ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
5-ott-2023
2022/2023
La stenosi aortica calcifica è una malattia della valvola cardiaca caratterizzata da un
progressivo rimodellamento fibro-calcifico e dall’ispessimento dei foglietti della valvola
aortica. La sostituzione chirurgica della valvola aortica (SAVR) rappresenta la procedura
standard. Ad oggi è altamente rischiosa soprattutto per i pazienti anziani. Al fine di rendere tale procedura sicura per tutti, nel 2002 nasce l’impianto transcatetere della valvola
aortica (TAVI). La procedura consente di raggiungere il cuore con un catetere, contenente una valvola, inserito nel corpo per via non invasiva. Negli ultimi vent’anni, questa chirurgia mini-invasiva è diventata una pratica comune e consolidata, con milioni di pazienti affetti da stenosi aortica che ne hanno beneficiato. Con il progredire della tecnologia, sono stati proposti diversi approcci di modellazione numerica per ottimizzare il design del dispositivo transcatetere di sostituzione della valvola aortica (TAVR) e per affrontare le complicazioni post-impianto. La presente tesi si inserisce in questa linea di ricerca - tuttora in corso - proponendo una formulazione numerica per la modellazione strutturale-meccanica del sistema di valvola aortica ACURATE neo2™. Il modello numerico della valvola sarà poi implementato nella simulazione della procedura TAVI paziente-specifica. Un modello CAD 3D del dispositivo, precedentemente realizzato, è stato discretizzato
utilizzando elementi beam. Le simulazioni sono state eseguite con il solutore LS-DYNA eseguendo una calibrazione dei materiali che compongono lo stent. Sono state effettuate due simulazioni agli elementi finiti (FE) specifiche per il paziente per replicare l’impianto del dispositivo, posizionato seguendo le angiografie dei pazienti. Le grandezze analizzate sono state lo sforzo di Von Mises sull’aorta, la pressione di contatto di quest’ultima con lo stent e le sollecitazioni di Von Mises sullo stent. I valori di queste grandezze si sono dimostrati coerenti nei due pazienti, salvo alcune differenze, dovute alle anatomie specifiche del paziente. Gli step finali delle analisi numeriche manifestano il mantenimento del corretto posizionamento iniziale della valvola, coerente con quanto mostrato dall’angiografia contestualmente all’impianto della valvola nel paziente. Sebbene quindi con esito positivo, ad oggi è stato possibile effettuare confronti solo di carattere qualitativo tra i risultati della simulazione e i dati clinici. Nondimeno gli esiti delle simulazioni si dimostrano promettenti in quanto il modello proposto ha evidenziato la sua efficacia nel replicare correttamente la procedura TAVI.
The calcific aortic stenosis is a heart valve disease characterized by progressive fibrocalcific remodeling and thickening of the aortic valve leaflets. The surgical aortic valve replacement (SAVR) is the standard procedure for this issue, to-date highly risky especially for elderly patients. In 2002 the transcatheter aortic valve implantation (TAVI) born as a solution for the problem. The procedure enables to reach the heart with a catheter, containing a valve, inserted in the body by a noninvasive route. Over the past twenty years, this minimally invasive surgery has become a common and established practice, with millions of patients - suffering from this disease - who have benefited from it. As technology advances, different numerical modelling approaches have been proposed to optimize the transcatheter aortic valve replacement (TAVR) devices’ design and to address the post-implantation complications. The present thesis fits into this line of research - still ongoing - proposing a numerical formulation for the structural-mechanical modelling of the ACURATE neo2™ Aortic Valve system. The valve model will then be implemented in the patient-specific simulation of the TAVI procedure. A pre-existing CAD 3D model of the device was enhanced, including the skirt and the leaflets, and has been discretized
using beam elements. The simulations were done though the solver LS-DYNA performing a calibration of the materials composing the stent. Two patient-specific finite elements (FE) simulations were carried out to replicate the device implant procedure, positioned following the patients’ angiographies. The analysed quantities were the Von Mises stresses on the aorta, the contact pressure of the latter with the stent and the Von Mises stresses on the stent. For all these outcomes, their distribution was consistent between the two patients, except for a few differences, due to the patient-specific anatomies. The final steps of the numerical analyses manifest the maintenance of the correct valve positioning, consistent with what angiography showed during the TAVI procedure. Although successful, only a qualitative comparison between simulation results and clinical data has been possible to date. Nevertheless, the results of the simulations are promising as the proposed model has shown its effectiveness in correctly replicating the TAVI procedure.