Reavaliação Biomecânica do Planejamento da Reparação Endovascular da Aorta Torácica (MALAN)

Hipótese e significância: Padrões fluidodinâmicos específicos e consistentes e magnitude e distribuição das forças de arrasto podem ser identificados nas PLZs do arco aórtico, fornecendo informações valiosas para a seleção adequada de PLZ e endoprótese durante o planejamento TEVAR.

Objetivos Específicos: 1) Avaliar as forças de arrasto atuando em diferentes PLZs do arco aórtico por meio da análise de Fluidos Dinâmicos Computadorizados (CFD) de contraste de fase pré-operatória-Ressonância Magnética (pc-MRI) e Angiografia por Tomografia Computadorizada (CTA). O objetivo específico é identificar a correlação entre diferentes magnitudes e direções de forças de migração e padrões geométricos do arco para identificar zonas de aterrissagem subótimas para implantação de endoprótese. 2) Desenvolver e realizar simulações in silico da implantação de diferentes endopróteses disponíveis comercialmente com condições limite específicas do paciente. O objetivo exato é avaliar o impacto das características mecânicas de um dispositivo específico na parede do vaso por análise estrutural de elementos finitos (FEA) e nas forças de arrasto em diferentes zonas de aterrissagem por CFD, para identificar o endoprótese mais adequado. 3) Avaliar as forças de arrasto exercidas no pós-operatório na endoprótese por meio de análise CFD com base em imagens de acompanhamento (ou seja, pc-MRI e CTA). O objetivo específico é avaliar o valor preditivo das forças de arrasto medidas no pré-operatório nas PLZs e validar os resultados das simulações in silico.

Desenho Experimental Objetivo 1: Aquisição de imagens médicas pré-operatórias: A CTA será realizada usando uma unidade de 16 cortes (150 mAs, 110 kVp; espessura de aquisição 5 mm, pitch 1,5; espessura de reconstrução 1,2 mm), antes e após a administração intravenosa de 100 mL de material de contraste iodado. A ressonância magnética será realizada usando uma unidade de 1,5 T com potência de gradiente de 40 mT/m (Magneton Sonata Maestro Class, Siemens, Erlangen, Alemanha) e uma bobina cardiotorácica de quatro canais. Sequências de pc-MRI desencadeadas por ECG, respiração livre através do plano e no plano serão realizadas para mapeamento de velocidade de fase do fluxo aórtico e ramos com os seguintes parâmetros técnicos: TR/TE = 4/3.2 ms, espessura de 5 mm, codificação de velocidade de 150 a 350 ms e resolução temporal de 41 ms.

Processamento de imagens médicas: O processamento ad hoc de CTAs pré-operatórias, baseado em reconstrução multiplanar 3D, será realizado com o software 3Mensio Vascular 8.0® (3Mensio Medical Imaging B.V.), que fornece funções específicas para medições automáticas. Os pacientes serão estratificados de acordo com a Classificação dos Arcos Aórticos (AAC). Raio de curvatura, angulação PLZs (função ângulo tangente) e tortuosidade (função ângulo tortuosidade) serão calculados. A segmentação 3D do CTA, destinada à simulação in silico, será realizada pelo software Mimics v18.0 (Materialise, Bélgica). O modelo 3D do lúmen aórtico no formato stl será usado para criar um domínio computacional adequado para CFD, chamado de malha pelo kit de ferramentas vmtk (www.vmtk.org). Simulações in silico: Simulações CFD de última geração para hemodinâmica aórtica serão realizadas pelo solucionador CFD desenvolvido pelo projeto EmPaTHIC (Emory Pavia Testing Hemodynamics) que atualiza o LifeV Application Blood Flow por meio da colaboração entre a Emory University, Atlanta, Geórgia, EUA (Prof. A. Veneziani) e Universidade de Pavia (UniPV) (Prof. F. Auricchio). A análise será executada no cluster disponível no UniPV Nume-Lab. O projeto prevê aumentar o poder computacional adicionando outro nó ao cluster UniPV disponível e também a instalação de um servidor na Policlínica San Donato (PSD) dedicado ao armazenamento de dados e visualização dos resultados. Cálculo das forças de arrasto: O pós-processamento das simulações será realizado por scripts python baseados nas bibliotecas Visualization Toolkit (VTK) e no software ParaView (Kitware® Inc., França). Essa análise visa calcular semiautomaticamente a linha central da aorta, dividindo o arco aórtico em quatro regiões (ou seja, zonas de aterrissagem) e calculando a magnitude e a direção das forças de arrasto em cada zona, durante todo o ciclo cardíaco. Análises preliminares serão realizadas para avaliar se o pico sistólico é o instante de tempo mais relevante para nossos propósitos, a fim de possivelmente reduzir os esforços de pós-processamento.

Desenho Experimental Objetivo 2: Aquisição de imagens médicas: Serão utilizadas as imagens pré-operatórias adquiridas para o Objetivo 1. Processamento de imagens médicas: Serão utilizados os modelos 3D do lúmen aórtico derivados do processamento realizado para o Objetivo 1. Simulações in silico, Dois tipos de análise serão realizados: 1) Simulação de TEVAR por FEA para prever a aposição de endoprótese; 2) Análise de CFD para calcular a hemodinâmica pós-TEVAR. Estas simulações serão realizadas de forma serial definindo um framework computacional já desenvolvido e testado. FEA do TEVAR: Conforme relatado anteriormente pelo nosso Grupo, os modelos geométricos das endopróteses implantadas assemelham-se às principais características de amostras de endopróteses reais; as propriedades mecânicas são derivadas da literatura disponível. ABAQUSv16 (Simulia, Dassault Systèmes®, FR) é usado como solucionador FEA. CFD para hemodinâmica pós-TEVAR: A partir da configuração da endoprótese prevista pela FEA, o domínio computacional, semelhante à aorta com o implante endovascular, é construído usando a técnica de imagem à distância. A análise é então executada conforme descrito no Objetivo 1. Cálculo das forças de arrasto: Conforme descrito no Objetivo 1, a ferramenta de pós-processamento desenvolvida será usada para calcular a magnitude e a direção das forças de arrasto ao longo do arco e também no interior superfície da endoprótese implantada.

Projeto Experimental Objetivo 3: Aquisição de imagens médicas pós-operatórias: estudos de CTA e MRI e análise ad-hoc das imagens serão realizados no acompanhamento de 6 meses em pacientes recrutados, conforme descrito no Objetivo 1. Simulações in silico: análises de CFD serão realizado conforme descrito no Objetivo 1. Processamento de imagens médicas: A mesma abordagem e as mesmas ferramentas propostas no Objetivo 1 serão usadas. A segmentação da CTA pós-operatória será realizada para reconstruir um modelo 3D do lúmen aórtico e das hastes das endopróteses implantadas. Cálculo das forças de arrasto e validação: Como no Objetivo 1, a segmentação 3D da CTA pós-operatória combinada com dados de fluxo de pc-MRI será usada para executar a análise CFD para: 1) Avaliar o valor preditivo das forças de arrasto medidas no pré-operatório (Objetivo 1); 2) Validar os resultados das simulações in silico (Objetivo 2).