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

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.

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.

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.

Effect of percutaneous aortic valve position on stress map in ascending aorta: A fluid-structure interaction analysis.

Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is an increasingly widespread procedure. Although this intervention is indicated for high and low surgical risk patients, some issues still remain, such as prosthesis positioning optimization in the aortic annulus. Coaxial positioning of the percutaneous prosthesis influences directly on the aortic wall stress map. The determination of the mechanical stress that acts on the vascular endothelium resulting from blood flow can be considered an important task, since TAVI positioning can lead to unfavorable hemodynamic patterns, resulting in changes in parietal stress, such as those found in post-stenotic dilatation region. This research aims to investigate the influence of the prosthetic valve inclination angle in the mechanical stresses acting in the ascending aortic wall. Aortic compliance and blood flow during cardiac cycle were numerically obtained using fluid structure interaction. The aortic model was developed through segmentation of a computed tomography image of a specific patient submitted to TAVI. When compared to standard position (coaxiality match between the prosthesis and the aortic annulus), the inclination of 4° directed to the left main coronary artery decreased the aortic wall area with high values of wall shear stress and pressure. Coaxial positioning optimization of percutaneous aortic prosthesis may decrease the high mechanical stress area. These changes may be important to reduce the aortic remodeling process, vascular calcification or even the prosthesis half-life. Computational fluid dynamics makes room for personalized medicine, with manufactured prosthesis tailored to each patient.