Modellizzazione del danneggiamento in arterie periferiche indotto dall'angioplastica con palloncino

This master thesis develops an in-silico model of tissue damaging induced by a percutaneous transluminal angioplasty (PTA) in a superficial femoral artery (SFA). The idealized computational model to simulate the angioplasty is composed of an artery, considered as a cylindrical conduit with a narrowed lumen caused by the presence of the atherosclerotic plaque, and a balloon (previously folded) arranged along the artery’s longitudinal axis. Damaging of the SFA after balloon angioplasty has been reported to occur in more than 50% of the cases. For this reason, uniaxial tests of human SFA samples were performed under deformation control until rupture, along the longitudinal and circumferential directions. A finite deformation anisotropic damaging constitutive model of the arterial tissue was developed accounting for isotropic damaging of the extracellular matrix, and anisotropic damaging in the longitudinal and circumferential directions. The mechanical parameters of such a model were obtained through the minimization of the error between the experimental and predicted stress-strain curves. Different simulations with different plaque types (lightly, moderately and heavily calcified) and balloon’s dimension were performed. Results from the simulations show that the media is the layer of the artery with the highest state of stress (maximum values coinciding with the circumferential direction) and that, the region of the media closer to the plaque proves to be the layer more at risk of rupture/delamination during angioplasty, with significant damage of both the isotropic and the circumferential components. The developments of this master thesis will be further applied to simulating the damaging in an actual geometry of an SFA obtained from in vivo images of a patient before undergoing the angioplasty intervention. The intent is to confront the results with the images obtained from the same patient afterward the PTA to evaluate the reliability of the model and its possible clinical use (to determine the best balloon dimension, to predict the damaging in the media and to identify the regions of the artery more in danger in order to discern between different surgical procedures).

Nel presente lavoro di tesi è stato progettato un modello in silico che simulasse il danneggiamento indotto in un’arteria femorale superficiale (SFA) da un intervento di angioplastica con palloncino (PTA). Il modello ideale disegnato in Abaqus è costituito da un’arteria, vista come un condotto cilindrico con una protuberanza interna (placca aterosclerotica) che causa un restringimento del lume di passaggio del sangue, e un palloncino (precedentemente compresso) posizionato lungo l’asse longitudinale dell’arteria. Dopo un intervento di angioplastica con palloncino, viene riportato un danneggiamento della parete dell’arteria femorale superficiale in più del 50% dei casi. Per questa ragione, sono stati effettuati test in controllo di deformazione fino a rottura, in direzione longitudinale e circonferenziale, su campioni di SFA umana. È stato creato un modello costitutivo di danneggiamento che andasse a cogliere il comportamento meccanico dell’arteria per grandi deformazioni, definendo tre componenti di danneggiamento: isotropo, longitudinale e circonferenziale. I parametri meccanici di tale modello sono stati ottenuti tramite la minimizzazione dell’errore tra i dati sperimentali e quelli calcolati analiticamente tramite Matlab. Sono, quindi, state condotte diverse simulazioni di angioplastica cambiando tipo di placca (leggermente, moderatamente e altamente calcificata) e dimensione del pallone. Dalle simulazioni si evince che la tonaca media è lo strato della parete dell’arteria che si trova nel più alto stato di sforzo, del quale i valori maggiori sono raggiunti dalla componente circonferenziale, e che la regione della media più vicino alla placca risulta essere lo strato maggiormente a rischio di rottura/delaminazione durante e dopo l’angioplastica, a causa dei rilevanti danni matriciale e circonferenziali che subisce. Lo sviluppo di questo lavoro di tesi porterà all’applicazione del modello di danneggiamento ad una simulazione che utilizzi la geometria di un’arteria ottenuta in vivo da un paziente prima dell’operazione di angioplastica. L’intento è quello di confrontarne i risultati con quelli ottenuti da immagini angiografiche sullo stesso paziente dopo l’intervento per valutare l’affidabilità del modello e il suo possibile utilizzo clinico (determinare la dimensione del pallone più adatta, prevedere il danneggiamento della media e quali aree siano più a rischio in modo da discriminare tra diverse pratiche chirurgiche).