Computational fluid simulations in clinical datasets for understanding thrombus formation before and after left atrial appendage occlusion

Abstract

Atrial fibrillation is considered the most common arrhythmia in humans. Because the left atrium of the heart stops beating properly and begins to do so in an arrhythmic manner, the blood may become stagnant in a small cavity attached to the left atrium called the left atrium. If this happens, a thrombus forms in this cavity which can lead to an stroke. One of the possible treatments, especially if the patient has contraindications to anticoagulants is the closure of the left atrial appendage with a device introduced non-invasively. However, the reason why some shapes of left atrial appendages form a thrombus or not, or why after the intervention some patients form them on the device surface is not entirely clear. Blood velocity is known to be one of the most important factors in the process of thrombogenesis, but current imaging techniques do not have enough resolution to assess flow so locally. For this reason flow simulations based on computational fluid dynamics and numerical methods, already used in other sectors of the industry (e.g. aeronautics or automotive), could be used to predict which patients will form thrombus or not in a personalized manner. The thesis below aims to help clarify the role of flow in the thrombus formation process in patients with atrial fibrillation using computational fluid dynamics simulations personalized to each patient. To do this, the thesis is divided into three main contributions. First, a sensitivity analysis to test all the approaches published so far and new methods developed during the course of this thesis. Second, it will be shown how pulmonary veins, an understudied factor, have a key role in the hemodynamics of flow within the left atrium and therefore in thrombus formation along with other cavity morphological factors using the largest simulated cohort of patients to this date. Finally, it will be shown how the position of the device is key when creating local flow re-circulations at low velocities which can then activate the coagulation process forming a thrombus.

La fibril·lació auricular esta considerada la arítmia més comuna en humans. Degut a que la aurícula esquerra del cor deixa de bategar correctament i ho comenc¸a fer de una forma arítmica, la sang es pot quedar estancada en una petita cavitat adjunta a la aurícula esquerra anomenada orelleta esquerra. Si això passa, es forma un trombe en aquesta cavitat que pot derivar en una embòlia. Un dels possibles tractaments, sobretot si el pacient té contraindicació als anticoagulants es el tancament de la orelleta esquerra amb un dispositiu introdïıt de manera no-invasiva. Tot i així, el motiu per el qual algunes orelletes formen trombe o no, o perquè després de la intervenció alguns pacients en formen sobre la superfície dispositiu no esta del tot clar. Se sap que la velocitat de la sang es un dels factors més importants en el procés de trombogénesis, però les actuals tècniques d’imatge no tenen prou resolució per avaluar el flux de forma tant local. Per aquest motiu les simulacions de flux basades en la din`amica de fluids computacional i en mètodes numèrics, ja utilitzades en altres sectors de la industria (p. e. aeronàutica o automobilística), podrien arribar a predir quins pacients formaran trombe o no de forma personalitzada. La tesis que trobareu a continuació intenta ajudar a esclarir el paper del flux en el procés de formació de trombe en pacients amb fibril·lació auricular utilitzant simulacions de dinàmica de fluid computacional personalitzades a cada pacient. Per fer-ho, la tesis es divideix en tres aportacions principals. En primer lloc, anàlisis sensitius, per testejar tots els mètodes provats fins ara i a on també es provaran mètodes nous desenvolupats durant el transcurs d’aquesta tesis. Segon, es mostrarà com les venes pulmonars, un factor molt poc estudiat, tenen un paper clau en la hemodinàmica del flux dintre de l’aurícula esquerra i per tant, en la formació de trombe juntament amb altres factors morfològics de la cavitat utilitzant el cohort de pacients simulat més gran fins el dia d’avui. Per últim, es mostrarà com la posició del dispositiu es clau a la hora de crear recirculacions de flux local a velocitats baixes que després poden activar el procés de coagulació formant un trombe.