Biomekanisk omvärdering av planering för thorax endovaskulär aortareparation (MALAN)

Hypotes och betydelse: Specifika och konsekventa vätskedynamiska mönster och dragkrafternas storlek och fördelning kan identifieras i PLZs i aortabågen, vilket ger värdefulla insikter för korrekt PLZ- och stentgraftval under TEVAR-planering.

Specifikt syfte: 1) Att bedöma dragkrafterna som verkar på olika PLZ i aortabågen med hjälp av Computed Fluid Dynamic (CFD) analys av preoperativ faskontrast-magnetisk resonans (pc-MRI) och datortomografi angiografi (CTA) bilder. Det specifika målet är att identifiera korrelationen mellan olika magnitud och riktning av migrationskrafter och geometriska mönster av bågen för att identifiera suboptimala landningszoner för stent-graftplacering. 2) Att utveckla och utföra in-silico-simuleringar av utplaceringen av olika kommersiellt tillgängliga endotransplantat med patientspecifika randvillkor. Det exakta målet är att bedöma inverkan av de mekaniska egenskaperna hos en specifik anordning på kärlväggen genom strukturell finita elementanalys (FEA), och på dragkrafterna i olika landningszoner med CFD, för att identifiera det mer lämpliga endotransplantatet. 3) Att bedöma dragkrafterna som utövas postoperativt på endotransplantatet med hjälp av CFD-analys baserad på uppföljningsbilder (dvs pc-MRI och CTA). Det specifika målet är att utvärdera det prediktiva värdet av dragkrafterna som uppmätts preoperativt i PLZ och validera resultaten från in-silico-simuleringar.

Experimentell design Mål 1: Preoperativ medicinsk bildinsamling: CTA kommer att utföras med en enhet med 16 skivor (150 mAs, 110 kVp; insamlingstjocklek 5 mm, stigning 1,5; rekonstruktionstjocklek 1,2 mm), före och efter intravenös administrering av 100 mL av joderat kontrastmaterial. MRT kommer att utföras med en 1,5-T enhet med 40-mT/m gradienteffekt (Magneton Sonata Maestro Class, Siemens, Erlangen, Tyskland) och en fyrkanalig kardio-thorax spole. EKG-triggade, friandande genom plana och i planet pc-MRI-sekvenser kommer att utföras för fashastighetskartläggning av aorta- och grenflöden med följande tekniska parametrar: TR/TE = 4/3,2 ms, tjocklek 5 mm, hastighetskodning från 150 till 350 ms och tidsupplösning 41 ms.

Medicinsk bildbehandling: Ad hoc-bearbetning av preoperativa CTAs, baserad på 3D-multiplanarrekonstruktion, kommer att utföras med 3Mensio Vascular mjukvara 8.0® (3Mensio Medical Imaging B.V.), som tillhandahåller specifika funktioner för automatiska mätningar. Patienterna kommer att stratifieras enligt Aortic Arches Classification (AAC). Krökningsradie, PLZs vinkling (tangensvinkelfunktion) och slingrande (slingrande vinkelfunktion) kommer att beräknas. 3D-segmentering av CTA, avsedd för in-silico-simuleringsändamål, kommer att utföras av programvaran Mimics v18.0 (Materialise, Belgien). 3D-modellen av aorta-lumen i stl-format kommer att användas för att skapa en CFD-lämplig beräkningsdomän, kallad mesh av vmtk toolkit (www.vmtk.org). In-silico-simuleringar: Toppmoderna CFD-simuleringar för aortahemodynamik kommer att utföras av CFD-lösaren utvecklad av projektet EmPaTHIC (Emory Pavia Testing Hemodynamics) som uppdaterar LifeV Application Blood Flow genom samarbetet mellan Emory University, Atlanta, Georgia, USA (Prof. A. Veneziani) och University of Pavia (UniPV) (Prof. F. Auricchio). Analysen kommer att köras på klustret som finns tillgängligt på UniPV Nume-Lab. Projektet förutser att öka beräkningskraften genom att lägga till ytterligare en nod till det tillgängliga UniPV-klustret och även uppsättningen av en server vid Policlinico San Donato (PSD) dedikerad till datalagring och visualisering av resultaten. Beräkning av dragkrafter: Efterbearbetningen av simuleringarna kommer att utföras av python-skript baserade på Visualization Toolkit (VTK) bibliotek och ParaView programvara (Kitware® Inc., Frankrike). En sådan analys syftar till att halvautomatiskt beräkna aortans centrumlinje, dela upp aortabågen i fyra regioner (dvs landningszoner) och beräkna storleken och riktningen av dragkrafterna i varje zon, genom hela hjärtcykeln. Preliminär analys kommer att utföras för att bedöma om den systoliska toppen är det mest relevanta ögonblicket för våra syften, för att eventuellt minska efterbearbetningsinsatserna.

Experimentell design Mål 2: Medicinsk bildinsamling: De preoperativa bilderna som förvärvats för mål 1 kommer att användas. Medicinsk bildbehandling: 3D-modellerna av aorta-lumen som härrör från bearbetningen som utförs för Mål 1 kommer att användas. In-silico-simuleringar, Två typer av analyser kommer att utföras: 1) Simulering av TEVAR med FEA för att förutsäga endotransplantatapposition; 2) CFD-analys för att beräkna hemodynamik efter TEVAR. Dessa simuleringar kommer att utföras på ett seriellt sätt som definierar ett beräkningsramverk, som redan är utvecklat och testat. FEA av TEVAR: Som tidigare rapporterats av vår grupp, liknar de geometriska modellerna av de implanterade endotransplantaten huvuddragen hos verkliga endotransplantatprover; mekaniska egenskaper härleds från tillgänglig litteratur. ABAQUSv16 (Simulia, Dassault Systèmes®, FR) används som FEA-lösare. CFD för post-TEVAR hemodynamik: Med utgångspunkt från konfigurationen av endotransplantatet som förutspåtts av FEA, byggs beräkningsdomänen, som liknar aortan med det endovaskulära implantatet, med hjälp av bild-distansteknik. Analysen körs sedan enligt beskrivning i Mål 1. Beräkning av dragkrafter: Som beskrivs i Mål 1 kommer det utvecklade efterbearbetningsverktyget att användas för att beräkna storleken och riktningen av dragkrafterna längs bågen, och även på den inre ytan på det utplacerade endotransplantatet.

Experimentell design Mål 3: Postoperativ medicinsk bildinsamling: CTA- och MRI-studier och ad-hoc-analys av bilderna kommer att utföras vid 6-månadersuppföljning hos rekryterade patienter enligt beskrivningen i mål 1. Simuleringar i silico: CFD-analyser kommer att utföras utförs enligt beskrivning i Mål 1. Medicinsk bildbehandling: Samma tillvägagångssätt och samma verktyg som föreslagits i Mål 1 kommer att användas. Segmentering av postoperativ CTA kommer att utföras för att rekonstruera en 3D-modell av aortalumen och av stöttorna på de utplacerade endotransplantaten. Beräkning av dragkrafter och validering: Som i mål 1 kommer 3D-segmentering av postoperativ CTA kombinerat med flödesdata från pc-MRI att användas för att köra CFD-analys för att: 1) Bedöma det prediktiva värdet av de dragkrafter som uppmäts preoperativt (Mål 1); 2) Validera resultaten från in-silico-simuleringar (Mål 2).