A preliminary in silico model of the thrombectomy procedure with stent retriever

The cerebral stroke can be divided in ischemic and haemorrhagic. Ischemic stroke is caused by the occlusion of an artery that ends in a lack of oxygen in the brain cells. The treatment of the ischemic stroke can be divided into two main types: pharmacological therapy and mechanical thrombectomy. The aim of the work is to set the first simulation of thrombectomy procedure with the Trevo stent-retriever. Two different Finite Element (FE) models of the retriever are generated and used in the thrombectomy simulation: i) a beam-based model (one-dimensional model), and ii) an hexahedral-based model (three-dimensional model). The clot is discretized using Smooth Particles Hydrodynamic (SPH) and finite elements in order to determine the most efficient strategy in terms of computational time. The creation of the Trevo geometry is based on a Matlab code that generates the repetitive cell from which the stent is composed. The dimensions used in the code are taken from the device patent and by direct measurements of the actual device. The one-dimensional model is generated directly through Matlab software, while for the three-dimensional model, the equations used in Matlab are implemented into Solidworks software. For the discretization of the 3D model, its cross section is discretized with four (2 by 2 for a total of 26828 elements) hexahedral trilinear elements. The clot discretized with SPH is composed by particles with distance of 0.7 mm, 0.35 mm and 0.05 mm. The clot discretized with finite elements has tetrahedral of size 0.2 mm. The thrombectomy procedure consists in the insertion inside the vessel of the stent crimped into catheter. Then the stent is deployed and enters in contact with the clot that is embedded by the stent structure. At this point, the stent is retrieved out of the vessel together with the clot. Considering the SPH simulation, a fluid and solid formulation is used to characterize the clot. For the fluid simulations, the conclusion is that this type of formulation is traction unstable. Concerning the Lagrangian formulation, in order to obtain a realistic behaviour, the clot would have a great number of particles such that the CPU time would be too high. Taking into account the thrombectomy procedure with a finite element clot for the three-dimensional and one-dimensional models, the simulations show good results. The von Mises stresses are evaluated in the two models and they result to be of the same order of magnitude. The 1D model is chosen because of its lower CPU time-consuming and its more realistic kinematic. The validation of these simulations, in term of clot stresses, cannot be computed for the lack of literature data. Thus, in this study, changes in stent-clot and clot-vessel friction coefficients and elastic modulus are imposed in order to evaluate the stresses variation. From a simulation point of view, the use of a beam-based model of the stent retriever appears to be an optimal choice.

L’ictus cerebrale può essere diviso in ischemico ed emorragico. L’ictus cerebrale è causato dall’occlusione di un’arteria che porta ad una mancanza di ossigeno alle cellule del cervello. Il trattamento dell’ictus ischemico può essere principalmente di due tipi: terapia farmacologica e trombectomia meccanica. Lo scopo di questo lavoro è quello di impostare la prima simulazione di trombectomia usando lo stent retriever Trevo. Due differenti modelli dello stent ad elementi finiti vengono generati e usati nelle simulazioni di trombectomia: i) un modello basato sui beam (modello unidimensionale), e ii) un modello basato su elementi esaedrici (modello tridimensionale). Il coagulo è discretizzato usando il metodo Smooth Particles Hydrodynamic (SPH) e gli elementi finiti per determinare la strategia più efficiente in termini di tempo computazionale. La creazione della geometria del Trevo è basata su un codice Matlab che genera la cella ripetitiva di cui lo stent è composto. Le dimensioni usate nel codice sono prese dal brevetto del dispositivo e da misure dirette dell’attuale dispositivo. Il modello unidimensionale è generato direttamente attraverso Matlab, mentre per il modello dimensionale, le equazioni usate in Matlab sono state implementate in Solidworks. Per la discretizzazione del modello 3D, la sezione dello stent è stata discretizzata con quattro (2x2 per un totale di 26828 elementi) elementi esaedrici trilineari. Il coagulo discretizzato tramite SPH è composto da particelle distanti 0,7 mm, 0,35 mm e 0,05 mm tra loro. Invece, il coagulo discretizzato con gli elementi finiti, ha elementi tetraedrici di dimensione 0,2 mm. La procedura di trombectomia consiste nell’inserzione dentro al vaso dello stent crimpato nel catetere. Poi lo stent viene rilasciato ed entra in contatto con il trombo che viene intrappolato dalla struttura dello stent. A questo punto lo stent viene tirato fuori dal vaso insieme al trombo. Considerando la simulazione con l’SPH, il coagulo viene formulato sia come fluido che come solido. Per le simulazioni fluide, la conclusione è che questo tipo di formulazione è instabile a trazione. Per quanto riguarda la formulazione Lagrangiana, per ottenere un comportamento realistico, il coagulo dovrebbe avere un grande numero di particelle tale per cui il tempo computazionale della simulazione sarebbe troppo elevato. Prendendo in considerazione la procedura di trombectomia con il coagulo ad elementi finiti per il modello tridimensionale e quello basato sui beam, le simulazioni mostrano buoni risultati. Gli sforzi di von Mises vengono valutati nei due modelli ed essi risultano essere dello stesso ordine di grandezza. La validazione di queste simulazioni in termini di sforzi sul coagulo, non possono essere compiute a causa della mancanza di dati in letteratura. Quindi in questo lavoro, vengono impostati diversi coefficienti di frizione tra stent-coagulo e coagulo-vaso e diversi moduli elastici per valutare la variazione degli sforzi. Dal punto di vista computazionale, l’utilizzo del modello basato sui beam dello stent retriever appare essere un’ottima scelta.