Analysis of hemodynamic indicators in Bicuspid Aortic Valves using a computational mathematical model

Ana Sofia Bernardo Torrado

Informações chave

Autores:

Ana Sofia Bernardo Torrado (Ana Sofia Bernardo Torrado)

Orientadores:

Adélia da Costa Sequeira dos Ramos Silva (Adélia da Costa Sequeira dos Ramos Silva); Jorge Filipe Duarte Tiago (Jorge Filipe Duarte Tiago)

Publicado em

10/12/2015

Resumo

A Válvula Aórtica Bicúspide (BAV) é uma patologia cardíaca congénita, que afecta 1%-2% da população em geral, em que 33% destes pacientes têm tendência a apresentar complicações vasculares. A BAV possui duas cúspides/folhetos, em vez de três (como numa Válvula Aórtica Tricúspide, TAV). Neste trabalho, efectuou-se o estudo numérico dos efeitos hemodinâmicos em diferentes geometrias de BAV, utilizando-se um método numérico de Interacção Fluido Estrutura (FSI) baseado numa formulação Lagrangiana Euleriana Arbitrária (ALE). Consideraram-se mais precisamente, uma TAV idealizada e 6 BAVs (correspondendo a geometrias que foram construídas recorrendo a dimensões recolhidas a partir de exames de Ressonâncias Magnéticas). Estas geometrias foram estudadas considerando: (i) análise de velocidades; (ii) deformações da estrutura (folhetos e parede da válvula aórtica) através de tensões de Von Mises; (ii) tensões hemodinâmicas (tensão de cisalhamento nas paredes, WSS; índice oscilatório de cisalhamento, OSI) durante dois ciclos cardíacos. Comparando com a análise da TAV, as BAVs apresentam fluxos sanguíneos assimétricos, com vórtices e mais elevado WSS concentrado nos folhetos (em particular no topo e na região central). Tal poderá potenciar o início do processo de calcificação ou agravar a calcificação já existente. Nas simulações numéricas realizadas, para todas as geometrias BAV, verificaram-se: (i) velocidades superiores a 2 m/s; (ii) elevadas tensões de Von Mises nos folhetos, com valores máximos de 1.0x106 Pa; (iii) WSS não usuais com valores máximos superiores a 8 N/m2 e concentrados nos folhetos (particularmente no folheto patológico definido). Para complementar este trabalho foi ainda desenvolvida uma TAV 3D e feitas simulações computacionais que foram brevemente analisadas. The Bicuspid Aortic Valve (BAV) is a congenital cardiac disorder prevalent in 1%–2% of the general population, where 33% of BAV patients may experience vascular complications. BAV consists of two cusps/leaflets instead of three, as in a normal aortic valve (Tricuspid Aortic Valve, TAV). This thesis is devoted to the numerical study of hemodynamic effects in different BAV geometries (2D) using a Fluid Structure Interaction (FSI) method with an Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) approach. One idealized TAV model and six BAVs corresponding to patient-specific geometries (with aortic root dimensions measured from MRI exams) were analyzed. These geometries were studied according to: (i) velocity blood flow, (ii) mechanical structural (leaflets/aortic root wall) deformations (Von Mises stress) and (iii) hemodynamic stresses analysis (Wall Shear Stresses, WSS; Oscilatory Shear Index, OSI), during two cardiac cycles. Comparing BAVs with TAV analysis, BAVs present asymmetric blood flow jets, vortices and larger WSS on the leaflets (in particular on the belly and on the tip), which can be a potential cause for early valvular calcification or exacerbate the existent calcification. Regarding our FSI numerical simulations, applied to all BAV models, we verified: (i) maximum velocity magnitudes greater than 2 m/s; (ii) higher Von Mises stress on the leaflets, with maximum values of 1.0x10^6 Pa; (iii) abnormal WSS stresses with values greater than 8 N/m^2 on the leaflets (higher WSS on the pathological fused leaflet). To complement this work, a 3D TAV model was considered and some numerical simulations were performed and briefly analyzed.