Fluidodinâmica Computacional na Avaliação do Risco Futuro de Aneurismas de Aorta Ascendente / Computational Fluid Dynamics to Assess the Future Risk of Ascending Aortic Aneurysms

Resumo Fundamentos Uma metodologia para identificação de pacientes portadores de aneurisma de aorta ascendente (AAAs) sob alto risco de remodelamento aórtico não está completamente definida. Objetivo Esta pesquisa objetiva caracterizar numericamente o fluxo sanguíneo aórtico, relacionando a distribuição do estresse mecânico resultante com o crescimento de AAAs. Métodos Estudo analítico, observacional, unicêntrico, em que um protocolo de fluidodinâmica computacional (CFD - Computacional Fluid Dynamics) foi aplicado a imagens de angiotomografia computadorizada (ATC) de aorta de pacientes portadores de AAAs. Duas ATC de aorta com pelo menos um ano de intervalo foram obtidas. Dados clínicos dos pacientes foram registrados e, a partir das imagens de ATC, foram gerados modelos tridimensionais. Foram realizados estudos do campo de velocidade e estruturas coerentes (vórtices) com o objetivo de relacioná-los ao crescimento ou não do aneurisma e, posteriormente, compará-los com os dados clínicos dos pacientes. O teste de Kolmogorov-Smirnov foi utilizado para avaliar a normalidade da amostra e o teste não-paramétrico Wilcoxon signed-rank foi aplicado para comparações de dados pareados entre os ângulos aórticos. A significância estatística foi fixada em 5%. Resultados Para o grupo que apresentou crescimento do aneurisma, a incidência do jato na parede aórtica gerou áreas de recirculação posterior ao jato, induzindo à formação de vórtices complexos, ocasionando um incremento na pressão média no endotélio aórtico. O grupo sem crescimento do aneurisma apresentou diminuição na pressão média. Conclusão Este estudo piloto mostrou que a CFD baseada em ATC pode, em um futuro próximo, ser uma ferramenta auxiliar na identificação dos padrões de fluxo associados ao processo de remodelamento de AAAs.

Abstract Background A methodology to identify patients with ascending aortic aneurysm (AsAA) under high risk for aortic growth is not completely defined Objetive This research seeks to numerically characterize the aortic blood flow by relating the resulting mechanical stress distribution with AsAA growth. Methods Analytical, observational, single-center study in which a computational fluid dynamics (CFD) protocol was applied to aortic computed tomography angiogram (CTA) images of patients with AsAA. Two CTA exams taken at a minimum interval of one year were obtained. From the CTA-gathered images, three-dimensional models were built, and clinical data were registered. Study of velocity field and coherent structures (vortices) was performed aiming to relate them to the presence or absence of aneurysm growth, as well as comparing them to the patients' clinical data. The Kolmogorov-Smirnov test was used to evaluate the normality of the distribution, and the non-parametric Wilcoxon signed-rank test, for non-normal distribution, was used to compare the paired data of the aortic angles. Statistical significance was set at 5%. Results The incident jet in the aortic wall generated recirculation areas in the posterior region of the jet, inducing complex vortices formation in the group with aneurysm growth, leading to an average pressure increase in the ascending aortic wall between exams. In the group without aneurysm growth, the average pressure decreased. Conclusion This pilot study showed that CFD based on CTA may in the near future be a tool to help identify flow patterns associated with AsAA remodeling process.

Predição do Mapa de Estresse em Aorta Ascendente: Otimização da Posição Coaxial no Implante Valvar Aórtico Percutâneo / Prediction of Stress Map in Ascending Aorta - Optimization of the Coaxial Position in Transcatheter Aortic Valve Replacement

Resumo Fundamento O implante valvar aórtico percutâneo (TAVR, do inglês Transcatheter Aortic Valve Replacement) reduz a mortalidade de pacientes portadores de estenose aórtica grave. O conhecimento da distribuição da pressão e tensão de cisalhamento na parede aórtica pode ajudar na identificação de regiões críticas, onde o processo de remodelamento aórtico pode ocorrer. Neste trabalho é apresentado um estudo de simulação computacional da influência do posicionamento do orifício valvar protético na hemodinâmica na raiz de aorta e segmento ascendente. Objetivos A presente análise apresenta um estudo da variação do padrão de fluxo devido a alterações no ângulo do orifício valvar. Métodos Um modelo tridimensional foi gerado a partir do exame de angiotomografia computadorizada da aorta de um paciente que foi submetido ao procedimento de TAVR. Diferentes vazões de fluxo foram impostas através do orifício valvar. Resultados Pequenas variações no ângulo de inclinação causaram mudanças no padrão de fluxo, com deslocamento na posição dos vórtices, na distribuição de pressão e no local de alta tensão cisalhante na parede aórtica. Conclusão Essas características hemodinâmicas podem ser importantes no processo de remodelamento aórtico e distribuição de tensão, além de auxiliar, em um futuro próximo, a otimização do posicionamento da prótese valvar percutânea. (Arq Bras Cardiol. 2020; [online].ahead print, PP.0-0)

Abstract Backgroud Transcatheter aortic valve replacement (TAVR) can reduce mortality among patients with aortic stenosis. Knowledge of pressure distribution and shear stress at the aortic wall may help identify critical regions, where aortic remodeling process may occur. Here a numerical simulation study of the influence of positioning of the prosthetic valve orifice on the flow field is presented. Objective The present analysis provides a perspective of great variance on flow behavior due only to angle changes. Methods A 3D model was generated from computed tomography angiography of a patient who had undergone a TAVR. Different mass flow rates were imposed at the inlet valve. Results Small variations of the tilt angle could modify the nature of the flow, displacing the position of the vortices, and altering the prerssure distribution and the location of high wall shear stress. Conclusion These hemodynamic features may be relevant in the aortic remodeling process and distribution of the stress mapping and could help, in the near future, the optimization of the percutaneous prosthesis implantation. (Arq Bras Cardiol. 2020; [online].ahead print, PP.0-0)

Influence of the tilt angle of Percutaneous Aortic Prosthesis on Velocity and Shear Stress Fields / Influência do Ângulo de Inclinação da Prótese Percutânea Aórtica no Campo de Velocidade e Estresse de Cisalhamento

Abstract Background: Due to the nature of the percutaneous prosthesis deployment process, a variation in its final position is expected. Prosthetic valve placement will define the spatial location of its effective orifice in relation to the aortic annulus. The blood flow pattern in the ascending aorta is related to the aortic remodeling process, and depends on the spatial location of the effective orifice. The hemodynamic effect of small variations in the angle of inclination of the effective orifice has not been studied in detail. Objective: To implement an in vitro simulation to characterize the hydrodynamic blood flow pattern associated with small variations in the effective orifice inclination. Methods: A three-dimensional aortic phantom was constructed, reproducing the anatomy of one patient submitted to percutaneous aortic valve implantation. Flow analysis was performed by use of the Particle Image Velocimetry technique. The flow pattern in the ascending aorta was characterized for six flow rate levels. In addition, six angles of inclination of the effective orifice were assessed. Results: The effective orifice at the -4° and -2° angles directed the main flow towards the anterior wall of the aortic model, inducing asymmetric and high shear stress in that region. However, the effective orifice at the +3° and +5° angles mimics the physiological pattern, centralizing the main flow and promoting a symmetric distribution of shear stress. Conclusion: The measurements performed suggest that small changes in the angle of inclination of the percutaneous prosthesis aid in the generation of a physiological hemodynamic pattern, and can contribute to reduce aortic remodeling.

Resumo Fundamento: Devido à natureza do processo de liberação da prótese percutânea, é esperada uma variabilidade do posicionamento final da válvula. A localização da prótese irá definir a posição espacial do seu orifício efetivo em relação ao ânulo aórtico. O padrão do fluxo sanguíneo em aorta ascendente está relacionado ao processo de remodelamento aórtico, além de ser dependente da disposição espacial do orifício efetivo. O efeito hemodinâmico de pequenas variações na angulação do orifício efetivo ainda não foi estudado em detalhes. Objetivo: O objetivo do presente trabalho foi implementar uma simulação in vitro do fluxo sanguíneo para caracterização do padrão hidrodinâmico, associado a pequenas variações na inclinação do orifício efetivo. Métodos: Para esse fim, foi construído um fantoma aórtico tridimensional, que reproduziu a anatomia de um paciente submetido ao implante valvar percutâneo. A análise de fluxo foi realizada através da técnica de Velocimetria por Imagens de Partícula. O padrão de escoamento em aorta ascendente foi caracterizado para seis níveis de vazão de fluxo. Além disso, foram estudados seis inclinações do orifício efetivo. Resultados: O estudo demonstrou que o orifício efetivo nos ângulos -4° e -2° direcionaram o fluxo principal para a parede anterior do modelo aórtico, induzindo um cisalhamento assimétrico e elevado nessa região. Por outro lado, os ângulos +3° e +5° mimetizam o padrão fisiológico, centralizando o fluxo principal e promovendo uma distribuição simétrica do cisalhamento. Conclusão: As medições realizadas sugerem que pequenas alterações angulares na prótese percutânea auxiliam na geração de um padrão hemodinâmico fisiológico, podendo contribuir para menor remodelamento aórtico.