Influenza dell'anisotropia del tessuto aortico e delle calcificazioni valvolari in simulazioni paziente-specifico di impianto transcatetere di valvola aortica

In the present thesis work we proceeded to the realization of structural computational simulations in order to replicate the implant in the aortic root of a specific patient of a particular self-expanding valve very common in clinical practice (CoreValve Evolut R, Medtronic). The procedure of intervention consists in inserting a rigid guide up to the left ventricle, allowing the valve to be transported on a catheter that slides on the guide itself. The standard access point for the operation is the femoral artery. This device consists of 3 basic elements: a Nitinol stent, three porcine pericardium leaflets and a stent-sutured skirt. Therefore, computational models representing both the components of the device (with the exclusion of the three valve leaflets) and the patient's anatomical districts, namely the aortic root, the natural aortic valve and its calcifications were performed. The aim of the study is to evaluate the impact of anisotropy of aortic tissue and the presence of valvular calcifications, for this reason the aortic root has been characterized both with a linear elastic material and with an anisotropic hyperelastic one, while calcified deposits have been characterized both with a linear elastic material and with an elastoplastic one. The three-dimensional stent and the skirt were made using the Solidworks software, while the geometry of the anatomical districts was obtained by computerized tomography; all the components were subsequently discretized in Hypermesh. The need to reduce computational time has led to the creation, starting from the three-dimensional model, of a one-dimensional model of stents, through the use of the Matlab software. The simulations of implant in optimal position of the device have been realized in Ls-Dyna, and they consist of two phases: the first one in which it is crimped and the second one in which the expansion in the aortic root occurs. Consistent with our objectives, 4 cases were considered, combining the materials used to characterize aortic root materials and calcifications: linear elastic aorta and elastic calcifications; linear elastic aorta and elastoplastic calcifications; anisotropic hyperelastic aorta and elastic calcifications; anisotropic hyperelastic aorta and elastoplastic calcifications. The results obtained allow us to conclude that the material with which the aorta is defined represents the parameter that most influences the behavior of the stent, as the introduction of an anisotropic hyperelastic material with respect to an elastic one allows the aorta greater deformations which therefore determine greater easiness for the stent to recover its original shape. This results, for the same material of the calcifications, in lowerkk stresses on the device but also with lower stresses and pressures on the aorta level. Furthermore, the one-dimensional model figured out to be valid, providing results both in terms of values and in terms of distribution similar to those observed for the three-dimensional model.

Nel presente lavoro di tesi si è proceduto alla realizzazione di simulazioni computazionali strutturali per replicare l’impianto nella radice aortica di uno specifico paziente di una particolare valvola auto-espandibile molto diffusa nella pratica clinica (CoreValve Evolut R, Medtronic). La procedura d’intervento consiste nell’inserire una guida rigida fino al ventricolo sinistro, permettendo alla valvola di essere trasportata su un catetere che scivola sulla guida stessa. Il punto d’accesso standard per l’operazione è l’arteria femorale. Tale dispositivo è costituito da 3 elementi fondamentali: uno stent in Nitinol, tre lembi di pericardio porcino e una gonna suturata allo stent. È stata pertanto effettuata la realizzazione di modelli computazionali rappresentanti sia le componenti del dispositivo (ad esclusione dei tre lembi valvolari), sia i distretti anatomici del paziente, ossia la radice aortica, la valvola aortica naturale e le calcificazioni su essa presenti. L’obiettivo dello studio è quello di valutare l’influenza dell’anisotropia del tessuto aortico e della presenza di calcificazioni valvolari, per questo motivo la radice aortica è stata caratterizzata sia con un materiale elastico lineare che con uno iperelastico anisotropico, mentre i depositi calcifichi sono stati caratterizzati sia con un materiale elastico lineare che con uno elastoplastico. Lo stent tridimensionale e la gonna sono stati realizzati mediante il software Solidworks, mentre la geometria dei distretti anatomici è stata ricavata mediante tomografia computerizzata; tutti i componenti sono stati successivamente discretizzati in Hypermesh. La necessità di ridurre i tempi computazionali ha portato alla realizzazione, a partire dal modello tridimensionale, di un modello unidimensionale di stent, tramite l’utilizzo del software Matlab. Le simulazioni di impianto in posizione ottimale del dispositivo sono state realizzate in Ls-Dyna, e constano di due fasi: la prima in cui si ha il crimping dello stesso e la seconda in cui si ha l’espansione nella radice aortica. Coerentemente con i nostri obiettivi, sono stati considerati 4 casi, combinando i materiali con cui sono stati caratterizzati i materiali di radice aortica e calcificazioni: aorta elastica lineare e calcificazioni elastiche; aorta elastica lineare e calcificazioni elastoplastiche; aorta iperelastica anisotropica e calcificazioni elastiche; aorta iperelastica anisotropica e calcificazioni elastoplastiche. I risultati ottenuti consentono di concludere che il materiale con cui viene definita l’aorta rappresenta il parametro che più influenza il comportamento dello stent, in quanto l’introduzione di un materiale iperelastico anisotropico rispetto ad uno elastico consente all’aorta maggiori deformazioni che determinano dunque una maggiore facilità per lo stent di recuperare la propria forma originale. Questo si traduce, a parità di materiale con cui vengono definiti i depositi calcifichi, in sforzi minori a carico del dispositivo ma anche sforzi e pressioni inferiori a livello dell’aorta. Inoltre, il modello unidimensionale si è rivelato essere valido, fornendo risultati sia in termini di valori sia in termini di distribuzione simili a quelli osservati per il modello tridimensionale.