Ascending Aorta Parametric Modeling and Fluid Dynamics Analysis in a Child Patient with Congenital BAV and Ascending Aorta Aneurysm

L'anévrisme de l'aorte ascendante (AAoA) est une déformation qui affecte la partie de l'aorte entre la valve aortique et le tronc brachiocéphalique. L'incidence de cette maladie est plus élevée dans les cas de patients atteints de la pathologie de la Bicuspidie Valvulaire Aortique (BVA). BVA est la malformation cardiaque congénitale la plus commune dans le monde avec une prévalence entre 0.5% et 2%. De nombreux patients atteints de l'AAoA sont des enfants comme cela se produit plus souvent à un plus jeune âge. La chirurgie invasive est actuellement considérée comme l'étalon-or pour le traitement de la déformation de l'aorte. Cette intervention chirurgicale a un taux de mortalité élevé, entre 2.5% et 5% des cas traités, en raison du danger intrinsèque de l'opération qui pourrait prendre plus de 5 heures. L'avènement des techniques chirurgicales à invasion minimale au cours des dernières années a pour but de réduire la nécessité d'une chirurgie invasive en utilisant des dispositifs tels que des stents et des greffes qui sont implantables par cathétérisme. L'utilisation de ces nouvelles techniques d'intervention présente des avantages significatifs par rapport à la chirurgie conventionnelle, comme la diminution du risque de mortalité opératoire et la durée totale de l'intervention et de l'hospitalisation. Cependant, un processus de simulation précisant toutes les conditions possibles dans lesquelles le dispositif implanté pourrait fonctionner est nécessaire. Ce projet de recherche consiste à développer un modèle de l'aorte ascendante par Conception Assistée par Ordinateur (CAO) qui permet de simuler, avec une grande fiabilité, les propriétés mécaniques et morphologiques de cette partie de l'aorte. Ce modèle de l'aorte ascendante peut interagir avec un modèle CAO de tout type de dispositif (par exemple, un stent) pour simuler les effets sur l'aorte. En outre, le modèle peut être utilisé pour des évaluations de Computational Fluid Dynamics (CFD) ainsi que pour mesurer la contrainte de cisaillement à la paroi (WSS) et la vitesse du sang. Dans la littérature, il existe plusieurs exemples de modèles de l'aorte, toutefois, il n'existe aucune preuve actuelle d'une analyse CFD dans laquelle la maladie de BVA est modélisée dans un modèle CAO de l'aorte ascendante dans le cas d'un anévrisme. Pour ce projet de recherche, une base de données de 140 patients a été consultée. Les patients étaient âgés de zéro à dix-huit ans et ont montré plusieurs anomalies tels que le syndrome de Marfan, la BVA, la dilatation de l'aorte et l'anévrisme, etc. Un ensemble d'Images à Résonance Magnétique (IRM) d'un enfant avec un anévrisme de l'aorte ascendante évidente et une BVA a été choisi comme cas spécifique. Le processus de segmentation d'images a été réalisé dans le logiciel Slice-O-Matic afin d'obtenir un nuage de points qui a ensuite été utilisé

Abstract

Ascending Aorta Aneurysm (AAoA) is a deformation which aects the portion of the aorta between the aortic valve and the brachiocephalic trunk. The incidence of this disease is higher in cases of patients with the Bicuspid Aortic Valve (BAV ) pathology. BAV is the most common congenital heart deformation in the world with a prevalence between 0.5% and 2%. Many patients with AAoA are children as it occurs more frequently at a younger age. Invasive surgery is currently considered the gold standard for aortic deformation treatment. This surgical procedure has a high mortality rate, between 2.5% and 5% of the treated cases, because of the intrinsic danger of the operation which could take more than 5 hours. The advent of minimally invasive surgical techniques in recent years aims to reduce the need for invasive surgery using devices such as stents and grafts which are implantable by catheterization. The use of these new interventional techniques has signicant advantages compared to conventional surgery, such as a decreased risk of operative mortality, total time of intervention and hospitalization. However, an accurate simulation process of all the possible conditions in which the implanted device could operate is required. This research project consists of developing a Computer-Aided Design (CAD) model of the ascending aorta which can simulate, with high reliability, the mechanical and morphological properties of the ascending aorta. This model of the ascending aorta can interact with a CAD model of any type of device (eg. stent) to simulate its eects on the aorta. Furthermore, the model can be used for Computational Fluid Dynamics (CFD) evaluations in order to assess Wall Shear Stress (WSS) and blood velocity measurements. In literature, there are several examples of aortic models, however, there is no present evidence of a CFD analysis in which the BAV disease is modeled into a CAD model of the ascending aorta within an aneurysm. For this research project, a database of 140 patients was consulted. Patients were aged between zero and eighteen years old and showed several anomalies, like Marfan syndrome, BAV disease, aortic dilatation and aneurysm, etc. A set of Magnetic Resonance Images (MRIs) of a child patient with an evident ascending aortic aneurysm and BAV disease was chosen as a patient-specic case. The image segmentation process was performed within the software Slice-O-Matic in order to obtain a cloud of points, which then was used to build the CAD model. The latter was conceived using dierent surface reconstruction techniques executed by the modeling software CATIA while maintaining the highest possible accuracy. Dierent kinds of meshes were generated into the Ansys ICEM CFD meshing software to better achieve the Finite Volume Method (FVM) analysis. The meshed model was then