Fluid Mechanics of Cerebral Aneurysms and Effects of Intracranial Stents on Cerebral Aneurysm Flow THÈSE N O 4555 (2008) PRÉSENTÉE LE 10 DÉCEMBRE 2009 À LA FACULTÉ SCIENCES DE LA VIE LABORATOIRE D'HÉMODYNAMIQUE ET DE TECHNOLOGIE CARDIOVASCULAIRE (SV/STI) SECTION DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DU VIVANT ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Luca AUGSBURGER acceptée sur proposition du jury: Prof. W. Pralong, président du jury Prof. N. Stergiopulos, directeur de thèse Prof. B. Chopard, rapporteur Dr M. Farhat, rapporteur Prof. D. Ruefenacht, rapporteur Lausanne, EPFL 2008
1 Content 1 Content... 5 2 Summary... 7 3 Résumé... 9 4 Acknowledgments... 11 5 Nomenclature... 12 6 Introduction... 13 6.1 Objectives... 13 6.2 Intracranial Aneurysms... 13 6.3 Computational Fluid Dynamics - CFD... 25 6.4 Particle Image Velocimetry... 31 6.5 Structure... 35 7 Chapter 1: Methodologies to asses blood flow in cerebral aneurysms: Current state of research and perspectives... 37 8 Chapter 2: Effect of flow diverter porosity on intra-aneurismal blood flow... 45 9 Chapter 3: Reproducibility of haemodynamical simulations in a subject-specific stented aneurysm model A report on the Virtual Stenting Challenge 2007... 61 10 Chapter 4: Influence of Segmentation on Geometrical Parameters and Computed Hemodynamics in Cerebral Aneurysms... 79 11 Chapter 5: Intracranial Stents being modeled as a Porous Medium: Flow Simulation in Stented Cerebral Aneurysms... 95 12 Conclusion / perspectives... 113 13 Appendices / Theory... 117 14 List of Figures... 121 15 List of Tables... 125 16 Bibliography... 127 17 Curriculum Vitae... 133 Augsburger Page 5 of 139 04/12/2009
2 Summary This thesis focuses on intracranial aneurysms and particularly on the effect of blood flow in the three major phases that characterize an aneurysm: initiation, growth and rupture. As it stands today, blood flow is the major driver of this disease. The understanding of the complex relationships between aneurysm hemodynamics and aneurysm wall at the level of the endothelial cells helps to model the impact of flow on aneurysm wall during the aneurysm life cycle. Blood pressure is a parameter that impacts with magnitudes of about one thousand fold larger than shear and is widely accepted to be the driver for aneurysm expansion and rupture. Its pulsatility provides also a stimulus for the formation of collagen fibers. However, the main sensors of the wall tissue that are sensitive to flow energy are located at the endothelial level, where shear translates into hormones and into biological signals that are given to the vessel wall. The analysis of shear is therefore crucial to give some insight into the potential biological behavior of the aneurysm wall and may allow for having a sight into the aneurysm evolution potential and rupture risk. Shear can be deduced from the detailed investigation of aneurysm flow. Flow patterns and magnitudes correlate well with aneurysm rupture risk and are consequently useful for risk assessment. The prediction of flow stream lines and the quantification of flow magnitude are of interest to understand the potential evolution of the vessel to an aneurysm. As to treat the disease and to remediate and improve the local aneurysm flow, correction of blood flow may induce reverse remodeling of the diseased wall, intending at healing and normalizing the wall structure. Currently, in current clinical practice, the use of endovascular flow diverters has already shown to be of interest. However, the effort to provide scientifically valid explanations and to understand the principles used by such an approach remains. This objective in mind and in the present clinical neurovascular research context, computer modeling has become increasingly interesting to visualize and integrate the multiple factors that are each responsible for parts of the complexity to understand intracranial aneurysm disease. Indeed, computer modeling and validation efforts lead to a better understanding and control of the difficulty to capture steps of evolution or of reverse remodeling. By extension, computer modeling can also include the calculation of flow effects on perforating arteries caged by flow diverters or the initial phase of aneurysm clotting. The first part of the thesis describes the clinical problem of intracranial aneurysms and details methodologies developed to assess aneurysm hemodynamics. A vast review of the literature is presented. References to numerous publications and context of the thesis in regard to current state of research are presented. A part from computer modeling, in vitro setups allow reproducing the physiological conditions and enable to test novel endovascular devices. The second chapter describes the in vitro stent test bed developed for flow assessment in intracranial aneurysms. Flow changes in two aneurysm models and the influence of flow diverters porosity are investigated. In the third chapter, we present an initiative called the 1 st Virtual Intracranial Stenting Challenge (VISC). The VISC objectives were first to assess state-of-the-art numerical approaches to the simulation of blood flow in one stented cerebral aneurysm, second to illustrate the ability of a given stent design at reducing blood flow patterns in a patient-specific geometry and finally, to evaluate the numerical approaches on a standardized benchmark. The fourth chapter presents the influence of segmentation on geometrical parameters and on hemodynamics in cerebral aneurysms. As the reconstruction of aneurysms is based on gray-level threshold selection, such operation which usually performed by a trained radiology technician is consequently a man-dependant operation. The problem resulting in this case is that several aneurysm geometries may point to the same original aneurysm dataset. In the fifth chapter, the effects of one flow diverter are simulated using CFD based on a porous medium approach in two patient-specific intracranial aneurysm geometries. The advantage of simulating the flow diverter as a porous medium consists in reducing the number of elements and therefore the computational power. Simulation results are then compared with the real stent simulation. The described work achieved in this thesis put in evidence the need to further investigate the relationship between local aneurysm hemodynamics alteration and the aneurysm wall biological Augsburger Page 7 of 139 04/12/2009
response. In vitro investigations including human cells would allow to further understand this complex mechanism. The objectives described at the beginning of the work are reached: a method allowing the quantification the aneurysm hemodynamics and their relation with aneurysm rupture risk. The quantification of the expected effects of a given endovascular device prior to the clinical intervention has also been made possible. Keywords Cerebral aneurysms, intracranial stent, flow diverter, computational fluids dynamics, particle image velocimetry, personalized rupture risk assessment. Augsburger Page 8 of 139 04/12/2009
3 Résumé Cette thèse traite des anévrismes intracrâniens et particulièrement de l action du flux sanguin sur la paroi de l anévrisme durant les trois phases principales caractérisant un anévrisme cérébral : la naissance, la croissance et la rupture. Il est actuellement admis que le flux sanguin est le chef d orchestre régissant cette pathologie. Dès lors, la compréhension des interactions sises au niveau des cellules endothéliales permet de modéliser l impact du flux durant le cycle de vie de l anévrisme. La pression sanguine est un paramètre du flux possédant des valeurs ayant des magnitudes environ mille fois plus grandes que l effet de cisaillement du flux aux parois de l anévrisme. La pression sanguine est également considérée comme étant responsable de l expansion et la rupture d anévrisme. Son caractère fluctuant fournit un stimulus pour la formation de fibres de collagène. Cependant, les capteurs principaux du tissu artériel étant sensibles au flux sanguin sont localisés au niveau de l endothélium où les forces de cisaillement se traduisent par la création et la libération d hormones et d autres signaux biologiques. Par conséquent, l analyse des ces forces renseigne les cliniciens quant à une éventuelle réaction biologique de la paroi de l anévrisme et augmentation du risque de rupture. Les forces de cisaillement peuvent être quantifiées par l analyse détaillée du flux sanguin dans l anévrisme. Les trajectoires et les valeurs des champs de vitesse sont corrélées avec le risque de rupture et leur étude est par conséquent utile dans l analyse du risque. La mesure du flux permet également de mieux comprendre l évolution potentielle du vaisseau sain vers l anévrisme. Afin de traiter la pathologie et d améliorer les conditions locales de flux sanguin, la correction du flux par l insertion de prothèses endovasculaires permet d induire une réaction inverse de la paroi artérielle et peut de ce fait aider à normaliser la structure interne de la paroi. Actuellement, dans la pratique clinique courante, l efficacité des prothèses endovasculaires telles que les redirigeurs de flux a déjà été démontrée. Cependant, il demeure nécessaire de fournir des explications et des validations scientifiques pour comprendre les principes qui régissent les phénomènes observés. En gardant à l esprit cet objectif et en restant dans le contexte actuel de la recherche neurovasculaire, la simulation numérique par ordinateur du flux sanguin est devenue une méthode extrêmement intéressante pour visualiser et intégrer les multiples facteurs qui sont en partie responsables de l évolution de la pathologie. En effet, la simulation numérique et ses validations avec les phénomènes observés in vivo permet de comprendre, et par conséquent de contrôler, voire de stopper l évolution de la pathologie. Ces méthodes permettraient également d étudier les effets des prothèses sur les artères perforantes ou bien de comprendre la phase initiale où le sang de l anévrisme commence à coaguler. La première partie de cette thèse pose et décrit le problème clinique des anévrismes cérébraux. Les méthodes permettant de quantifier le flux sanguin et l hémodynamique de l anévrisme sont détaillées. Une vaste revue de la littérature est également présentée. Des références à de nombreuses publications ainsi que le contexte de la thèse en regard de l état actuel de la recherche sont présentés. Des expériences de laboratoire permettent de reproduire les conditions physiologiques observées dans le corps humain. Le deuxième chapitre décrit un banc de test in vitro qui a été développé pour permettre de quantifier les flux sanguins dans des modèles en silicone d anévrismes cérébraux. Les changements hémodynamiques dus à l insertion de prothèses endovasculaires sont étudiés et reportés. Le troisième chapitre présente le «1 er Challenge de Stenting Intracrânien» (VISC). Les buts du VISC étaient d évaluer les dernières méthodes d investigation et de simulation du flux dans des anévrismes cérébraux en présence de prothèses endovasculaires, d illustrer la capacité d une prothèse donnée de réduire le flux dans l anévrisme, et finalement de déterminer un standard de normes permettant de simuler l écoulement sanguin, Le quatrième chapitre se consacre à l étude de l influence de la segmentation de trois anévrismes cérébraux sur les paramètres morphologiques ainsi que sur l hémodynamique. Comme la reconstruction tridimensionnelle est une opération basée sur la sélection d un seuil de niveaux de gris, et comme cette opération est l œuvre d un technicien en radiologie médicale, il en résulte une certaine variabilité qui fait que plusieurs géométries d anévrismes différentes sont issues des reconstructions d un même anévrisme initial. Augsburger Page 9 of 139 04/12/2009
Dans le cinquième chapitre, les effets d un redirigeur de flux sont simulés par une méthode de simulation numérique basée sur une approche de milieu poreux. L avantage de modéliser la prothèse endovasculaire comme étant un milieu poreux réside dans le gain de temps et la facilité d implantation d une telle méthode. Une comparaison entre les simulations du flux dans deux anévrismes basées sur l approche en milieu poreux et sur la modélisation réelle des prothèses est proposée. Le travail décrit et effectué dans cette thèse met en évidence le besoin de continuer la recherche permettant de déterminer quels sont précisément les paramètres hémodynamiques, ainsi que leurs valeurs respectives, responsables de la détérioration de la paroi artérielle et de déterminer clairement quelle est la relation précise entre flux sanguin et la réponse biologique de la paroi de l anévrisme. Des études de laboratoire in vitro qui incluraient des cellules vivantes pourraient permettre d améliorer la compréhension de ce phénomène. Les objectifs donnés au début de ce travail ont été atteints : une méthode permettant de quantifier l hémodynamique de l anévrisme cérébral a été développée. Cette méthode permet de corréler le type de flux sanguin avec le risque de rupture d anévrisme. Enfin, la quantification et la prédiction des effets escomptés d une prothèse endovasculaire avant l acte clinique sont rendus possibles. Mots-clés Anévrisme cérébral, stent intracrânien, déviateur de flux, simulation numérique, mesure de vitesse de particules, quantification personnalisée du risque de rupture. Augsburger Page 10 of 139 04/12/2009