell av aorta-lumen og av stivere til de utplasserte endograftene. Beregning av dragkrefter og validering: Som i mål 1, vil 3D-segmentering av postoperativ CTA kombinert med strømningsdata fra pc-MRI brukes til å kjøre CFD-analyse for å: 1) Vurdere den prediktive verdien av dragkreftene målt preoperativt (Mål 1); 2) Valider resultatene fra in-silico-simuleringer (Mål 2).