According to statistics released by the Public Health Agency of Canada, circulatory system disease accounted for one-third of all deaths in Canada (71,749 deaths) in 2005. It remains the leading cause of hospitalization in the country, accounting for 14 per cent of the total. In Canada, the total costs for three types of circulatory disease (coronary heart disease, stroke, and hypertensive heart disease) were estimated to be $21 billion in 2005. Since more than 80 percent of circulatory system deaths in Canada and high income countries are due to diseases of the aortic valve, coronary arteries and the blood vessels supplying the brain, greater attention should be put on the function of the aortic root and its adjacent structures. The decline in the mortality rate associated with the circulatory system diseases is attributed to medical and engineering advances to develop new diagnostic and prognostic tools using in-vivo, in-vitro and numerical studies. However, as the numerical methods are less expensive and more flexible in applying geometrical and hemodynamic variations, they have gained considerable attention in assessing the hemodynamic conditions associated with cardiovascular diseases.

In recent clinical studies, it was established that regional pathologies of the aortic valve can alter the structural and hemodynamic function of the valve and coronary arteries. However, due to limitations either with medical imaging modalities or numerical simulation, the impact of hemodynamic effects is not yet fully elucidated for disease initiation and progression. Numerous clinical and numerical studies are done on the aortic root and the coronary arteries individually. However, only a limited number of them have incorporated both these adjacent structures into one numerical global model. Due to the large deformations that leaflets experience during the cardiac cycle, numerical modeling of fluid–structure interaction of the aortic valve has proven to be a challenging task. Adding the coronary arteries to the aortic valve model increases this complexity which constitutes the limitation of previous studies and all of the developed models so far have either ignored the natural aortic root structure by using simplified geometry of the valve or the coronary vessels or neglected the interaction between the fluid and solid domains. The objectives of these studies were:​ to reproduce the valve dynamics to study alteration to geometrical and hemodynamic parameters and derive the stress patterns. A few studies have been done for making these engineering results meaningful for physicians in terms of disease prognostic tools. The main goal of this study is to address this particular aspect.

Hypothesis:​ It is possible to develop a global model of the aortic valve region with inclusion of the coronary vessels and the aorta to derive a global index to assess the regional hemodynamic conditions in the aortic root based on surrogate variables and investigate the possible interaction between coronary artery pathologies and aortic valve pathologies.

xObjectives:​ The main objective of this study is to develop a 3D global fluid-structure interaction of the aortic root with inclusion of anatomically inspired coronary vessels and their critical small branches as well as the aorta using finite element method. This model is served in derivation of surrogate indices and explaining the possible interactions between the regional pathologies and global variations in the structure as well as providing a better insight into the hemodynamic of coronary multi vessel lesions the and hemodynamic of the aortic valve region as well as the coronary arteries. Eventually, the model could potentially be used in the clinical setting as a diagnostic tool to guide the cardiac surgeons and cardiologist by providing data in terms of disease prognostic tools including the anatomical and hemodynamic data called surrogate variables.

Selon les statistiques publiées par l'Agence de santé publique du Canada, les maladies du système circulatoire représentaient un tiers de tous les décès au Canada (71 749 décès) en 2005. Au Canada, les coûts totaux pour les maladies du système circulatoire (maladie coronarienne, d'AVC et la cardiopathie hypertensive) ont été estimés à 21 milliards en 2005. Depuis, plus de 80 pour cent des décès système circulatoire au Canada et dans les pays à revenu élevé sont dus à des maladies de la valve aortique, artères coronaires et vaisseaux sanguins qui alimentent le cerveau, plus de recherche sur ces régions du système cardio-vasculaire est nécessaire. La baisse du taux de mortalité associeé aux maladies du système circulatoire est attribuée à l'ingénierie médicale et aux développement de nouveaux outils diagnostiques et pronostiques utilisant des données in vivo, in vitro et des études numériques. Cependant, comme les méthodes numériques sont moins couteuses chers et plus souples pour l'utilisation de plus de variations géométriques et hémodynamiques, ils ont gagné une attention considérable dans l'évaluation des conditions hémodynamiques associées aux maladies cardio-vasculaires.

Dans des études cliniques récentes, il a été établi que les pathologies régionales de la valve aortique peuvent altérer la fonction hémodynamique et structurelle et de la valve et des artères coronaires. Toutefois, en raison des limitations soit avec les modalités d'imagerie médicale ou la simulation numérique, l'impact des effets hémodynamiques n'est pas encore complètement élucidé pour l'initiation et la progression de la maladie. De nombreuses études cliniques et numériques ont été effectuées pour la racine de l'aorte et des artères coronaires. Toutefois, seul un nombre limité d'entre eux ont intégré ces deux structures adjacentes dans un seul modèle global numérique. En raison des grandes déformations que les feuillets expériencent pendant le cycle cardiaque, la modélisation numérique des interactions fluide-structure de la valve aortique s'est avéré être une tâche difficile. L'ajout des artères coronaires au modèle de la valve aortique augmente cette complexité ce qui constitue une limitation des études antérieures et tous les modèles développés jusqu'à présent ont soit ignoré la structure de la racine aortique naturelle à l'aide de la géométrie simplifiée de la vanne ou les vaisseaux coronaires ou négligé l'interaction entre les domaines fluide et solide. Les objectifs de ces études étaient les suivants:​ reproduire la dynamique de la valve soupape pour étudier la modification des paramètres géométriques et hémodynamiques et d'en tirer les causes de stress. Quelques études ont été faites pour rendre ces résultats d'ingénierie significatifs pour les médecins en termes des outils pronostiques. L'objectif principal de cette étude est de répondre à cet aspect particulier.

Hypothèse:​ Il est possible de développer un modèle global de la région de la valve aortique avec inclusion des vaisseaux coronaires et de l'aorte et obtenir un indice global pour évaluer les conditions hémodynamiques régionaux dans la racine de l'aorte en fonction des variables de remplacement et d'enquêter sur l'interaction possible entre les pathologies coronariennes et pathologies de la valve.

Objectifs:​ L'objectif principal de cette étude est de développer un modèle d'interaction fluide-structure 3D globale de la racine aortique avec inclusion des vaisseaux coronaires anatomiquement inspirés et de leurs petites branches critiques ainsi que l'aorte en utilisant la méthode des éléments finis. Ce modèle est utilisé pour la dérivation des indices de remplacement et d'expliquer les interactions possibles entre les pathologies et les variations globales de la structure ainsi que de fournir une meilleure description de l'hémodynamique des vaisseaux coronariens les lésions hémodynamiques et de la région de la valve aortique ainsi que les artères coronaires.