ANALISI NUMERICA DELLE ALTERAZIONI EMODINAMICHE INDOTTE DALLA STENOSI IN UNA PROTESI VALVOLARE AORTICA TRANSCATETERE

Objectives: This work aims to characterize, by means of computational fluid dynamics (CFD), the hemodynamic alterations associated with a stenotic leaflet configuration in a transcatheter aortic valve (TAV) bioprosthesis, representative of an advanced stage of calcific degeneration. The results provide the basis for discussing the potential implications for implant durability, a crucial issue as transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is extended to younger patients. Methods: Two three-dimensional models of the aortic segment were compared in ANSYS Fluent, featuring a rigid-geometry prosthesis in a physiological and a stenotic configuration, the latter being imposed geometrically. The model is purely fluid dynamic and simulates neither fluid–structure interaction nor the progression of calcification. The governing equations were solved using the finite volume method under transient conditions, and the velocity and pressure fields, the hydrodynamic force on the prosthesis and the wall shear stress (WSS) were analyzed over the last of three cardiac cycles. Results: At equal flow rate, the stenotic configuration concentrates the flow into a narrow, high-energy systolic jet, with a marked increase in the transvalvular pressure gradient. Downstream of the valve, the skewed outflow gives rise to direct jet impingement on the outer curvature of the aorta, absent in the physiological model, producing a low-WSS stagnation zone adjacent to a region of overpressure. On the leaflets, the increase in hydrodynamic load and mean pressure throughout the entire ejection phase is accompanied by an attenuation of local WSS peaks. Conclusions: The stenotic configuration gives rise to hemodynamic conditions that the literature associates with endothelial dysfunction and greater thrombogenic potential, in addition to an increased hydrodynamic load on the leaflets. These findings suggest, although they cannot directly demonstrate, a possible feedback mechanism whereby altered hemodynamics contribute to the progression of prosthetic degeneration, a hypothesis that should be verified through fluid–structure interaction models and experimental or clinical studies. The investigated metrics are therefore proposed as reference parameters for optimizing prosthesis design and for the clinical planning of TAVI.

Obiettivi: Il presente lavoro si propone di caratterizzare, mediante fluidodinamica computazionale (CFD), le alterazioni emodinamiche associate a una configurazione stenotica dei lembi in una bioprotesi valvolare aortica transcatetere (TAV), rappresentativa di uno stadio avanzato di degenerazione calcifica. I risultati costituiscono la base per discutere le possibili implicazioni sulla durabilità dell'impianto, aspetto cruciale con l'estensione della TAVI a pazienti più giovani. Metodi: In ambiente ANSYS Fluent sono stati confrontati due modelli tridimensionali del tratto aortico, con protesi a geometria rigida in configurazione fisiologica e stenotica, quest'ultima imposta geometricamente. Il modello, puramente fluidodinamico, non simula l'interazione fluido-struttura né la progressione della calcificazione. Le equazioni di governo sono state risolte con il metodo dei volumi finiti in regime non stazionario, analizzando sull'ultimo di tre cicli cardiaci i campi di velocità e di pressione, la forza idrodinamica sulla protesi e gli sforzi di taglio parietali (WSS). Risultati: A parità di portata, la configurazione stenotica concentra il flusso in un getto sistolico ristretto e altamente energetico, con un marcato incremento del gradiente pressorio transvalvolare. A valle della valvola, l'asimmetria (skewing) dell’efflusso determina un regime di impatto diretto (impingement) sulla grande curvatura aortica, assente nel modello fisiologico, con una zona di stagnazione a basso WSS affiancata da un'area di sovrapressione. Sui lembi, all'aumento del carico idrodinamico e della pressione media durante l'intera fase eiettiva si accompagna un'attenuazione dei picchi locali di WSS. Conclusioni: La configurazione stenotica determina condizioni emodinamiche che la letteratura associa a disfunzione endoteliale e a un maggiore potenziale trombogenico, oltre a un aumento del carico idrodinamico sui lembi. Tali evidenze suggeriscono, senza poterlo dimostrare direttamente, un possibile meccanismo di retroazione in cui l'alterazione emodinamica contribuisca alla progressione della degenerazione protesica, da verificare mediante modelli di interazione fluido-struttura e studi sperimentali o clinici. Le metriche indagate si propongono quindi come parametri di riferimento per l'ottimizzazione del design protesico e per la pianificazione clinica della TAVI.