Transcatheter aortic valve replacement : measuring physiological compliance and vessel geometry using a valvuloplasty balloon catheter

Aortic stenosis (AS) is a serious valvular heart disease, which affects 2% of people who are over 65 years of age. It is characterised by a narrowing of the aortic valve opening, usually induced by age-related progressive calcifications and, if untreated, it is associated with a 50% rate of death within two years after the appearance of symptoms. Open-heart aortic valve replacement (AVR) is the traditional surgical procedure used to treat AS. However, at least 30% of the patients with severe AS cannot undergo surgery, because of multiple coexisting conditions. Transcatheter Aortic Valve Replacement (TAVR) has therefore been introduced in 2002 as a minimally invasive alternative to AVR. The positive clinical outcomes have allowed this technique to rapidly develop over the past fifteen years. Nevertheless, TAVR is still affected by some major intra-operative complications, such as neurological events and aortic regurgitation. The main causes of regurgitation are malpositioning or undersizing of the prosthetic device, an elliptic shape of the aortic annulus or an irregular distribution of calcium depositions within the surrounding tissue. In such cases, the expansion of the prosthetic valve might be incomplete or uneven, leading to deformation of the stent (paravalvular leakage) or malcoaptation of the leaflet edges (transvalvular leakage). Therefore, it is crucial for the surgeon to have accurate information about the cross-sectional geometry and the mechanical properties of the aortic annulus, to choose the right prosthesis to be implanted and optimise the results of the procedure. According to the current recommendations, the size of the annulus is measured, prior to TAVR, either with 2D transesophageal echocardiography (TEE) or transthoracic echocardiography (TTE). However, it has been demonstrated that bidimensional echocardiographic images are not the best option to assess the complex 3D geometry and the elliptic shape of the aortic annulus. To date, as far as compliance assessment is concerned, direct measurements of vascular stiffness can be performed in vitro or in vivo. While the former has some significant limitations, the latter overcome such weaknesses using imaging techniques. The aim of this work is to propose a method to infer both mechanical and geometrical properties of rigid and compliant phantom vessels. The herein described approach is based on simultaneously volume and pressure measurements of liquid inside the robotic soft balloon, gathering knowledge on the interaction between rigid/compliant anatomies and valvuloplasty balloon in terms of pressure-volume (P-V) curves. The first step of this work involves the creation of a numerical model of the BAV balloon catheter from polariscopic images of the real device. The sketch has then been imported into Abaqus/Standard to generate a hexahedral element mesh and finally transferred to MSC. Marc® for further finite element analyses. A variable thickness, attributable to manufacturing techniques, has been considered while approximations have been made to make the part symmetric. The inflatable balloon has been discretised into hexahedral 8-noded elements and it has been approximated with a linear elastic isotropic material. Boundary conditions have been applied to the model and the balloon has been inflated by applying a constantly increasing pressure to the cavity. In order to recreate an initial tri-folded configuration, an additional preliminary simulation has been included as well. The second step concerns numerical simulations, performed on MSC. Marc® by inflating the previously described numerical model of the balloon catheter inside rigid vessels. Moreover, numerical models of compliant vessels have been created as well, in order to compute their distensibility. The procedure followed to create rapid-prototyping compliant annuli consists in several steps, which can be summarised as follows: (i) estimation of physiological compliance from literature, (ii) tensile tests of silicone samples, (iii) MSC Marc simulations and (iv) the design and printing of moulds to fabricate phantom vessels. DragonSkin30 has been chosen as compliant annuli manufacturing material and a second order Ogden form has been chosen to approximate its behaviour; associated parameters have been extrapolated by MSC. Marc® from the experimental stress-strain results of uniaxial tensile tests on silicone samples. Moving towards the experimental counterpart, the third and last step regards the setup of the experimental test rig for data collection. Distensibility and diameter of each vessel are quantified by simultaneously recording the internal pressure and corresponding inflated volume of a Ø23 mm non-compliant Edwards valvuloplasty balloon. A 10 mL syringe pump is used to inflate the balloon at a constant flow rate. The syringe is moved through a non-captive stepper motor, whose speed can be reduced or increased acting on the time delay between steps within the controller. Due to the high values of pressure that can be reached while inflating the balloon, an absolute PXM4101 strain gauge pressure transducer is employed. Each test is repeated five times for every vessel, in order to ensure the repeatability and reproducibility of the data. The balloon is tested on several cylinders with different diameters (18, 19, 20, 21, 22, 23 mm), different shape (circular or elliptical) and different mechanical properties (rigid and compliant). After each motor step, pressure data and inflated volume are acquired, saved and plotted real-time on the graphical user interface. By comparing experimental and computational results, the numerical model results to be very accurate, despite some little discrepancies that have been discussed in details in Chapter 4. Obtained results indicate that it should be possible to extract meaningful information from P-V data, to univocally identify diameters ≤ 21mm. On the other hand, it has been found that a shorter vessel slightly reduces the slope of all the P-V curves during the pressurisation phase. Moreover, it shifts to the right the P-V curves associated with diameters smaller than the non-tensioned diameter of the balloon. Regarding instead shape variability, since ellipticity and reduction in annular length have a very similar effect on P-V curves, it might be very difficult, or even impossible, to univocally associate a curve to a combination of diameter, length and ellipticity. Experimental data result to be closely distributed around the mean value. Low values of standard deviation indicate a great repeatability and reproducibility of the procedure. Knowing cavity pressure and volume variations, distensibility has been numerically computed; these values (0.00124 mmHg-1 and 0.00175 mmHg-1 for Ø18 mm and Ø19 mm respectively) have been compared to the values extracted through experimental tests, calculated as the local slope of the V-P curves and normalised over the initial volume. Only two sizes (Ø18 mm and Ø19 mm) have been used to evaluate silicone distensibility. Since, the balloon nominal diameter is equal to 20 mm, in order to measure vessel compliance, it is important to avoid balloon stretching, being therefore able to neglect its material properties during the computation of distensibility. As far as Ø18 mm phantom vessel is concerned the value retrieved from experimental tests corresponds to 0.00121 mmHg-1. The error, computed as the difference between the numerically computed and the experimental value, is therefore equal to 0.00003 mmHg-1. According instead to Ø19 mm vessel, the distensibility is equal to 0.00195 mmHg-1. The error, in this case, amounts to 0.0002 mmHg-1. Standard deviation is always very low, with average values equal to 0.026 mmHg-1 and 0.017 mmHg-1 respectively, implying both a good reproducibility and repeatability of the measurements. Finally, an analytical algorithm to automatically retrieve the dimension of the phantom vessel from P-V curves has been introduced and validated with experimental results. This strategy comprises two different approaches: when the vessel is smaller than the non-tensioned diameter of the balloon (20 mm, Region 1), data must be fitted with a parametrical logistic function, considering the value of the “c” parameter. This fitting has been evaluated by means of goodness-of-fit statistics (SSE, R2 or RMSE) and it provides excellent results. Instead, when the vessel is greater than the non-tensioned diameter of the balloon, the dimension of the annulus can be retrieved by looking at one of the two coordinates of the inflection point. In conclusion, the balloon catheter is not only able to detect the dimension of the phantom vessel but it is also sensitive to changes in annular length. On the contrary, as far as shape analysis is concerned, the device is not able to distinguish between elliptical and circular vessels if the length is not fixed. Furthermore, the balloon is able to retrieve soft tissue compliance, assuming length and shape constancy. The clinical relevance of this work is twofold. On the one hand, it presents a cost-effective and accurate method to use a commercially available device to perform a more conservative selection of prosthesis sizes, matching the patient’s anatomical dimensions and therefore reducing TAVR complications without including any kind of imaging technique. On the other side, this work lays the foundations for the future development of a new soft-robotic catheter, able to automatically obtain patient-specific implantation sites features by means of a mechatronic and completely stand-alone system.

La stenosi valvolare aortica degenerativa è, nella sua forma più grave, una condizione cronica altamente invalidante: ad oggi, questa patologia colpisce circa il 2% dei soggetti sopra i 65 anni e, se trascurata, causa il decesso del 50% dei pazienti entro due anni dalla prima comparsa dei sintomi. Il restringimento della valvola aortica, infatti, ostacola il deflusso del sangue dal ventricolo sinistro all’aorta, provocando dispnea da sforzo, angina pectoris fino a episodi di scompenso cardiaco e morte improvvisa. In pazienti anziani, affetti da stenosi aortica severa e rischio operatorio particolarmente elevato, una valida alternativa al tradizionale intervento chirurgico è rappresentata dall’impianto transcatetere di una protesi valvolare (TAVR). Questa tecnica mininvasiva, introdotta nel 2002, prevede un’anestesia locale ed è suddivisa in due fasi: valvuloplastica, per aprire la valvola aortica nativa e predisporre il posizionamento della protesi, e l’impianto della protesi valvolare, effettuato per via percutanea attraverso l’introduzione di un catetere munito, alla sua estremità, di un palloncino gonfiabile. Numerosi sono i progressi che si sono susseguiti negli ultimi quindici anni, in termini non solo di perfezionamento tecnico della metodica ma anche di efficacia e sicurezza dei dispositivi impiantabili. Nonostante il successo di questo approccio innovativo, l’insorgere di complicazioni post-operatorie rappresenta un continuo stimolo per studiare i potenziali rischi connessi a queste procedure e identificare i requisiti essenziali per la progettazione di nuovi dispositivi. In particolare, è bene ricordare che un rigurgito paravalvolare anche lieve incide significativamente sulla mortalità a lungo termine e risulta essere tutt’altro che infrequente, presentandosi approssimativamente nel 40% dei pazienti. Malposizionamento o sottodimensionamento della protesi, ellitticità dell’annulus o un irregolare accumulo di calcio nel tessuto delle valvole cardiache sono solo alcuni dei meccanismi che sono stati presi in considerazione per spiegare la comparsa di rigurgito dopo la TAVR. Per questo motivo, è di fondamentale importanza avere informazioni accurate e attendibili sulla morfologia dell’annulus e sulle proprietà meccaniche del tessuto, così da poter scegliere la protesi più adatta all’anatomia del paziente migliorando al contempo i risultati di questa tecnica chirurgica. In base alle norme attualmente in vigore, la valutazione morfologica dell’annulus viene effettuata, prima dell’intervento, mediante ecografia transesofagea bidimensionale (2D-TEE) o ecografia transtoracica bidimensionale (2D-TTE). Ciò nonostante, è stato recentemente dimostrato che tali tecniche di imaging bidimensionale non costituiscono la strategia ottimale per il corretto dimensionamento del sito di impianto, a causa della complessa geometria tridimensionale di quest’ultimo. Per quel che riguarda invece la valutazione delle proprietà meccaniche del tessuto, ad oggi valutazioni dirette della rigidità del sito di impianto possono essere effettuate in-vitro o in-vivo. Se da un lato le analisi in-vitro presentano limiti significativi, la stima in-vivo, avvalendosi di tecniche di imaging, risulta essere più efficace, sebbene maggiormente invasiva. Questo lavoro di tesi si pone come obiettivo quello di proporre un metodo affidabile e sicuro per dedurre le proprietà geometriche e meccaniche dell’annulus, senza l’utilizzo di tecniche di imaging. L’approccio descritto nei capitoli successivi si basa sull’acquisizione simultanea della pressione e del volume presenti all’interno della cavità del palloncino utilizzato per il posizionamento della valvola, acquisendo quindi informazioni sul contatto tra l’anatomia circostante e il suddetto strumento sotto forma di curve pressione-volume (P-V). Il modello a Elementi Finiti del palloncino è stato creato partendo da immagini polariscopiche del dispositivo utilizzato nella pratica clinica. Lo sketch è stato quindi importato su Abaqus/Standard, dove è stato discretizzato, e successivamente trasferito su MSC. Marc®. Se da un lato sono state fatte delle approssimazioni per rendere il modello simmetrico, dall’altro esso risulta molto accurato, presentando uno spessore variabile attribuibile ai processi di fabbricazione del dispositivo. Al materiale è stato assegnato un comportamento isotropo elastico lineare, fornendo i valori di modulo di Young e coefficiente di Poisson forniti dalla letteratura. Nelle simulazioni il palloncino è stato gonfiato applicando una pressione alle pareti della cavità interna; al contempo, condizioni al contorno sono state impostate affinché il modello sia vincolato a spostarsi solo radialmente. Infine, simulazioni aggiuntive che replicassero il processo di sgonfiamento del palloncino sono state introdotte al fine di ricreare la condizione collassata a tre lembi utilizzata nella pratica clinica. Successivamente sono state svolte simulazioni numeriche su MSC. Marc® con le quali è stato possibile riprodurre il gonfiaggio del palloncino all’interno di vasi rigidi. In aggiunta, è stato creato un modello computazionale di due cilindri complianti, al fine di poterne calcolare la distensibilità. Tale distensibilità, ottenuta mediante simulazioni numeriche, è stata poi confrontata con il corrispettivo valore sperimentale, ricavato come pendenza della curva volume-pressione (V-P) e normalizzato rispetto al volume iniziale. Sono stati testati solamente due diametri (Ø18 mm and Ø19 mm), entrambi minori del diametro del palloncino a pressione atmosferica (Ø20 mm). Questo è stato fatto al fine di poter misurare solo ed esclusivamente le proprietà meccaniche del silicone, trascurando quelle del dispositivo. La procedura che è stata seguita per creare questi modelli complianti, all’interno dei quali testare le proprietà meccaniche del tessuto, è costituita da diversi fasi: (i) stima della complianza fisiologica; (ii) prove a trazione su provini in silicone; (iii) simulazioni in MSC Marc; (iv) produzione degli stampi per il silicone. Per realizzare questi cilindri è stato scelto il silicone DragonSkin30, approssimato su MSC. Marc® con un modello Ogden del secondo ordine; i parametri ad esso associati sono stati calcolati sulla base dei risultati di una prova a trazione uniassiale sui provini in silicone. Per quel che concerne la validazione del modello numerico, è stato appositamente sviluppato un setup sperimentale con il quale acquisire in contemporanea variazioni di volume e pressione all’interno di un palloncino Edwards per valvuloplastica, avente un diametro nominale pari a 23 mm. Collegando una siringa ad un motore stepper è stata realizzata una pompa per iniezione con la quale introdurre il fluido all’interno della cavità. Per poter misurare gli elevati valori di pressione raggiunti durante il processo di gonfiaggio, nel sistema è stato inserito anche un sensore di pressione assoluto Omega PXM4101. Ciascun test è stato ripetuto cinque volte, al fine di quantificare la ripetibilità e la riproducibilità delle suddette misure. Il palloncino è stato testato all’interno di svariati cilindri, aventi diverso diametro (18, 19, 20, 21, 22, 23 mm), forma differente (circolare o ellittica) e diverse proprietà meccaniche (rigidi o complianti). I dati relativi a pressione e volume vengono acquisiti, salvati e mostrati a video sull’interfaccia grafica dopo ciascun passo del motore stepper. Relativamente agli annuli rigidi, confrontando i risultati sperimentali con i valori numerici, si è visto come il modello computazionale realizzato in precedenza sia estremamente accurato, nonostante alcune piccole differenze, discusse in dettaglio nel Capitolo 4. I risultati dimostrano infatti come sia possibile estrarre informazioni precise e affidabili dalle curve pressione-volume per identificare in maniera univoca diametri inferiori a 21 mm. Inoltre, si può osservare dai grafici ottenuti come la pendenza delle curve diminuisca al diminuire della lunghezza dell’annulus. Tale parametro, tuttavia, sembra influire anche sulla posizione delle curve, introducendo un offset orizzontale non trascurabile. Per quel che riguarda invece la variazione di forma, dal momento che ellitticità e lunghezza sembrano avere un effetto molto simile sulle curve ottenute, è lecito pensare che con il dispositivo attualmente in uso sia difficile, se non impossibile, discriminare in maniera univoca curve in cui sia plausibile una variazione di diametro, forma e lunghezza. Infine, i dati sperimentali risultano essere distribuiti intorno alla media, essendo caratterizzati da bassi valori di deviazione standard. Per quel che concerne invece la valutazione delle proprietà meccaniche del sito di impianto, noto il gradiente pressorio all’interno della cavità e la corrispettiva variazione di volume, la distensibilità ricavata dalle simulazioni numeriche è uguale a 0.00124 mmHg-1 mentre il valore corrispondente ai test sperimentali è pari a 0.00121 mmHg-1. L’errore risultante, calcolato come differenza tra i due risultati, è perciò pari a 0.00003 mmHg-1. Per quel che riguarda invece il cilindro avente un diametro di 19 mm, 0.00175 mmHg-1 e 0.00195 mmHg-1 sono i valori associati rispettivamente alla complianza numerica e a quella sperimentale. In questo caso l’errore è leggermente maggiore e pari a 0.0002 mmHg-1. Anche in questo frangente la deviazione standard dei dati sperimentali è molto bassa, con un valore medio pari a 0.026 mmHg-1 e 0.017 mmHg-1 nei due casi. Per concludere, è stato ideato un algoritmo che permetta di ricavare in maniera automatica la dimensione dei siti anatomici, ipotizzandole ignote, e quindi rispecchiando ciò che accade nella realtà clinica. Questa procedura consta di due approcci differenti: i diametri inferiori ai 20 mm (diametro del palloncino a pressione atmosferica) vengono approssimati con l’integrale parametrico della sigmoide e il diametro del vaso viene ricavato grazie ad una positiva e diretta correlazione tra il parametro “c” di tale funzione e la dimensione dell’annulus. Per quel che riguarda invece diametri maggiori di 20 mm, la posizione del punto di flesso delle curve ad essi associate è un chiaro e diretto indicatore della geometria del sito d’impianto Il palloncino per valvuloplastica, quindi, non solo permette di dedurre la geometria del sito di impianto, ma consente di valutarne al contempo anche la lunghezza e le proprietà meccaniche. Al contrario, con il dispositivo attualmente in uso è difficile, se non impossibile, stabilire quale sia la forma dell’annulus. La rilevanza clinica di questo lavoro è duplice. Da un lato esso fornisce un metodo economico ma soprattutto efficace con cui utilizzare un dispositivo disponibile a livello commerciale per una più precisa e consapevole scelta della protesi, adeguando quindi quest’ultima alla specifica anatomia del paziente e riducendo così eventuali effetti collaterali. Dall’altro lato, questo progetto pone le fondamenta per il futuro sviluppo di un catetere robotico che sia in grado di desumere le proprietà geometriche e meccaniche del sito di impianto, avvalendosi di un sistema meccatronico semplice e completamente autonomo.