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• Tetralogy of Fallot

The study of cardiovascular disease could be renewed by the use of computational techniques derived from the recent advances in computer science. Among the most severe heart disease subjected to these new applications, there is the Tetralogy of Fallot, a rare congenital disease characterized by the combination of four defects: pulmonary valve stenosis, ventricular septal defect, aorta overriding and hypertrophy of the right ventricle.
Numerical simulations, in this context, could help us to better understand the physiology and could offer predictive value in a diagnostic scenario.
Therefore, it is necessary to develop increasingly accurate computational models in order to couple them with the current diagnostic paradigm.
The aim of this thesis work is to verify the value of numerical simulations in medical context, developing two patient-specific set-ups, one in-vitro and one in-silico.
The set-ups have been carried out in parallel, starting from MR and PC-MR images of 32 patients who underwent percutaneous pulmonary valve implantation (PPVI) and choosing, among these, a patient who presented an average vessel geometry.
From the chosen image,through segmentation, a three-dimensional model has been created and functional flow data has been extracted.
Set-up of high-fidelity simulations used in patient-specific scenarios presents, however, some difficulties, in particular in the setting of outlet boundary conditions.
A typical approach for solving this problem involves the realization of a 3D-0D coupling using the Windkessel model, which allows to model the systemic impedance downstream the geometry of interest by replicating physiological conditions in simulation.
The tuning of the parameters, including both compliance and resistance values, was obtained by means of a suitable genetic algorithm.
Furthermore, the same parameters used to numerically simulate the problem have been replicated in-vitro after the 3D printing of the model and its insertion in a fluid dynamic test bench.
The comparison between the results obtained by the in-vitro fluid dynamic test and the numerical simulations shows a high level of similarity that provides encouraging results for future developments.
Lo studio delle patologie cardiovascolari è stato rinnovato dall’utilizzo di tecniche computazionali derivate dai recenti progressi nell’ambito della computer science.
Tra le cardiopatie più gravi sottoposte a queste nuove applicazioni, si individua la Tetralogia di Fallot, rara malattia congenita caratterizzata dalla combinazione di quattro difetti: stenosi della valvola polmonare, difetto del setto ventricolare, origine biventricolare dell'aorta e ipertrofia del ventricolo destro. Le simulazioni numeriche in questo caso potrebbero migliorare la comprensione della fisiologia e offrire valore predittivo in uno scenario diagnostico.
È necessario, quindi, sviluppare modelli computazionali sempre più accurati al fine di affiancarli all’attuale paradigma diagnostico.
Pertanto, l’obiettivo del presente lavoro di tesi è verificare l'effettivo valore delle simulazioni numeriche in un contesto medico sviluppando due set up paziente-specifico relativi all'arteria polmonare, uno in silico ed uno in vitro.
I set up sono stati realizzati in parallelo, partendo da immagini MRI di 32 pazienti sottoposti all'intervento di impianto percutaneo di valvola polmonare e scegliendo, tra questi, un paziente che presentasse una geometria media del vaso.
Dall’immagine scelta è stato realizzato, tramite segmentazione, un modello tridimensionale e sono stati estratti dati funzionali riguardanti il flusso.
Lo studio del set up di simulazioni ad alta fedeltà utilizzate in scenari paziente-specifico presenta, però, alcune difficoltà, in particolare nell’impostazione delle condizioni al contorno di uscita. Un approccio tipico per la risoluzione di questo problema prevede la realizzazione di un accoppiamento 3D-0D sfruttando il modello di Windkessel, che permette di modellare l'impedenza sistemica a valle rispetto alla geometria di interesse replicando, di fatto, condizioni fisiologiche in simulazione.
Il tuning dei parametri, identificabili in valori di compliance e resistenza, è stato ottenuto mediante un opportuno algoritmo genetico.
Inoltre, gli stessi parametri utilizzati per simulare numericamente il problema sono stati replicati in vitro, in seguito alla stampa 3D del modello ed al suo inserimento in un banco prova fluidodinamico.
Dal confronto tra i risultati ottenuti dal test fluidodinamico in vitro e dalle simulazioni numeriche si evidenzia un elevato livello di similarità che fornisce esiti incoraggianti per sviluppi futuri.