Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: Bioprosthetic heart valves (BHVs) for transcatheter aortic valve implantation (TAVI) have been rapidly developing over the last decade since the first valve replacement using the TAVI technique. TAVI is a minimally invasive valve replacement procedure offering lifesaving treatment to patients who are denied open heart surgery. The biomedical engineering research group at Stellenbosch University designed a 19 mm balloon expandable BHV for TAVI in 2007/8 for testing in animal trials. In the current study the valve was enlarged to 23 mm and 26 mm diameters. A finite element analysis was performed to aid in the design of the stents. New stencils were designed and manufactured for the leaflets using Thubrikar‟s equations as a guide. The 23 mm valve was manufactured and successfully implanted into two sheep. Fluid structure interaction (FSI) simulations constitute a large portion of this thesis and are being recognized as an important tool in the design of BHVs. Furthermore, they provide insight into the interaction of the blood with the valve, the leaflet dynamics and valve hemodynamic performance. The complex material properties, pulsating flow, large deformations and coupling of the fluid and the physical structure make this one of the most complicated and difficult research areas within the body. The FSI simulations, of the current valve design, were performed using a commercial programme called MSC.Dytran. A validation study was performed using data collected from a cardiac pulse duplicator. The FSI model was validated using leaflet dynamics visualisation and transvalvular pressure gradient comparison. Further comparison studies were performed to determine the material model to be used and the effect of leaflet free edge length and valve diameter on valve performance. The results from the validation study correlated well, considering the limitations that were experienced. However, further research is required to achieve a thorough validation. The comparative studies indicated that the linear isotropic material model was the most stable material model which could be used to simulate the leaflet behaviour. The free edge length of the leaflet affects the leaflet dynamics but does not greatly hinder its performance. The hemodynamic performance of the valve improves with an increase in diameter and the leaflet dynamics perform well considering the increased surface area and length. Many limitations in the software prevented more accurate material models and flow initiation to be implemented. These limitations significantly restricted the research and confidence in the results. Further investigation regarding the implementation of FSI simulations of a heart valve using the commercial software is recommended. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Bio-prostetiese hartkleppe (Bioprosthetic Heart Valves - BHVs) wat gebruik word vir transkateter aortaklep-inplantings (Transcatheter Aortic Valve Implantation - TAVI) het geweldig vinnige ontwikkeling getoon in die afgelope tien jaar sedert die eerste klepvervanging wat van die TAVI prosedure gebruik gemaak het. TAVI is ʼn minimaal indringende klepvervangingsprosedure wat lewensreddende behandeling bied aan pasiënte wat ope-hart sjirurgie geweier word. Die Biomediese Ingenieurswese Navorsingsgroep (BERG) by Stellenbosch Universiteit het in 2007/8 ʼn 19 mm ballon-uitsetbare BHV vir TAVI ontwerp vir eksperimente met diere, en hierdie tesis volg op die vorige projekte. In die huidige studie is die klep vergroot na 23 mm en 26 mm in deursnee. ʼn Eindige element analise is gedoen om by te dra tot die ontwerp van die rekspalke vir die klep. Nuwe stensils is ontwerp en vervaardig vir die klepsuile, deur gebruik te maak van Thubrikar se vergelykings. Die 23 mm klep is vervaardig en suksesvol in twee skape ingeplant. Vloeistruktuur interaksie (Fluid Structure Interaction (FSI)) simulasies vorm ‟n groot deel van die tesis en word gesien as ʼn noodsaaklike hulpmiddel in die ontwerp van BHVs. Die simulasies verskaf ook insig in die interaksie van die bloed met die klep, die klepsuil-dinamika en die klep se hemodinamiese werkverrigting. Die komplekse materiaal eienskappe, polsende vloei, grootskaalse vervorming, die verbinding van die vloeistof en die fisiese struktuur maak van hierdie een van die mees gekompliseerde voorwerpe om te simuleer. Die FSI simulasies van die huidige ontwerp, is uitgevoer deur van kommersiële sagteware, MSC.Dytran, gebruik te maak. ʼn Geldigheidstudie wat data gebruik het vanaf die hartklop-nabootser, is uitgevoer. Die FSI model word geverifieer deur klepsuil dinamika visualisering en ʼn vergelyking van die drukgradiënt gebruik te maak. Verdere vergelykende studies is uitgevoer om te bepaal watter materiaal model om te gebruik, asook die uitwerking van die klepsuil-vrye rand en klepdeursnee op die klep se werkverrigting. Die resultate van die studie korreleer goed, in ag genome die beperkings wat ervaar is. Verdere navorsing is egter nodig vir ʼn volledige geldigheidstudie. Vergelykende studies het getoon dat die liniêre isotropiese materiaalmodel die meer stabiele materiaalmodel is wat kan gebruik word om klepsuilgedrag te simuleer. Die vrye-rand lengte van die klepsuil affekteer die dinamika van die klepsuil, maar belemmer nie die werkverrigting grootliks nie. Die hemodinamiese werkverrigting van die klep verbeter met die toename in deursnee en die klepsuil-dinamika vertoon goed in ag genome die verhoogde oppervlak area en lengte. Die vele beperkings in die sagteware het die implementering van meer akkurate materiaalmodelle verhoed. Hierdie beperkings het ʼn verminderde vertroue in die resultate tot gevolg gehad. Verdere ondersoek rakende die implementering van die FSI simulasies van ʼn hartklep deur kommersieel beskikbare sagteware te gebruik, word aanbevel.

Eine Verengung der Aortenklappe, die während der Systole zu einem Druckunterschied zwischen dem linkem Auswurftrakt und der Aorta führt, wird als Aortenstenose bezeichnet. Sie stellt nach der KHK die häufigste Indikation für eine herzchirurgische Intervention dar. Die Entstehung der Aortenstenose ist bisher nicht völlig aufgeklärt. Die Verengung ist meist durch Verkalkung der Klappensegel bedingt. Der derzeitige Stand der Forschung gibt Grund zur Annahme, dass dieser Entstehungsprozess der Ätiologie der Arteriosklerose sehr ähnlich ist. Die Aortenstenose kann anhand der Aortenklappen-Öffnungsfläche in leicht-, mittel- und hochgradig eingeteilt werden. Zurzeit ist die Echokardiographie die wichtigste Methode zur Evaluation der Aortenstenose, weil damit die Öffnungsfläche und die Druckgradienten bestimmt werden können. Für die Entscheidung zur Operation ist insbesondere auch das Einsetzen der Symptomatik mitbestimmend. Der konventionelle Aortenklappenersatz mit einer biologischen oder mechanischen Aortenklappenprothese ist der Goldstandard in der heutigen Therapie der Aortenstenose. Patienten höheren Alters erhalten heutzutage eine biologische Aortenklappenprothese, da keine dauerhafte Antikoagulation notwendig ist. Bei älteren Patienten (über 70 Jahre) steigt die postoperative Mortalität auf 5-15% an. In Deutschland waren 2010 über 50% der herzchirurgischen Patienten älter als 70 Jahre und 12,4% sogar über 80 Jahre. Laut einer Studie werden 33% der über 75-Jährigen nicht zur Operation zugelassen, da diese als zu risikoreich eingestuft wird. Um dieses Patientenkollektiv besser zu versorgen, wurde ein Verfahren zur kathetergestützten Implantation einer Aortenklappenprothese entwickelt. Die neue Prothese wird auf einen Ballonkatheter gepresst und anschließend in Aortenposition dilatiert. Die Implantation kann durch die Herzspitze antegrad, also transapikal, oder über die femoralen Gefäße retrograd, also transfemoral, erfolgen. Eine Sternotomie oder die Verwendung einer Herz-Lungenmaschine mit künstlichem Herzstillstand sind dazu nicht notwendig. Die in dieser Arbeit verwendete Sapien-Prothese besteht aus vorbehandeltem Rinderperikard und ist in einem Kobalt-Chrom-Stent aufgehängt. Bereits 2010 wurden in Deutschland schon fast ein Viertel aller isolierten Aortenklappenersätze mittels der kathetertechnischen Aortenklappenprothesen durchgeführt, 2011 ist der Anteil auf über 30% gestiegen. Der Einsatz ist im Moment auf Hochrisikopatienten über 75 Jahre beschränkt, da es noch keine Ergebnisse über die Langzeithaltbarkeit der Katheter-Herzklappen gibt. Außerdem scheint die Häufigkeit von periinterventionellen Komplikationen bei diesem Verfahren noch sehr hoch. Ganz im Gegensatz zur schonenden Behandlung der Prothese beim konventionellen Eingriff wird die Sapien-Herzklappenprothese durch einen Crimper auf den Ballonkatheter gepresst. Der Durchmesser wird dabei von 23 bzw. 26mm auf unter 8,7mm verringert. Nur so kann die Prothese über das zum Studienzeitpunkt 26 French große Applikationssystem in Position gebracht werden. Mittlerweile beträgt der Diameter für den transfemoralen Zugang nur noch 18 French. Bisher gibt es keine Studien darüber, ob die Krafteinwirkung des Crimping einen Einfluss auf die Langzeithaltbarkeit der Transkatheter-Herzklappen hat. Dabei ist gerade eine lange Haltbarkeit enorm wichtig, um das neue minimalinvasive System einem größeren Patientenkollektiv zugänglich zu machen. Ziel der hier vorgelegten Studie war es deshalb, den Einfluss von Crimping auf die Haltbarkeit und Gewebeintegrität der Edwards Sapien-Prothese in Abhängigkeit von der Crimping-Dauer zu untersuchen. Dazu kam ein subkutanes Rattenmodell zur Anwendung, das zum Vergleich verschiedener Herzklappenprothesen häufig herangezogen wird. Hierbei wird vor allem das Verkalkungspotential der Prothesen untersucht, da die Verkalkung der Klappen die Funktionalität derselben limitiert. Hierfür wurden in dieser Arbeit 21 Tage alten Sprague-Dawley-Ratten (n=15) jeweils fünf Gewebeproben in separate subkutane Taschen implantiert. Nach einem Implantationszeitraum von zwölf Wochen gingen wir von der maximal möglichen Verkalkung aus. Im Menschen entspricht das einem Zeitraum von etwa zehn Jahren. Drei Gruppen á fünf Sapien-Prothesen wurden unterschiedlich lange gecrimpt: für einen Monat, einen Tag und eine Stunde. Eine vierte Gruppe wurde nicht gecrimpt. Die fünfte Gruppe bestand aus der operativ häufig verwendeten Standardklappe Perimount Magna und wurde als Kontrolle eingesetzt. Die Klappensegel wurden nach Crimping und Dilatation exzidiert (je Gruppe n=15) und unter inhalativer Anästhesie wurde jeder Ratte ein Präparat aller fünf Gruppen in subkutane separate Taschen faltenfrei implantiert. Die Taschen wurden dorsal paravertebral durch stumpfe Präparation angelegt. Die Implantation erfolgte bei allen 15 Tieren komplikationslos. Nach zwölf Wochen erfolgte die Explantation. Ein Präparat der für einen Tag gecrimpten Prothesen und eines der Kontrollgruppe Magna konnten nicht aufgefunden werden. Ansonsten ergaben sich bei der Explantation keine Schwierigkeiten. Zur Bestimmung des Kalziumlevels im Serum wurde den Ratten eine Blutprobe abgenommen. Die explantierten Präparate wurden dann zur Analyse in drei Teile geschnitten. Ein Teil wurde der Kalziumbestimmung durch optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) zugeführt. Das Ergebnis wird in mg/g Trockengewicht angegeben. Der zweite Teil wurde für die histologische Untersuchung in Paraffin eingebettet. Es wurden Standardschnitte angefertigt und drei Färbungen pro Präparat durchgeführt. Dies waren die Hämatoxylin-Eosin-Färbung (Orientierung), die Van Kossa-Färbung (Verkalkung) und die mod. Pikrosiriusrot-Färbung (kollagene Fasern). Der Kalziumgehalt der Präparate wurde zusätzlich zur chemischen Bestimmung histologisch durch ein interaktives Bildanalyseverfahren in mm2 gemessen. Die Fragmentierung und Irregularität der Kollagenfasern wurde histologisch in vier Grade eingestuft: ohne pathologischen Befund, gering-, mittel- oder hochgradig fragmentiert bzw. irregulär. Ein weiterer Teil der Präparate wurde für die exemplarische Darstellung im Elektronenmikroskop in Epon 100 eingebettet und mit Uranylacetat und Tannin kontrastiert. Die Kalziummessungen ergaben, dass die ungecrimpten Klappen Sapien und Perimount Magna tendenziell stärker verkalkten als die anderen Gruppen. Die Unterschiede zwischen den Gruppen waren jedoch nicht signifikant, sowohl bei der histologischen als auch bei der chemischen Quantifizierung. Die Streuung der Messwerte war sowohl intra- als auch interindividuell sehr hoch. Die Bedeutung für die Langzeithaltbarkeit bezüglich der Kalzifizierung ist unklar. Jedoch kann festgestellt werden, dass es in dieser Studie keinen signifikant messbaren Unterschied in der Verkalkung zwischen gecrimpten und ungecrimpten Prothesen gab. In der histologischen Strukturanalyse waren die Kollagenfasern der gecrimpten Klappen signifikant stärker fragmentiert bzw. die Struktur irregulärer als die der ungecrimpten Klappen. Erstaunlich war hier auch die Tatsache, dass selbst die ungecrimpte Sapien-Prothese signifikant stärker fragmentiert war als die Perimount Magna. Dieses Ergebnis überrascht, da die Sapien-Klappe der Perimount Magna im Produktionsprozess sehr ähnlich ist. Beide bestehen aus Rinderperikard und sind mit dem Antimineralisationsverfahren ThermaFix vorbehandelt. Sie unterscheiden sich lediglich im Stent. Dieser muss für das kathetergestützte Verfahren komprimierbar und wieder dilatierbar sein. Der Produktionsprozess sollte auf Grund dieses Ergebnisses reevaluiert werden. Wie bereits erwähnt, waren die gecrimpten Klappen signifikant stärker fragmentiert. Mit zunehmender Crimping-Dauer nahm dieser Effekt tendenziell sogar zu. Dass Crimping einen schädlichen Einfluss auf die strukturelle Integrität des Klappengewebes hat, war bis dato nicht bewiesen. Diese Tatsache allein lässt allerdings noch keine genaue Aussage über die Auswirkung von Crimping auf die Haltbarkeit im Blutstrom zu. Es ist jedoch hervorzuheben, dass die Fragmentierung der Kollagenfasern, also der Haltefasern der Aortenklappenprothese, die Erwartung einer guten Langzeitfunktionalität drastisch mindert. Dazu gibt es Hinweise aus aktuellen multizentrischen Studien wie dem Partner-Trial, in dem bereits nach 30 Tagen 1,3% und nach einem Jahr 4,2% der Patienten eine mittel- bis schwergradige transvalvuläre Aorteninsuffizienz aufwiesen. Diese Tatsache verbunden mit dem Wissen, dass Crimping die Kollagenfasern frakturiert, stellt die Langzeithaltbarkeit der Prothese in Frage. Zu beachten ist, dass der Diameter des Systems in diesem Versuchsaufbau keine Rolle spielte. Seit Beginn der Studie hat sich der Diameter des Applikationssystems aber von 26 auf 22 French (transfemoral sogar nur 18 French) verringert. Es ist anzunehmen, dass die Krafteinwirkung beim Crimping auf 22 bzw. 18 French noch deutlich größer und damit die Fragmentierung der Fasern noch ausgeprägter wäre. Als Limitationen des hier angewandten subkutanen Rattenmodells sind der fehlende Kontakt mit dem Blut sowie die fehlende Wirkung hämodynamischer Kräfte zu nennen. Es handelt sich hierbei um einen Tierversuch, der nicht direkt auf den Menschen übertragbar ist. Für histologische und chemische Analyse mussten jeweils unterschiedliche Teile der Präparate verwendet werden. Die histologische Beurteilung ist untersucherabhängig. In diesem Versuchsaufbau wurde lediglich ein Prothesen-Typ untersucht, so dass nicht klar ist, ob die beschriebenen Phänomene auch bei anderen kathetertechnischen Herzklappenprothesen auftreten. Die Ergebnisse liefern neue Gesichtspunkte im Hinblick auf die Haltbarkeit der Sapien-Klappenprothese. Daraus lassen sich einige Empfehlungen ableiten. Crimping verursacht einen irreparablen Schaden an den Kollagenfasern der Herzklappenprothesen, der tendenziell mit der Dauer des Crimpings zunimmt. Der Vorgang des Crimping sollte daher so kurz wie möglich gehalten werden. Die kathetergestützte Aortenklappenprothese sollte erst kurz vor der Implantation auf den Ballonkatheter gecrimpt werden. Crimping auf sehr kleine Diameter sollte vorerst vermieden werden. Künftig sollte außerdem eine genauere Analyse der Auswirkungen der strukturellen Schäden auf die Haltbarkeit der Transkatheter-Herzklappen durchgeführt werden. Vor der Ausweitung der Behandlung auf ein Patientenkollektiv mit höherer Lebenserwartung müssen noch viele Fragen hinsichtlich der Langzeithaltbarkeit dieser Herzklappen-Prothesen in weiteren Studien geklärt werden.

Development of image-guided interventional systems is growing up rapidly in the recent years. These new systems become an essential part of the modern minimally invasive surgical procedures, especially for the cardiac surgery. Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is a recently developed surgical technique to treat severe aortic valve stenosis in elderly and high-risk patients. The placement of stented aortic valve prosthesis is crucial and typically performed under live 2D fluoroscopy guidance. To assist the placement of the prosthesis during the surgical procedure, a new fluoroscopy-based TAVI assistance system has been developed. The developed assistance system integrates a 3D geometrical aortic mesh model and anatomical valve landmarks with live 2D fluoroscopic images. The 3D aortic mesh model and landmarks are reconstructed from interventional angiographic and fluoroscopic C-arm CT system, and a target area of valve implantation is automatically estimated using these aortic mesh models. Based on template-based tracking approach, the overlay of visualized 3D aortic mesh model, landmarks and target area of implantation onto fluoroscopic images is updated by approximating the aortic root motion from a pigtail catheter motion without contrast agent. A rigid intensity-based registration method is also used to track continuously the aortic root motion in the presence of contrast agent. Moreover, the aortic valve prosthesis is tracked in fluoroscopic images to guide the surgeon to perform the appropriate placement of prosthesis into the estimated target area of implantation. An interactive graphical user interface for the surgeon is developed to initialize the system algorithms, control the visualization view of the guidance results, and correct manually overlay errors if needed. Retrospective experiments were carried out on several patient datasets from the clinical routine of the TAVI in a hybrid operating room. The maximum displacement errors were small for both the dynamic overlay of aortic mesh models and tracking the prosthesis, and within the clinically accepted ranges. High success rates of the developed assistance system were obtained for all tested patient datasets. The results show that the developed surgical assistance system provides a helpful tool for the surgeon by automatically defining the desired placement position of the prosthesis during the surgical procedure of the TAVI. / Die Entwicklung bildgeführter interventioneller Systeme wächst rasant in den letzten Jahren. Diese neuen Systeme werden zunehmend ein wesentlicher Bestandteil der technischen Ausstattung bei modernen minimal-invasiven chirurgischen Eingriffen. Diese Entwicklung gilt besonders für die Herzchirurgie. Transkatheter Aortenklappen-Implantation (TAKI) ist eine neue entwickelte Operationstechnik zur Behandlung der schweren Aortenklappen-Stenose bei alten und Hochrisiko-Patienten. Die Platzierung der Aortenklappenprothese ist entscheidend und wird in der Regel unter live-2D-fluoroskopischen Bildgebung durchgeführt. Zur Unterstützung der Platzierung der Prothese während des chirurgischen Eingriffs wurde in dieser Arbeit ein neues Fluoroskopie-basiertes TAKI Assistenzsystem entwickelt. Das entwickelte Assistenzsystem überlagert eine 3D-Geometrie des Aorten-Netzmodells und anatomischen Landmarken auf live-2D-fluoroskopische Bilder. Das 3D-Aorten-Netzmodell und die Landmarken werden auf Basis der interventionellen Angiographie und Fluoroskopie mittels eines C-Arm-CT-Systems rekonstruiert. Unter Verwendung dieser Aorten-Netzmodelle wird das Zielgebiet der Klappen-Implantation automatisch geschätzt. Mit Hilfe eines auf Template Matching basierenden Tracking-Ansatzes wird die Überlagerung des visualisierten 3D-Aorten-Netzmodells, der berechneten Landmarken und der Zielbereich der Implantation auf fluoroskopischen Bildern korrekt überlagert. Eine kompensation der Aortenwurzelbewegung erfolgt durch Bewegungsverfolgung eines Pigtail-Katheters in Bildsequenzen ohne Kontrastmittel. Eine starrere Intensitätsbasierte Registrierungsmethode wurde verwendet, um kontinuierlich die Aortenwurzelbewegung in Bildsequenzen mit Kontrastmittelgabe zu detektieren. Die Aortenklappenprothese wird in die fluoroskopischen Bilder eingeblendet und dient dem Chirurg als Leitfaden für die richtige Platzierung der realen Prothese. Eine interaktive Benutzerschnittstelle für den Chirurg wurde zur Initialisierung der Systemsalgorithmen, zur Steuerung der Visualisierung und für manuelle Korrektur eventueller Überlagerungsfehler entwickelt. Retrospektive Experimente wurden an mehreren Patienten-Datensätze aus der klinischen Routine der TAKI in einem Hybrid-OP durchgeführt. Hohe Erfolgsraten des entwickelten Assistenzsystems wurden für alle getesteten Patienten-Datensätze erzielt. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte chirurgische Assistenzsystem ein hilfreiches Werkzeug für den Chirurg bei der Platzierung Position der Prothese während des chirurgischen Eingriffs der TAKI bietet.

Background: Coronary artery disease (CAD) is a frequent comorbidity in patients undergoing transcatheter aortic valve implantation (TAVI). If significant CAD can be excluded on coronary CT-angiography (cCTA), invasive coronary angiography (ICA) may be avoided. However, a high plaque burden may make the exclusion of CAD challenging, particularly for less experienced readers. The objective was to analyze the ability of machine learning (ML)-based CT-derived fractional flow reserve (CT-FFR) to correctly categorize cCTA studies without obstructive CAD acquired during pre-TAVI evaluation and to correlate recategorization to image quality and coronary artery calcium score (CAC). Methods: In total, 116 patients without significant stenosis (≥50% diameter) on cCTA as part of pre-TAVI CT were included. Patients were examined with an electrocardiogram-gated CT scan of the heart and high-pitch scan of the torso. Patients were re-evaluated with ML-based CT-FFR (threshold = 0.80). The standard of reference was ICA. Image quality was assessed quantitatively and qualitatively. Results: ML-based CT-FFR was successfully performed in 94.0% (109/116) of patients, including 436 vessels. With CT-FFR, 76/109 patients and 126/436 vessels were falsely categorized as having significant CAD. With CT-FFR 2/2 patients but no vessels initially falsely classified by cCTA were correctly recategorized as having significant CAD. Reclassification occurred predominantly in distal segments. Virtually no correlation was found between image quality or CAC. Conclusions: Unselectively applied, CT-FFR may vastly increase the number of false positive ratings of CAD compared to morphological scoring. Recategorization was virtually independently from image quality or CAC and occurred predominantly in distal segments. It is unclear whether or not the reduced CT-FFR represent true pressure ratios and potentially signifies pathophysiology in patients with severe aortic stenosis.

Background: Significant coronary artery disease (CAD) is a common finding in patients undergoing transcatheter aortic valve implantation (TAVI). Assessment of CAD prior to TAVI is recommended by current guidelines and is mainly performed via invasive coronary angiography (ICA). In this study we analyzed the ability of coronary CT-angiography (cCTA) to rule out significant CAD (stenosis ≥ 50%) during routine pre-TAVI evaluation in patients with high pre-test probability for CAD. Methods: In total, 460 consecutive patients undergoing pre-TAVI CT (mean age 79.6 ± 7.4 years) were included. All patients were examined with a retrospectively ECG-gated CT-scan of the heart, followed by a high-pitch-scan of the vascular access route utilizing a single intravenous bolus of 70 mL iodinated contrast medium. Images were evaluated for image quality, calcifications, and significant CAD; CT-examinations in which CAD could not be ruled out were defined as positive (CAD+). Routinely, patients received ICA (388/460; 84.3%; Group A), which was omitted if renal function was impaired and CAD was ruled out on cCTA (Group B). Following TAVI, clinical events were documented during the hospital stay. Results: cCTA was negative for CAD in 40.2% (188/460). Sensitivity, specificity, PPV, and NPV in Group A were 97.8%, 45.2%, 49.6%, and 97.4%, respectively. Median coronary artery calcium score (CAC) was higher in CAD+-patients but did not have predictive value for correct classification of patients with cCTA. There were no significant differences in clinical events between Group A and B. Conclusion: cCTA can be incorporated into pre-TAVI CT-evaluation with no need for additional contrast medium. cCTA may exclude significant CAD in a relatively high percentage of these high-risk patients. Thereby, cCTA may have the potential to reduce the need for ICA and total amount of contrast medium applied, possibly making pre-procedural evaluation for TAVI safer and faster.

Contexte: L'implantation valvulaire aortique par cathéter (TAVI) est une procédure relativement jeune dont l'objectif est de traiter les patients atteints de sténose aortique sévère pour qui la chirurgie cardiaque conventionnelle est considérée à haut risque ou contre-indiquée. Cette procédure a subi, au fil du temps, des améliorations sur le plan technologique (succession de différentes générations de prothèses valvulaires) ainsi que sur le plan technique (simplification des différentes étapes de la procédure). Objectif: L'objectif de ce travail est de décrire l'impact clinique d'une avancée technologique, soit le passage de la deuxième vers la troisième génération de la prothèse Edwards, et d'une avancée technique, soit l'implantation de la prothèse sans pré-dilatation de la valve native. Méthodes: Nous présentons d'abord, par le biais d'une revue et méta-analyse, les résultats cliniques du TAVI au début de son utilisation à plus grande échelle, en 2012. Ensuite, une étude monocentrique rétrospective dans un centre à haut volume décrit les résultats du passage de la deuxième vers la troisième génération de la valve Edwards chez 507 patients. Enfin, une étude rétrospective avec appariement a testé différentes stratégies de pré-dilatation durant la procédure: une pré-dilatation systématique, une pré-dilatation sélective chez des patients présentant des caractéristiques cliniques précises, et l'absence de pré-dilatation. Résultats: Dans l'article présentant les résultats cliniques au début de l'expérience TAVI, le taux de mortalité à 30 jours variait entre 5 et 18%. Le taux de décès à 1 an était estimé à 23% (méta-analyse, random effects model). Le taux d'AVC à 30 jours était entre 0 et 6.7% et le taux de complication vasculaire majeure entre 2 et 16%. L'étude sur le passage de la SAPIEN XT vers la SAPIEN 3 a montré une diminution non significative de la mortalité à 30 jours (de 8.7 à 3.5%; p=0.21) et des AVC à 30 jours (de 2.8 à 1.4%; p=0.6), ainsi qu'une diminution significative des complications vasculaires majeures à 30 jours (de 9.9 à 2.8%; p<0.0001). Cependant, il y a eu une augmentation significative du taux de pacemaker (de 9.8 à 17.3%; p=0.03). L'étude sur la pré-dilatation versus le direct TAVI a montré une absence d'effet adverse du direct TAVI en termes de décès ou complications vasculaires à 30 jours. Nous avons trouvé une tendance à la réduction des AVC avec le direct TAVI (3 vs. 1%; p=0.11), en particulier chez les patients avec une valve aortique peu ou modérément calcifiée. Cependant, chez les patients avec calcification extensive de la valve, le risque de malposition de la prothèse était numériquement plus élevé. Au cours des 3 études présentées, la mortalité à 1 an a peu évolué (entre 20 et 25%). Conclusions: Les événements adverses à court terme ont diminué après le changement de génération de valve Edwards. Le direct TAVI permet de simplifier la procédure sans augmenter les taux d'effets adverses. Cependant, les deux avancées présentent des limites qui incitent à la prudence. / Context: Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is a relatively young procedure intended to treat patients with severe aortic stenosis who are at high risk for conventional surgery, or inoperable. This procedure underwent multiple technological improvements (successive generations of devices) and multiple technical improvements (simplification of various steps in the procedure). Objective: We intend to describe the clinical impact of a technological improvement (the transition from the second to the third generation of the Edwards device in a high-volume center) and that of a technical improvement (TAVI without pre-dilatation, known as direct TAVI). Methods: We first describe, through a meta-analysis, the state of TAVI at the beginning of its widespread use, in 2012. Next, we describe, through a single-center retrospective study, the clinical impact of the transition from the second to the third generation of the Edwards device in 507 patients. Finally, in a retrospective study with matching, we tested three pre-dilatation strategies: systematic pre-dilatation, selective pre-dilatation, and direct TAVI. Results: In the article describing the initial TAVI experience, the 30-day mortality rate was between 5 and 18%. One-year mortality was estimated at 23% by meta-analysis (random effects model). Stroke rate at 30 days was between 0 and 6.7% and major vascular complication rate was between 2 and 16%. The transition from SAPIEN XT to SAPIEN 3 resulted in a non-significant reduction in 30-day mortality (from 8.7 to 3.5%; p=0.21) and 30-day stroke rate (from 2.8 to 1.4%; p=0.6), and a significant reduction in major vascular complications (from 9.9 to 2.8%; p<0.0001). However, there was a significant increase in permanent pacemaker rate (from 9.8 to 17.3%; p=0.03). Next, we found no adverse effect of performing direct TAVI in terms of mortality or vascular complications at 30 days. We found a trend towards a reduction in stroke rate with direct TAVI (3 vs. 1%; p=0.11), particularly in patients with mildly or moderately calcified valves. However, in those with extensive valvular calcification, the risk of device malposition was numerically higher. In all three studies presented, there was little variation in 1-year mortality (20 to 25%). Conclusions: Short-term adverse events were reduced by the transition towards the third-generation Edwards device. Direct TAVI is feasible and safe. However, both of these improvements have limitations and should be considered carefully.

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L’implantation valvulaire aortique percutanée (TAVI) a émergé comme une alternative à la chirurgie pour les patients avec sténose sévère et haut risque chirurgical. Cette technique s’étend à une population plus large (e.g. anatomie plus complexe, risque chirurgical plus bas), ainsi qu'au traitement Valve-in-Valve (ViV) des bioprothèses (BPs) chirurgicales défaillantes. Cependant, deux complications majeures en limitent la généralisation. En TAVI « classique », la présence de fuites péripothétiques a été associée à une mortalité augmentée. Les effets du surdimensionnement de la prothèse percutanée pour assurer son étanchéité, ou de la forme de l’anneau souvent non circulaire, sur la performance hémodynamique, sont mal connus. En ViV, la présence de hauts gradients est fréquente et associée à une mortalité augmentée. Les BPs de taille nominale ≤ 21 mm et le mode de dégénérescence par sténose, facteurs mis en cause dans la sténose résiduelle et associés à une mortalité augmentée, ne sont pas assez spécifiques et il n’existe actuellement aucune recommandation pour le traitement des petites BPs. Par ailleurs, le bénéfice hémodynamique réel du ViV par rapport aux statuts avant ViV n’a pas été étudié.L’objectif général de ce travail doctoral est de comprendre les interactions entre la prothèse percutanée et l’anneau aortique ou la BP à traiter, impliquées dans la performance hémodynamique, en particulier dans des conditions d’implantation complexes, afin d’étendre les indications du TAVI. En ViV, le défi est de préciser les facteurs associés à sa performance et son utilité hémodynamique et de proposer des stratégies d’implantation afin d’optimiser le succès de la procédure. / Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) has emerged as an alternative to surgery for patients with severe aortic stenosis and high surgical risk. This technique is extending to a wider population (e.g. with more complex anatomy or lower surgical risk), as well as to patients with degenerated surgical bioprostheses (BPs). However, two major concerns remain limiting. Regarding “classical TAVI”, periprosthetic leaks have been associated with increased mortality. Oversizing is used to secure the device within the aortic annulus which is often non circular. The effects of oversizing and annulus shape on the hemodynamic performance are unknown. Regarding ViV implantations, elevated post-procedural gradients are common and have been associated with increased mortality. The principal factors associated with this residual stenosis as well as with increased risk of mortality, have been BPs label size ≤ 21 mm and mode of failure by stenosis. These factors are not specific enough and there is currently no recommendation for the treatment of small BPs. Besides, the actual hemodynamic benefit associated with ViV has not been evaluated (vs. pre ViV status).The general objective of this work is to understand the interactions between the transcatheter prosthesis and the aortic annulus or the BP to be treated, which impact the hemodynamic performance, especially in complex conditions of implantation, in order to extend the indications of TAVI. In the context of ViV, the objective is to specify the factors associated with the hemodynamic performance and utility of the treatment. The final aim is to provide strategies of implantation in order to optimize the success of the procedure.

[pt] A estenose aórtica é um dos mais graves problemas decorrentes de doenças valvares. O implante da prótese valvar aórtica por cateterismo (TAVI) vem se tornando o tratamento mais indicado aos pacientes de alto risco ou inoperáveis. A estenose aórtica grave pode ser uma condição de risco à vida quando não tratada. Devido à natureza do procedimento TAVI, é esperada uma variabilidade no ângulo de inclinação da válvula implantada. O presente trabalho investigou a influência das variações de inclinação e orientação do jato transvalvar sobre o escoamento em aorta ascendente. A compreensão dos padrões hemodinâmicos do fluxo sanguíneo em aorta ascendente é importante porque eles estão intimamente relacionados ao desenvolvimento de doenças cardiovasculares. Para este fim, um modelo vascular com geometria anatômica de paciente específico foi produzido a partir de imagens de tomografia computadorizada, gerando um protótipo impresso em 3D e resina de silicone transparente. Uma configuração especial foi projetada para permitir medições tridimensionais do fluxo em diferentes seções transversais do modelo aórtico. A técnica de velocimetria por imagens estereoscópicas de partículas foi implementada para produzir informações estatísticas acerca do fluxo turbulento, tais como, campos tridimensionais de velocidade média, de energia cinética turbulenta e correlações entre os componentes de flutuação de velocidade. Os resultados obtidos indicaram que o escoamento em aorta ascendente é fortemente afetado pela direção do fluxo de entrada na aorta. / [en] Aortic stenosis is one of the most serious problems arising from valve diseases. Transcatheter Aortic Valve Implantation (TAVI) has become the preferred treatment for high-risk or inoperable patients with severe aortic stenosis that could be a lifethreatening condition when left untreated. Due to the nature of the TAVI procedure, a variability on the tilt angle of the deployed valve is expected. The present work, investigated the effects on the flow field in the ascending aorta due angle variation of the transvalvular jet. Understanding the hemodynamic patterns of blood flow in the ascending aorta is important because they are closely related to the development of cardiovascular diseases. To this end, a patient-specific vascular phantom was produced by a 3D printed model and transparent silicon resin. A special setup was designed to allow measurements of the 3D flow at different cross sections of the aorta. A stereoscopic particle image velocimetry system was implemented to yield instantaneous and averaged turbulent flow information, such as three-dimensional average velocity fields, turbulent kinetic energy, and correlations between the components of velocity fluctuation. The results obtained indicated that the velocity field in the ascending aorta is strongly affected by the inlet flow direction into the aorta.

[pt] As patologias na valva aórtica representam umas das principais causas de óbito no mundo. Nos casos de estenose aórtica grave, a substituição da valva nativa é necessária. Existem dois mecanismos de substituição de valva aórtica: cirurgia convencional, através da toracotomia, ou o implante valvar aórtico percutâneo (TAVI, Transcatheter Aortic Valve Implantation). O posicionamento coaxial da prótese valvar em relação ao ânulo aórtico influência o fluxo sanguíneo transvalvar, podendo contribuir para o remodelamento aórtico, culminando em dilatações aneurismáticas, dissecção aórtica e processo aterosclerótico. O presente estudo avalia numericamente a influência do posicionamento coaxial da prótese valvar nas estruturas hemodinâmicas na região de aorta ascendente e início do arco aórtico, durante um ciclo cardíaco. A geometria anatômica avaliada corresponde a um modelo aórtico de um paciente que foi submetido ao implante valvar percutâneo. O escoamento foi obtido com o modelo de turbulência (K - W), utilizando o software ANSYS-Fluent. A interação entre a complacência aórtica e o fluxo sanguíneo durante o ciclo cardíaco foi obtida empregando simulações do tipo FSI (Fluid Structure Interaction). A metodologia numérica foi validada através de comparações com dados experimentais nobres do tipo PIV estereoscópico, com excelente concordância do campo de velocidade e tensões de Reynolds. Observou-se a importância do posicionamento coaxial da prótese valvar aórtica com relação ao direcionamento do jato e área de impacto na parede da aorta; influenciando na formação de regiões de recirculação na raiz da aorta e aorta ascendente; com diferentes estruturas coerentes (vórtices). Identificou-se as regiões de alta pressão e tensão de cisalhamento na parede da aorta, assim como de alta intensidade das grandezas turbulentas no volume interno da aorta. A partir da análise dos resultados foi possível sugerir que a posição coaxial ideal da prótese pode ser obtida quando é direcionada à parede esquerda da aorta com uma inclinação de 4 graus. / [en] Aortic valve pathologies are one of the leading causes of death in the world. In cases of severe aortic stenosis, replacement of the native valve is necessary. There are two mechanisms of aortic valve replacement: conventional surgery through thoracotomy or Transcatheter Aortic Valve Implantation (TAVI). Coaxial positioning of the valve prosthesis in relation to the aortic annulus influences on the transvalvar blood flow, which may contribute to aortic remodeling, culminating in aneurysmal dilations, aortic dissection and atherosclerotic process. The present thesis evaluates the influence of the coaxial positioning of the valve prosthesis on hemodynamic structures in the ascending aorta and the beginning of the aortic arch, during a cardiac cycle. The anatomical geometry evaluated was the aortic model of a specific patient after being submitted to percutaneous valve implantation procedure. The flow was obtained with the (K - W) turbulence model, using ANSYS-Fluent software. Interaction between aortic compliance and blood flow during the cardiac cycle was obtained using simulations FSI (Fluid Structure Interaction). The numerical methodology was validated through comparisons with noble experimental data obtained from stereoscopic PIV method, with excellent agreement of the velocity field and Reynolds stress. It was observed the importance of the coaxial positioning of the aortic valve prosthesis in relation to the jet direction and the impact area in the aortic wall, influencing the formation of recirculation regions in the aortic root and ascending aorta; with different coherent structures (vortices). The regions of high pressure and shear stress were identified in the aortic wall, as well as high intensity turbulent quantities in the internal aortic volume. From the results analysis it was possible to suggest that the ideal coaxial position of the prosthesis can be obtained when it is directed to the left wall of the aorta with an inclination of 4 degrees.