Towards automated balloon valvuloplasty : estimation of the aortic valve dimensions

Aortic stenosis is the most common type of heart valve disease in the elderly, which affects 2% of people who are over 65 years of age. The pathology leads to a narrowing of the aortic valve and an obstruction of the blood flow due to the leaflets calcification, lipid deposition, and inflammatory infiltration. The golden standard to treat this disease is to replace surgically the aortic valve; however, 30% of the population cannot undergo open-heart surgery because they are considerate at high risk. Transcatheter Aortic Valve Implantation (TAVI) is a less invasive treatment where a catheter, commonly inserted through a transfemoral access, is used to implant a new valve within the disease aortic valve. Although, TAVI positive outcomes over the last decade, some intra operative complications are still present, such as stroke, post-implantation aortic regurgitation and atrioventricular blocks. Meticulous pre-procedure planning using multimodality imaging and choosing the most appropriate valve size are critical elements to achieve optimal results for TAVI. Nowadays, the size of the prosthesis is selected by imaging techniques, which do not consider the deformation of the valve after Balloon Aortic Valvuloplasty (BAV), this solutions have low accuracy. BAV is the widening of a stenotic aortic valve using a balloon catheter inside the valve. The project is based on developing a new method to estimate the dimension of the aortic annulus exploiting intra balloon pressure and volume data acquired in real time from a commercially available balloon catheter. A linear actuator and a servomotor compose the automated measurement system that moves the plunger of a syringe to inflate the balloon catheter. The sizing algorithm needs two pressure volume curves to estimate the annular dimensions: the curve obtained by the free inflation of the balloon catheter and the curve detained while the balloon catheter is inserted in the idealized aortic annulus. The first curve is used to establish an analytical model of the free inflation which is combined by the sizing algorithm with the second curve to study the deviation between both and retrieve the aortic valve dimension. The system has been tested in vitro on idealized aortic phantoms; a numerical model was advanced to identify the appropriate material to simulate the native stenotic aortic valve. The developed approach to size the aortic annulus is accurate (0.97% maximum average error ) and repeatable (+- 0.29 maximum standard deviation), and it could be integrated with traditional imaging based strategies. The new approach could allow to choose the aortic prosthesis correctly reducing TAVI complications. Moreover, it could be potentially used to develop a patient specific prosthetic heart valve.

La stenosi valvolare aortica è una patologia cardiaca valvolare che colpisce il 2% di soggetti di età superiore ai 65 anni, caratterizzata da un restringimento della valvola aortica causato da calcificazione della valvola, deposito di lipidi e infiltrazioni infiammatorie, i quali ostacolano il normale flusso sanguinino. Il metodo più comunemente utilizzato per trattare questa patologia è la sostituzione della valvola cardiaca; tuttavia solo una porzione dei pazienti patologici è idonea a questo approccio. La restante parte (30%), infatti, non può sostenere questa operazione in quanto ritenuta ad alto rischio operatorio. Una valida alternativa all’intervento tradizionale è un impianto di protesi valvolare transcatetere (TAVI). La TAVI è un trattamento di minore invasività, che consiste nell’inserimento di un catetere per via percutanea (generalmente da un accesso transfemorale), per sostituire la valvola patologica. Nonostante negli ultimi anni siano stati fatti numerosi progressi, questi non sono ancora sufficienti per colmare tutte le complicazioni post-operatorie (ictus, rigurgito paravalvolare o blocco atrioventricolare) che possono insorgere. Alcune soluzioni per diminuire tali complicanze ed ottenere migliori risultati post-operatori sono pianificare meticolosamente la procedura utilizzando immagini diagnostiche e scegliere la corretta dimensione di protesi valvolare. Attualmente, le tecniche per scegliere la protesi più adatta all’anatomia del paziente si basano sullo sviluppo di immagini mediche ottenute prima dell’intervento. Questa soluzione ha un’accuratezza ridotta dovuta al cambiamento della morfologia dell’annulus dopo la valvuloplastica (BAV): dilatazione del tratto stenotico tramite un catetere a palloncino per ottenere un allargamento del lume, una diminuzione del gradiente di pressione e un maggiore flusso ematico. Il progetto si concentra nel sviluppare un nuovo metodo per stimare la dimensione della valvola aortica utilizzando dati di pressione e volume acquisiti simultaneamente in real-time da un catetere a palloncino comunemente disponibile sul mercato. Il sistema di misurazione automatico è composto da un servo motore e attuatore lineare che hanno il compito di muovere il pistone di una siringa per gonfiare il catetere. Per determinate la dimensione esatta dell’annulus aortico sono state utilizzate curve di pressione e volume ottenute da fantocci e combinate con un modello analitico ricavato dalle curve p-v acquisite durante il libero gonfiaggio del palloncino. Il sistema è stato testato in vitro su fantocci ideali; inoltre, è stato implementato un modello numerico per identificare il materiale più idoneo per simulare le proprietà meccaniche della valvola stenotica nativa. L’approccio sviluppato permette di dimensionare la valvola aortica con elevata accuratezza (massimo errore medio 0.97%) e con alta ripetibilità (massima standard deviation +- 0.29). Il nuovo metodo potrebbe far diminuire le complicazioni post TAVI e predisporre lo sviluppo di protesi valvolari specifiche per singoli pazienti.