Scopo della tesi: Nella bicuspidia aortica (BAV), il ruolo dei fattori genetici ed emodinamici che influenzano la patologia vascolare a carico dell'aorta ascendente è controverso. Per testare l'effetto della geometria valvolare sul flusso in aorta ascendente è stato utilizzato un modello ad elementi finiti. Metodi: Un modello della superficie della radice aortica ed aorta ascendente è stato ottenuto da immagini di risonanza magnetica di pazienti con BAV e valvola tricuspide (TAV), con l'utilizzo delle capacità di segmentazione del software Vascular Modelling Toolkit. Modelli analitici dell'orifizio bicuspide (antero-posteriore, AP e latero-laterale, L-L) e tricuspide sono stati matematicamente definiti. I modelli sono stati trasformati in mesh volumetriche di tetraedri lineari per eseguire le simulazioni fluidodinamiche con l'utilizzo del codice ad elementi finiti LifeV. Il campi di velocità del flusso aortico sono stati definiti a quattro livelli: annulus, seni di Valsalva, giunzione sino-tubulare ed aorta ascendente. Risultati: Da un confronto mediante analisi ad elementi finiti del modello bicuspide e tricuspide si ottiene un pattern di flusso completamente diverso. Il flusso aortico nelle configurazioni bicuspidi mostra una distribuzione asimmetrica del campo di velocità verso la convessità dell'aorta ascendente media, tornando simmetrico a livello dell'aorta ascendente distale. Il flusso nel modello tricuspide è, al contrario, simmetrico in tutti i segmenti aortici. Paragonando poi i modelli bicuspidi A-P e L-L si notano zone di ricircolo più pronunciate in quest'ultimo. Infine lo stress a parete massimo per entrambi i modelli bicuspidi è localizzato alla convessità dell'aorta ascendente media. Conclusioni: Il confronto tra i modelli proposti mostra flusso asimmetrico e con maggior velocità nei modelli bicuspidi, in particolare l'A-P. Lo stress a parete è massimo nella zona aortica maggiormente sottoposta a formazione di aneurismi. Questi risultati supportano l'ipotesi che fattori emodinamici possano contribuire alla patologia aneurismatica dell'aorta ascendente nei pazienti bicuspidi.

Purpose: In bicuspid aortic valve disease (BAV) role of genetic and hemodynamic factors influencing ascending aortic pathology is controversial. To test the effect of BAV geometry on ascending aortic flow, a Finite Element Model analysis was undertaken. Methods: A surface model of the aortic root and ascending aorta was obtained from magnetic resonance images of patients with BAV and tricuspid valve using segmentation facilities of the image processing code Vascular Modelling Toolkit. Analytical models of bicuspid (antero-posterior, AP and latero-lateral, LL) and tricuspid orifices were mathematically defined. Models were then turned into volumetric meshes of linear tetrahedra for computational fluid dynamics simulations. Numerical simulations were performer with the Finite Element code LifeV. Flow velocity fields were assessed ad four levels: aortic annulus, sinuses of Valsalva, sinotubular junction, ascending aorta. Results: Comparison of finite-element analysis of bicuspid and tricuspid aortic valve shows different blood flow velocity pattern. Flow in bicuspid configurations shows asymmetrical distribution of velocity field towards the convexity of mid-ascending aorta, returning symmetrical in distal ascending aorta. On the contrary, tricuspid flow is symmetrical in each aortic segment. Comparing AP-BAV with LL-BAV, more pronounced recirculation zones have been noticed in the latter. Finally, we found that in both BAV configurations maximum wall shear stress is highly localized at the convex portion of mid-ascending aorta. Conclusions: Comparison between models show asymmetrical and higher flow velocity in bicuspid models, in particolar in AP configuration. Wall shear stress is maximum at the aortic level known to be more exposed to aneurysm formation in bicuspid patients. This supports the hypothesis that hemodynamic factors may contribute to ascending aortic pathology in this subset of patients.

LA PATOLOGIA AORTICA NELLA BICUSPIDIA VALVOLARE: MODELLI MATEMATICI AD ELEMENTIFINITI E CORRELAZIONI FLUIDODINAMICHE

VISCARDI, Francesca
2010

Abstract

Scopo della tesi: Nella bicuspidia aortica (BAV), il ruolo dei fattori genetici ed emodinamici che influenzano la patologia vascolare a carico dell'aorta ascendente è controverso. Per testare l'effetto della geometria valvolare sul flusso in aorta ascendente è stato utilizzato un modello ad elementi finiti. Metodi: Un modello della superficie della radice aortica ed aorta ascendente è stato ottenuto da immagini di risonanza magnetica di pazienti con BAV e valvola tricuspide (TAV), con l'utilizzo delle capacità di segmentazione del software Vascular Modelling Toolkit. Modelli analitici dell'orifizio bicuspide (antero-posteriore, AP e latero-laterale, L-L) e tricuspide sono stati matematicamente definiti. I modelli sono stati trasformati in mesh volumetriche di tetraedri lineari per eseguire le simulazioni fluidodinamiche con l'utilizzo del codice ad elementi finiti LifeV. Il campi di velocità del flusso aortico sono stati definiti a quattro livelli: annulus, seni di Valsalva, giunzione sino-tubulare ed aorta ascendente. Risultati: Da un confronto mediante analisi ad elementi finiti del modello bicuspide e tricuspide si ottiene un pattern di flusso completamente diverso. Il flusso aortico nelle configurazioni bicuspidi mostra una distribuzione asimmetrica del campo di velocità verso la convessità dell'aorta ascendente media, tornando simmetrico a livello dell'aorta ascendente distale. Il flusso nel modello tricuspide è, al contrario, simmetrico in tutti i segmenti aortici. Paragonando poi i modelli bicuspidi A-P e L-L si notano zone di ricircolo più pronunciate in quest'ultimo. Infine lo stress a parete massimo per entrambi i modelli bicuspidi è localizzato alla convessità dell'aorta ascendente media. Conclusioni: Il confronto tra i modelli proposti mostra flusso asimmetrico e con maggior velocità nei modelli bicuspidi, in particolare l'A-P. Lo stress a parete è massimo nella zona aortica maggiormente sottoposta a formazione di aneurismi. Questi risultati supportano l'ipotesi che fattori emodinamici possano contribuire alla patologia aneurismatica dell'aorta ascendente nei pazienti bicuspidi.
bicuspid aortic valve; computational fluid dynamics; finite element analysis; aortic aneurysm
Purpose: In bicuspid aortic valve disease (BAV) role of genetic and hemodynamic factors influencing ascending aortic pathology is controversial. To test the effect of BAV geometry on ascending aortic flow, a Finite Element Model analysis was undertaken. Methods: A surface model of the aortic root and ascending aorta was obtained from magnetic resonance images of patients with BAV and tricuspid valve using segmentation facilities of the image processing code Vascular Modelling Toolkit. Analytical models of bicuspid (antero-posterior, AP and latero-lateral, LL) and tricuspid orifices were mathematically defined. Models were then turned into volumetric meshes of linear tetrahedra for computational fluid dynamics simulations. Numerical simulations were performer with the Finite Element code LifeV. Flow velocity fields were assessed ad four levels: aortic annulus, sinuses of Valsalva, sinotubular junction, ascending aorta. Results: Comparison of finite-element analysis of bicuspid and tricuspid aortic valve shows different blood flow velocity pattern. Flow in bicuspid configurations shows asymmetrical distribution of velocity field towards the convexity of mid-ascending aorta, returning symmetrical in distal ascending aorta. On the contrary, tricuspid flow is symmetrical in each aortic segment. Comparing AP-BAV with LL-BAV, more pronounced recirculation zones have been noticed in the latter. Finally, we found that in both BAV configurations maximum wall shear stress is highly localized at the convex portion of mid-ascending aorta. Conclusions: Comparison between models show asymmetrical and higher flow velocity in bicuspid models, in particolar in AP configuration. Wall shear stress is maximum at the aortic level known to be more exposed to aneurysm formation in bicuspid patients. This supports the hypothesis that hemodynamic factors may contribute to ascending aortic pathology in this subset of patients.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11562/343905
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