Computational fluid dynamics analysis in pre-surgery planning for congenital heart defect repairs

Abstract

The treatment of complex congenital heart diseases (CHD) requires a careful patient-specific approach and surgical correction plan. In this thesis, a large radiological database was created to provide supportive information for the treatment planning of patients undergoing aortic hypoplasia, pulmonary stenosis, ventricular septal defect (VSD) and Fontan procedure. State-of-the-art repair alternatives using customized baffle and patch designs were virtually generated in the computer through image-based three-dimensional (3D) modeling, and their structural and hemodynamic analysis are evaluated. In aortic repair section, different virtual repair methods were performed for each selected hypopilastic aortic arch models. Blood flow analyzes were compared in preoperative, postoperative and virtual repair models. The methods were examined by computational fluid dynamics analysis in terms of velocity, wall shear stress and pressure distributions. In the pulmonary artery stenosis section, the deformation of the patch material was evaluated by computational structural analysis. In Fontan cases, the aim was to determine the geometry giving the optimum flow distribution from hepatic veins to the lungs. In VSD cases, virtual models obtained after segmentation provided information that could not be obtained from the image data to facilitate the decision whether the obtimum treatment by catheter intervention or surgery. It has been observed that the findings obtained by 3D modeling, virtual repair and numerical analysis can make significant contributions to the process of determining the repair method. Overall this dissertation aims to provide solution-oriented information to planning procedures in CHD treatment and to present more objective, case-specific and reproducible planning options with computerized modeling and numerical simulation techniques in the light of concrete data.Kompleks doğumsal kalp hastalıklarının (CHD) tedavisi hastaya özel dikkatli bir yaklaşım ve onarım planı gerektirir. Bu tez çalışmasında, geniş bir radyolojik veri tabanı oluşturulmuş; aort hipoplazisi, pulmoner darlık, ventrikül septal defekt (VSD) ve Fontan prosedürü uygulanan hastaların tedavi planlamasına mühendislik yaklaşımlarıyla destekleyen yardımcı bilgi sağlamak amaçlı bir yöntem geliştirilmiştir. Görüntü tabanlı üç boyutlu (3B) modelleme, yapıya özel şant ve yama tasarımı, hızlı prototipleme, bilgisayarlı yapısal ve hemodinamik analiz yardımı ile çeşitli sanal tamir yöntemleri ile oluşturulan modeller sonlu eleman analizleri sonrasında karşılaştırılmıştır. Seçilen aort hipopilazisi vakalarının her biri için birbirinden farklı sanal tamirler uygulanarak; kan akışı analizleri ameliyat öncesi, sonrası ve sanal tamir modellerinde karşılaştırılmıştır. Hastaya özel damar geometrisine uygun tamir yöntemi hız, kayma gerilimi ve basınç dağılımları açısından hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi ile irdelenmiştir. Pulmoner arter darlığı bölümünde hastaya özel yamanın deformasyonu da hesaplamalı yapısal analiz ile değerlendirilerek elde edilen modellerde akış simülasyonları yapılmıştır. Fontan vakalarında hasta için ortalama on farklı sanal şant konfigürasyonu oluşturlarak hesaplamalı akış görelleştirmeleri ile optimum akış dağılımını veren geometrinin belirlenmesi amaçlanmıştır. VSD vakalarında segmentasyon sonrası elde edilen sanal modeller ile görüntü verisinden sağlanamayan enformasyon sağlanabilmiş ve tedavinin kateter girişimi ile ya da cerrahi olarak çözümlenmesi kararını kolaylaştıracak bulgular elde edilmiştir. Üç boyutlu modelleme, sanal tamir ve sonlu eleman analizi ile elde edilen bulguların CHD tedavisini belirleme sürecine anlamlı katkılar sağlayabildiği birbirinden farklı hastalıklarda ve farklı damarlarda örnekler ile gözlemlenmiştir. Bu tez, CHD tedavisinde planlama prosedürlerine çözüm odaklı bilgi sağlamayı, bilgisayarlı modelleme ve nümerik simülasyon teknikleriyle daha objektif, vakaya özel ve tekrarlanabilir planlama seçeneklerini somut veriler eşliğinde sunmayı amaçlamaktadır.