Biomechaniczna ponowna ocena planowania naprawy wewnątrznaczyniowej aorty piersiowej (MALAN)

Hipoteza i znaczenie: Specyficzne i spójne wzorce dynamiki płynów oraz wielkość i rozkład sił oporu można zidentyfikować w PLZ łuku aorty, dostarczając cennych informacji na temat właściwego doboru PLZ i stent-graftu podczas planowania TEVAR.

Cel szczegółowy: 1) Ocena sił oporu działających na różne PLZ łuku aorty za pomocą analizy przedoperacyjnej dynamiki płynów (CFD) obrazów rezonansu magnetycznego z kontrastem fazowym (pc-MRI) i angiografii tomografii komputerowej (CTA). Konkretnym celem jest identyfikacja korelacji między różnymi wielkościami i kierunkami sił migracji a wzorami geometrycznymi łuku, aby zidentyfikować suboptymalne strefy lądowania dla rozmieszczenia stent-graftu. 2) Opracowanie i przeprowadzenie symulacji in silico rozmieszczenia różnych dostępnych na rynku endoprotez przy uwzględnieniu warunków brzegowych specyficznych dla pacjenta. Dokładnym celem jest ocena wpływu właściwości mechanicznych określonego urządzenia na ścianę naczynia za pomocą strukturalnej analizy elementów skończonych (FEA) oraz na siły oporu w różnych strefach lądowania za pomocą CFD, aby zidentyfikować bardziej odpowiedni endoprotez. 3) Ocena sił oporu wywieranych po operacji na przeszczep endoprotezowy za pomocą analizy CFD na podstawie obrazów kontrolnych (tj. pc-MRI i CTA). Konkretnym celem jest ocena wartości predykcyjnej sił oporu mierzonych przed operacją w PLZ i zweryfikowanie wyników symulacji in silico.

Projekt eksperymentalny Cel 1: Akwizycja obrazów medycznych przed operacją: CTA zostanie przeprowadzona przy użyciu 16-warstwowego urządzenia (150 mAs, 110 kVp; grubość akwizycji 5 mm, skok 1,5; grubość rekonstrukcji 1,2 mm), przed i po dożylnym podaniu 100 ml jodowany materiał kontrastowy. MRI zostanie wykonane przy użyciu urządzenia 1,5-T o mocy gradientu 40-mT/m (Magneton Sonata Maestro Class, Siemens, Erlangen, Niemcy) i czterokanałowej cewki kardio-klatki piersiowej. Wyzwalane EKG sekwencje PC-MRI swobodnego oddychania w płaszczyźnie i w płaszczyźnie będą wykonywane w celu mapowania prędkości fazowej przepływu w aorcie i rozgałęzieniach z następującymi parametrami technicznymi: TR/TE = 4/3,2 ms, grubość 5 mm, kodowanie prędkości od 150 do 350 ms i rozdzielczość czasowa 41 ms.

Przetwarzanie obrazów medycznych: Obróbka ad hoc przedoperacyjnych CTA, oparta na wielopłaszczyznowej rekonstrukcji 3D, zostanie przeprowadzona za pomocą oprogramowania 3Mensio Vascular 8.0® (3Mensio Medical Imaging B.V.), które zapewnia określone funkcje do automatycznych pomiarów. Pacjenci zostaną podzieleni na straty zgodnie z klasyfikacją łuków aorty (AAC). Obliczony zostanie promień krzywizny, kątowanie PLZ (funkcja kąta stycznego) i krętość (funkcja kąta krętości). Segmentacja 3D CTA, przeznaczona do celów symulacji in silico, zostanie przeprowadzona za pomocą oprogramowania Mimics v18.0 (Materialise, Belgia). Model 3D światła aorty w formacie stl zostanie wykorzystany do stworzenia odpowiedniej domeny obliczeniowej CFD, zwanej siatką przez zestaw narzędzi vmtk (www.vmtk.org). Symulacje in silico: Najnowocześniejsze symulacje CFD dla hemodynamiki aorty zostaną przeprowadzone przez narzędzie CFD opracowane w ramach projektu EmPaTHIC (Emory Pavia Testing Hemodynamics), który aktualizuje aplikację LifeV Blood Flow dzięki współpracy między Emory University, Atlanta, Georgia, USA (prof. A. Veneziani) oraz Uniwersytet w Pawii (UniPV) (prof. F. Aucchio). Analiza zostanie przeprowadzona na klastrze dostępnym w UniPV Nume-Lab. Projekt przewiduje zwiększenie mocy obliczeniowej poprzez dodanie kolejnego węzła do dostępnego klastra UniPV, a także konfigurację serwera w Policlinico San Donato (PSD) przeznaczonego do przechowywania danych i wizualizacji wyników. Obliczanie sił oporu: Przetwarzanie końcowe symulacji będzie wykonywane przez skrypty Pythona oparte na bibliotekach Visualization Toolkit (VTK) i oprogramowaniu ParaView (Kitware® Inc., Francja). Taka analiza ma na celu półautomatyczne obliczenie linii środkowej aorty, podzielenie łuku aorty na cztery regiony (tj. strefy lądowania) oraz obliczenie wielkości i kierunku sił oporu w każdej strefie w całym cyklu pracy serca. Zostanie przeprowadzona wstępna analiza, aby ocenić, czy szczyt skurczowy jest najbardziej odpowiednim momentem czasowym dla naszych celów, aby ewentualnie zmniejszyć wysiłek związany z przetwarzaniem końcowym.

Projekt eksperymentalny Cel 2: Akwizycja obrazów medycznych: Wykorzystane zostaną obrazy przedoperacyjne pozyskane dla Celu 1. Przetwarzanie obrazów medycznych: Wykorzystane zostaną modele 3D światła aorty pochodzące z przetwarzania wykonanego dla Celu 1. Symulacje in silico. Przeprowadzone zostaną dwa rodzaje analiz: 1) Symulacja TEVAR metodą FEA w celu przewidywania przyłożenia endoprotezy; 2) Analiza CFD w celu obliczenia hemodynamiki po TEVAR. Symulacje te będą wykonywane w sposób szeregowy, definiując ramy obliczeniowe, które zostały już opracowane i przetestowane. FEA TEVAR: Jak wcześniej informowała nasza Grupa, modele geometryczne wszczepionych endoprzeszczepów przypominają główne cechy rzeczywistych próbek endoprzeszczepów; właściwości mechaniczne pochodzą z dostępnej literatury. ABAQUSv16 (Simulia, Dassault Systèmes®, FR) jest używany jako solwer MES. CFD dla hemodynamiki po TEVAR: Wychodząc od konfiguracji endoprotezy przewidzianej przez FEA, domena obliczeniowa, przypominająca aortę z implantem wewnątrznaczyniowym, jest budowana przy użyciu techniki obraz-odległość. Analiza jest następnie przeprowadzana zgodnie z opisem w Celu 1. Obliczanie sił oporu: Jak opisano w Celu 1, opracowane narzędzie do przetwarzania końcowego zostanie użyte do obliczenia wielkości i kierunku sił oporu wzdłuż łuku, a także na wewnętrznej powierzchni rozmieszczonego endograftu.

Projekt eksperymentu Cel 3: Akwizycja pooperacyjnych obrazów medycznych: Badania CTA i MRI oraz analiza ad-hoc obrazów zostaną przeprowadzone po 6-miesięcznej obserwacji zwerbowanych pacjentów, jak opisano w Celu 1. Symulacje in silico: Analizy CFD zostaną przeprowadzane zgodnie z opisem w Celu 1. Przetwarzanie obrazów medycznych: Zastosowane zostanie to samo podejście i te same narzędzia, które zostały zaproponowane w Celu 1. Segmentacja pooperacyjnej CTA zostanie przeprowadzona w celu zrekonstruowania modelu 3D światła aorty i rozpórek umieszczonych endoprotez. Obliczanie sił oporu i walidacja: Podobnie jak w Celu 1, segmentacja 3D pooperacyjnej CTA w połączeniu z danymi przepływu z pc-MRI zostanie wykorzystana do przeprowadzenia analizy CFD w celu: 1) oceny wartości predykcyjnej sił oporu mierzonych przed operacją (Cel 1); 2) Zweryfikuj wyniki symulacji in silico (Cel 2).