Computational analysis of fluid dynamics at the asceding thoracic aorta in Marfan syndrome patients

Author

Pons Cots, Ramon Maria

Director

Martorell López, Jordi

Date of defense

2020-06-19

Pages

197 p.



Department/Institute

Universitat Ramon Llull. IQS

Abstract

Els aneurismes aòrtics són una dilatació progressiva i irreversible de la paret aòrtica, que pot causar la ruptura o dissecció dels vasos, el que resulta en una pèrdua catastròfica de sang que condueix a la mort. El tractament farmacològic inicial se centra en aturar el creixement per prevenir la ruptura, però requereix una reparació invasiva oberta o una reparació endovascular en pacients en risc. El maneig del pacient i l'estratificació de risc després del diagnòstic són crítics, especialment en l'aorta ascendent, ja que actualment no hi ha tractaments endovasculars disponibles. Segons les directrius actuals, el diàmetre aòrtic màxim és l'únic criteri geomètric o fluidodinàmic específic del pacient acceptat com a predictor clínic del risc de ruptura. No obstant això, l'anormal fluidodinàmica en l'aorta ascendent s'ha reportat àmpliament com una possible font d'aneurismes aòrtics i la seva comprensió podria millorar l'avaluació del risc del pacient. En aquest estudi, es va avaluar la fluidodinàmica en aortes de controls sans i pacients amb síndrome de Marfan. Per fer això, hem comparat el rendiment de les simulacions de dinàmica de fluids computacional i d'interacció fluid-estructura utilitzant imatges clíniques com a condicions específiques del pacient. També hem dissenyat un sistema in vitro que podria exposar les cèl·lules endotelials aòrtiques humanes a un entorn fluidodinàmic que imita el de les simulacions aòrtiques. L'estudi ha revelat, en pacients Marfan, que considerà l'elasticitat de la paret en les simulacions és essencial per obtenir amb precisió els valors fluidodinàmics que tenen el potencial d'estratificar aquests pacients. En aquest sentit, les simulacions d'interacció fluid-estructura han superat la fluidodinàmica computacional clàssica a un cost computacional moderat. Com a resultat d'aquest estudi, un paràmetre adimensional, la relació d'esforç tallant, ha determinat el seu potencial com a marcador de progressió d'aneurisma en pacients amb Marfan.


Los aneurismas aórticos son una dilatación progresiva e irreversible de la pared aórtica, que puede causar la ruptura o disección de los vasos, lo que resulta en una pérdida catastrófica de sangre que conduce a la muerte. El tratamiento farmacológico inicial se centra en detener el crecimiento para prevenir la ruptura, pero se requiere una reparación invasiva abierta o una reparación endovascular en pacientes en riesgo. El manejo del paciente y la estratificación del riesgo después del diagnóstico son críticos, especialmente en la aorta ascendente, ya que actualmente no hay tratamientos endovasculares disponibles. Según las directrices actuales, el diámetro aórtico máximo es el único criterio geométrico o fluidodinámico específico del paciente aceptado como predictor clínico del riesgo de ruptura. Sin embargo, la anormal fluidodinámica en la aorta ascendente se ha reportado ampliamente como una posible fuente de aneurismas aórticos y su comprensión podría mejorar la evaluación del riesgo del paciente. En este estudio, se evaluó la fluidodinámica en aortas de controles sanos y pacientes con síndrome de Marfan. Para hacer esto, hemos comparado el rendimiento de las simulaciones de dinámica de fluidos computacional y de interacción fluido-estructura utilizando imágenes clínicas como condiciones específicas del paciente. También hemos diseñado un sistema in vitro que podría exponer las células endoteliales aórticas humanas a un entorno fluidodinámico que imita el de las simulaciones aórticas. El estudio ha revelado, en pacientes Marfan, que considerar la elasticidad de la pared en las simulaciones es esencial para obtener con precisión los valores dinámicos de los fluidos que tienen el potencial de estratificar a estos pacientes. En este sentido, las simulaciones de interacción fluido-estructura han superado la fluidodinámica computacional clásica a un costo computacional moderado. Como resultado de este estudio, un parámetro adimensional, la relación de esfuerzo cortante, ha demostrado su potencial como marcador de progresión de aneurisma en pacientes con Marfan.


Aortic aneurysms are a progressive and irreversible dilation of the aortic wall, which can lead to vessel rupture or dissection, resulting in catastrophic blood loss leading to death. Initial pharmacological treatment is focused on growth arrest to prevent rupture, but invasive open repair or endovascular repair are required in patients at risk. Patient management and risk stratification after diagnosis are critical, especially in the ascending aorta since no endovascular treatments are currently available. According to current guidelines, maximum aortic diameter is the only patient-specific geometrical or fluidodynamic criterion accepted as clinical rupture risk predictor. However, abnormal fluid dynamics at the ascending aorta have been widely reported as potential origin of aortic aneurysms and their understanding could improve the risk assessment of patients. In this study, the fluid dynamics of aortae from healthy controls and patients with Marfan syndrome have been evaluated. To do so, we have compared the performance of computational fluid dynamics and fluid-structure interaction simulations using clinical imaging as patient-specific inputs. We have also designed an in vitro system that could expose human aortic endothelial cells to a fluidodynamic environment that mimics that of aortic simulations. The study has revealed, in Marfan patients, that considering the wall elasticity in simulations is critical to derive precisely fluid dynamic values that hold the potential to stratify such patients. In this sense, fluid-structure interaction simulations have outperformed classic computational fluid dynamics at a moderate computational cost. As a result of this study, a dimensionless parameter, the shear stress ratio, has shown its potential as marker of aneurysm progression in Marfan patients.

Keywords

Aorta; Aneurisma; Marfan; CFD; FSI; Simulacions

Subjects

616.1 - Pathology of the circulatory system, blood vessels. Cardiovascular complaints

Knowledge Area

Salut i serveis socials

Documents

Tesi_Ramon_Maria_Pons.pdf

6.112Mb

 

Rights

ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.

This item appears in the following Collection(s)