Approccio semplificato per la simulazione del comportamento meccanico di stent graft per il trattamento di aneurismi aortici

The possibility to use mathematical modeling to perform a pre-interventional rehearsal of endovascular aneurysm repair (EVAR) could help clinicians in the selection of the most suitable device for a specific patient to minimize post-interventional criticalities. The evaluation of a single configuration should be fast to be clinically useful. However, the requirement of a rapid execution is in contrast with the use of the most common modeling techniques such as finite element models that give detailed information on the stent-graft deformation status but are highly time consuming. The aim of the present work is to introduce a spring model based on a novel approach that intends to simulate rapidly and accurately the mechanical behavior of a specific design of stent-graft. Different strategies in defining the spring arrangement in the model were investigated in order to find the most suitable model for describing the stent-graft behavior. A number of mechanical tests were performed on a stent-graft sample, considering the whole device as well as some of its parts. Namely, the NiTi stent rings with or without the polymeric graft were subjected to tensile and compression forces. A few tests were used to deduce the stiffness values of the adopted springs while other tests to verify the spring model predictions. The model that showed the best performances, among those investigated, consists of five kinds of spring: three to mimic the mechanical response of the metal part and two to account for the graft. The total number of springs depends of the stent-graft design. The computational times for the considered whole stent-graft model are in the order of few minutes. Generally, the model describes satisfactorily the experimental deformed geometry and the required forces to deform the device. Moreover, the model shows a reasonable behavior when more complex mechanical conditions are simulated. The results of this study suggest the potentiality of a spring model in predicting, in a fast way, the final configuration of a stent-graft and the interaction force with a wall. However, additional investigations considering more complex stent-graft designs are needed to confirm these preliminary results.

L'utilizzo di modelli numerici, al fine di prevedere il risultato di un intervento per il trattamento endovascolare di un aneurisma, potrebbe aiutare il processo di selezione del dispositivo più adatto per il paziente specifico così da minimizzare le complicanze post-operatorie. La simulazione del rilascio di uno stent-graft deve essere rapida per poter essere utilizzata nella pratica clinica. Tuttavia tale richiesta è in contrasto con le tecniche di modellizzazione più comuni quali gli elementi finiti. Essi sono in grado di fornire informazioni dettagliate sullo stato deformativo del dispositivo ma richiedono elevati tempi computazionali. Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di introdurre un modello a molle basato su un nuovo approccio che intende simulare in modo rapido ed accurato il comportamento meccanico di un stent-graft specifico. A tal fine sono state investigate differenti configurazioni. Per individuare le rigidezze da assegnare alle molle sono state condotte prove meccaniche sull'intero dispositivo e parti di esso. In particolare gli anelli di Nitinol con e senza il tessuto sono stati sottoposti a prove di trazione e compressione. Ulteriori prove sperimentali sono state utilizzate per verificare il corretto comportamento del modello così costruito. La configurazione che ha mostrato i migliori risultati consiste in cinque tipi di molle: tre utilizzate per mimare la risposta meccanica della parte metallica e due per simulare il comportamento del tessuto. Il numero totale di molle dipende dal design dello stent-graft. Il tempo computazionale necessario alle simulazioni per terminare è nell'ordine dei minuti. In generale il modello descrive in modo soddisfacente la configurazione deformata e le forze scambiate con i vincoli esterni. Inoltre esso mostra un comportamento verosimile se sottoposto a sollecitazioni meccaniche più complesse. I risultati di questo studio suggeriscono la potenzialità del modello a molle per predire in modo rapido il comportamento meccanico di uno stent-graft. Tuttavia è necessario condurre ulteriori indagini su dispositivi aventi diversi design al fine di validare i risultati ottenuti da questo studio preliminare.